摩擦衬垫动态热物性能及其对瞬态温度场的影响

摩擦衬垫动态热物性能及其对瞬态温度场的影响

摩擦提升机依靠钢丝绳与衬垫间的摩擦力提升重物，当因超载等工况发生滑动时，由于摩擦引起的衬垫温升将严重威胁矿井提升安全。为了保障矿井提升安全可靠运行，刘道平等!-3基于静态热物性能对摩擦衬垫温度场进行了研究。由于摩擦村垫属于聚合物材料，其比热容、热扩散系数、导热系数等热物性能参数都是随温度变化的[4-],基于静态热物性能参数所得到的温度场与客观情况存在明显误差，因此，掌握衬垫动态热物性能是研究其摩擦温升的重要条件。目前，许多研究者只是对动态热物性能[9-12)或温度场(基于静态热物性能)[13-15]进行了研究，而未将动态热物性能引入材料温度场进行计算。为此，本文作者针对2种广泛应用的摩擦衬垫，开展动态热物性能实验研究，通过积分变化法求得其瞬态温度场，并获得基于动态热物性能参数的摩擦衬垫瞬态温度场，以使为摩擦提升防滑设计提供理论依据，同时，为其他工程领域温度场精确计算提供借鉴。

1.热分析实验

1.1

矿井摩擦提升机广泛使用这2种摩擦村垫材料。采用闪光导热仪 LFA 447同步测衬垫的热扩散系数a比热容C等热物性能参数[1若已知垫密度p，则可得衬垫的导热系数为:

实验测温范围为30-240C,每隔10C测量1次气氛为氮气，循环水冷却。测试时，将样品制成直径为12.5~12.7mm厚度为 15~2.0 mm 的圆形薄片，保证试件上下表面光滑、平整。为了保证实验结果的准确性，在每个测量温度点测量3 次，取平均值作为实验结果，用于分析。

1.2实分

图1所示为村垫  的比热容 C热扩散系数a、导热系数随温度的变化规律。图 1(a)表明，衬垫比热容随温度的开高而增大。从图 1(b)可以看出，衬垫热散系数随温度的升高而早非线性降低，且其在测试温度范围内变化更剧烈。由图 1(c)可知，衬垫导热系数在 90℃以内缓慢上升，此后，导热系数基本不随温度变化:导热系数在90-240℃时稳定在0.451 W·m¯¹K¯¹而仅为0.300Wm¯¹­K¯¹。

根据图1中比热容和热扩散系数随温度的变化规律，分别对其进行多项式拟合和指数方程拟合。对于GM-3，其拟合方程如下：

式中，2为相关系数的平方，其值都接近 1，说明拟合曲线能较好地反映实验结果。结合式(1)，可得衬垫导热系数随温度变化的拟合方程。

2、瞬态温度场理论模型

矿井摩擦提升示意图如图2 所示。当摩擦提升机由于超载等发生打滑时，钢丝绳与衬垫将之间将发生滑动摩擦而使衬垫温度升高，两者的接触模型如图3所示。

为分析滑动时摩擦衬垫瞬态温度场，采用坐标(r.0o)对其进行几何描述。其中为垫上的点到槽中心的距离，0为心角， 为围包。对于图23中所示的几何结构和参数，取 a≤rsb;000(6-/2):0pSo(为最大围包角)。根据热传导理论，其三维瞬态热传导微分方程为:

式中:Ve(t)为相对滑;T₁为钢丝绳轻载侧张力n；为钢丝绳数量:Pw′，Cpw和λw分别表示钢丝绳密度比热容和导热系数;Ve(t)=a₁t，a₁为钢丝绳在衬垫上的滑动加速度。

对于任意给定的φ 截面，采用积分变换法求解式

(3)，对空间变量r和θ进行积分变换，将热传导程简化为时间变量t的常微分方程后求解。将求得的温度函数对空间变量进行逆变换，即得到衬垫φ 截面处的瞬态温度场:

3、动态热物性能对瞬态温度场的影响

衬垫、钢丝绳和滚简尺寸参数为:a=0.014m，b-0.04m，R=1.4m：T₁-223.569 kN，钢丝绳数量n=6钢丝绳与衬垫间的摩擦因数μ=0.2;a₁=0.527 m/s²;To=20℃;GM-3和K25 的热分解温度为320℃和345℃。衬垫与钢丝绳在常温状态下的静态热物性能参数如表1所示。

为了准确获得钢丝绳在打滑过程中的摩擦衬垫温度场，分别将2种材料的动态和静态热物性能参数代入瞬态温度场模型，并进行数值模拟，图4和图5所示为部分仿真结果。

由图4可知，当考虑衬垫动态热物性能参数时，衬垫温升缓慢，分别由静态和动态热物性能参数求得的温度差随相对滑速的增大而增大，衬垫达到热分解温度时的临界速度较高， 临界速度由7.35 m/s增加到8.42 m/s。导热系数、热扩散系数和比热容较小，导热性能较差，由式(5)可知，其热量分配系数也较小。

为了研究衬垫动态热物性能对温升的影响，分析了衬垫 径向温度随圆心角和相对滑速的变化规律，如图5所示。从图5可以看出:村垫温度沿径向迅速减小，且随0的增大而减小。当考虑动态热物性能参数时，计算得到的衬垫温升比考虑静态参数时所得的衬垫温升低:两者的差值随相对滑速的增大和0的减小而增大，且沿径向逐渐降低。这是因为当φ较小或滑速较高时，温度很高且变化剧烈，并且的导热性能随温度升高而增强，故动态热物性能对其影响较大:而村垫温度沿径向迅速降低且变化趋于平缓故动态热物性能参数对其影响变小。

4、结论

A，当考虑衬垫动态热物性能参数时，衬垫温升缓慢，衬垫达到热分解温度时的临界速度较高;由静态和动态热物性能参数计算得到的温度差随相对滑速的增大和0的减小而增大，且沿径向逐渐降低。

B.在高速滑动引起的温度剧烈变化的情况下，采用静态热物性能参数不能反映衬垫温升时热物性能的变化，由此得到的温升误差较大:结合衬垫动态热物性能参数计算得到的衬垫瞬态温度场，能更精确地反映摩擦提升滑动过程中衬垫温度变化规律，为摩擦提升防滑设计提供了理论依据。

END

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