機械設計外文翻譯-礦井提升機和數(shù)值的摩擦熱分析模擬墊片的溫度場【中文4130字】【PDF+中文WORD】
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【中文4130字】
礦井提升機和數(shù)值的摩擦熱分析模擬墊片的溫度場
機電工程，礦業(yè)，江蘇徐州221008，中國的中國大學學院
摘要:密封墊圈的摩擦性能影響礦井提升機，摩擦熱基于摩擦機制和傳熱理論，礦山的數(shù)學模型對聚氯乙烯墊片的溫度場進行了研究，根據(jù)基本假設，利用ANSYS數(shù)值模擬給出溫度和熱通量的分布，該結果表明，溫度逐漸減小，模型半徑增加而等溫線是同心半圓的圓弧，熱通量是雙側對稱的模型并且徑向減小。當鋼絲繩滑動時，該理論值與很短的時間測量值相對應（t<=100次）。
關鍵詞: 礦井提升機；摩擦熱；墊片；數(shù)值模擬；溫度場
1 引言
礦用提升機的墊片主要由PVC塑料和PU制成，其有聚合物性能。熱導率PVC塑料和PU相對較小，該材料溫度因而上升，由于摩擦熱而引起的滑動，將導致相位狀態(tài)的改變與結構的變化。以前實驗證明，影響摩擦熱的最重要因素之一是墊圈。在很大程度上是由指示的摩擦系數(shù)，從而降低與一個在折合在聚合物密封墊圈的溫度[1]。聚合物對熱敏感，這可以改變摩擦表面狀況，加劇磨損，結果脫礦或脫落表面層[2]。因此，在研究摩擦時應考慮鋼絲繩之間的機制墊片的摩擦熱，主要步驟是在墊片摩擦時了解溫度場的變化，以便獲得影響摩擦的各種因素。
2 滑動摩擦熱的機構
2.1 滑動模式
一般情況下，礦井提升機在操作時，絕對和相對滑動因為某些原因而存在作用[3]。絕對（純滑動）采用下進行兩種情況：第一種是，該鋼絲繩在摩擦輪轉動時，就在該點如不能解除重量，同時提升；另一種是，該鋼絲繩上滑動的摩擦墊圈，類似于在緊急制動電的情況。相對滑動是在摩擦副工作時引起的差值，絕對速度通常也發(fā)生兩種情況：在第一個是該鋼絲繩的速度比該摩擦輪的大，這相當于為滑動卸載它的重量和減慢，另一條件是速度小于鋼絲繩，這相當于滑動時升降在過載運行。
2.2 鋼絲繩和墊片摩擦熱產生機理
摩擦熱摩擦過程中的主要作用為滑動，熱量從摩擦工作產生，這直接關系到了摩擦力和滑動速度。歐拉公式是摩擦提升機的主要驅動原理[4]。
1.它可寫為：
（1）
鋼絲繩的拉伸力的限制比例在摩擦輪的兩側，如圖所示：
圖1 鋼絲繩兩側拉力
(1) 其中e是自然對數(shù)2.71828，α0封閉鋼絲繩相對于所述摩擦輪的角度來看，μ鋼絲繩和墊圈和T1和T2之間的摩擦系數(shù)是在重量的拉伸力。拉伸力和正常壓力之間的關系是
Ni = Tdθ （2）
(2) 其中Ni是正常的氣壓，T為拉伸力和dθ對應的接觸弧度為單位的微角。在滑動時，總摩擦力（T1- T2），并且如果滑動速度υ，總摩擦實際功（Wf）是許多小曲線的總和摩擦功（Wi）[5]：
（3）
(3) 滑動中墊圈的接觸面始終加熱，一般情況下，如果兩個對象紋理和幾何形狀彼此相似，摩擦熱通常是良好的顯示分布式[6]，否則，更多的熱量會傳導至對象具有良好的導電性。在滑動鋼絲繩和墊圈，鋼絲之間繩子將獲得更多的熱量，但只有墊片的5％的摩擦熱主要是產生于分離表面，該表面容易磨損，因此它不利地影響襯墊。為了充分理解摩擦熱效應，摩擦產生熱應該考慮對整個接觸面積。
鋼絲繩和之間的導通的墊片是不穩(wěn)定的，摩擦熱的條件，滑動過程中的鋼絲繩示于圖2(1)，這是相當復雜的，因為該半圈是加熱，而其它部分釋放熱量。在接觸的橫截面的傳熱條件，鋼絲繩與襯墊之間的區(qū)域顯示圖2(2)，這表明了熱q是良好的顯示分布式上的聯(lián)系方式與圓弧半徑為r0，外加面對熱源會在接觸區(qū)域中創(chuàng)建在整個摩擦輪的滑動，以熱鋼絲繩和墊圈加熱表面的接觸面積。根據(jù)摩擦角變化，熱源強度增加在滑動方向上，如圖2（3）和所述熱在入口Q''始終是較大的比熱在出口Q'[1-2]。在研究中，墊圈通常被采用為目標，作為一個結果的復雜性和該結構的均質性鋼絲繩，它是更方便的考慮墊片為連續(xù)均質材料[7]。
(1) 墊片 (2) 摩擦熱條件
圖2 鋼絲繩和襯墊滑動時的摩擦熱條件
3 溫度分布模型
3.1 基本假設
考慮到熱是不可改變的，它只有在封閉時鋼絲繩和襯墊的某些接觸面積角度改變，作為滑動條件是不變的，下面假設：
1)我們忽略了滑動時墊片的磨損，鋼絲繩的接觸形式在一定的工作條件不變。該整個表面是一個大圓弧半徑R和當?shù)亟佑|面積是半徑為r0的圓弧（鋼絲繩半徑）；
2)墊片各向同性聚合物具有恒定的熱傳導性，是一種均勻連續(xù)的熱擴散率，比熱容和密度；
3)非接觸表面，其被暴露在空氣中，是隔熱的，也就是說，它不會傳遞熱量到空氣；
4)在接觸弧的任何橫截面的熱是恒定的，均勻分布的小接觸圓弧半徑為r0；
5)熱傳遞的方向進行半徑r和等溫線是同心的，半圓中心是鋼絲的軸線。
3.2 控制方程
基于以上假設，我們得到如圖所示，如圖物理模型。該模型具有三面與周圍環(huán)境接觸，鋼絲繩與墊圈的接觸面這是直接由摩擦加熱，其中所述熱量Q是均勻分布，墊圈接觸面和其周圍的空氣，在其上的熱量有上一層極薄的效果，因此溫度變化小，熱對流的空氣可以忽略不計；墊片接觸面和接觸區(qū)域的沉積，對于基于同樣的理由，熱可以忽略。該坐標的三維模型的系統(tǒng)是與坐標R，θ和φ確定。?是墊圈和一個繩芯橫截面的距離是特定之間的，θ為該角度從點到對稱平面和φ是墊圈和其水平位置之間的橫截面為逆時針角。
圖3 墊片的物理模型
摩擦熱的擴散是不穩(wěn)定的，因而我們有數(shù)學傳熱模型[5]如下：
（4）
其中，λ是熱傳導率，T溫度，τ時間，R絞盤軸之間的距離鋼絲繩芯，這是常數(shù)，表示熱擴散。該邊界條件和初始條件是:
（5）
方程（4）是一局部方程，由于傳熱在密封墊被認為是一個整體。方程（4）是通過分析或數(shù)值非常復雜技術，并在實踐中加以簡化。該摩擦熱表面層是很薄的，因此熱影響?。徊⑶疫M一步地和之間的同一個差別系數(shù)較小時，是非常小的，和之間的影響是小的，只要它們之間存在一定的距離。因此，值被認為是一個常數(shù)和熱傳導可以轉化為一種不穩(wěn)定的熱傳導，一維中空圓柱體的內壁具有同等熱。簡化的物理模型被示為圖4，并在任何數(shù)學模型角被計算如下：
圖4 墊片的簡化物理模型
(6)
其中在任何時間，t是在半徑r處的溫度，是單位長度上電弧的接觸面的熱流量。
4 在溫度場的數(shù)值模擬
4.1 有限元分析
墊片的傳熱分析通過有限元軟件分析，溫度模擬其特殊多場耦合功能。傳熱分析過程中使用分析如下：首先，劃分對象，以有限的單位（內包括一些結點）[8] ；第二，根據(jù)給定的平衡解決散熱，每個結點的方程邊界條件和初始條件根據(jù)能量守恒原理；第三，制定出溫度在每一個點和最后解決其他相關變量[9]。簡化的模型是一個三維中與內壁等于熱通量的非穩(wěn)定熱傳導問題，因此只有一個橫截面需要分析。在這的橫截面，所述內半徑等于所述鋼絲繩半徑，即R0= 1.9毫米，其厚度為2.1毫米，橫截面為半環(huán)形，其橫截面面積和網(wǎng)格分布示于圖5。有半徑20等分和在外圍80等分。
圖5 物理模型尺寸和網(wǎng)格分布
4.2 墊片的屬性和初始邊界條件
1) 材料特性：PVC塑料與密度（ρ）1390千克/平方米，比熱（Cp）1842.2焦耳/（千克·℃），熱導率（λ）0.145（W/（平方米·℃）;
2) 大小和動態(tài)參數(shù)：內徑為1.9毫米，外半徑為4毫米，T2=217.56 N和V=69.33毫米/秒;
3) 邊界條件：AB，BC和CD邊隔熱有相等的熱通量;初始條件：T=0，T0 =20℃，R= 4毫米，Q =0 R=1.9毫米，q = q0。
我們采取鋼絲的外殼角繩索和摩擦輪作為和摩擦力
圖6 溫度和熱通量在一定時間分布
溫度和熱流量的變化過程在某個時間點被顯示在圖7，在不同的距離選擇沿著從靠近半徑的點。前40秒鐘該曲線在小的徑向點是大，這表明當溫度上升并相對于所述墊圈3鋼絲繩的系數(shù)為0.35，在假定的摩擦力的5％熱傳導到墊片和熱通量墊片是每單位長度的圓的摩擦熱。其計算公式可以推導出公式（1）和（3）
因為雙方的熱通量為零，則該計算值可以直接加入到在橫截面擴大的每個結點[10]。
4.3 結果與分析
結果如溫度場，熱通量場，熱梯度場可以在繪圖上顯示，這可以使各物理量的變化與時間或空間更直觀[11]。
溫度和熱通量的分布在一定時間清楚地顯示在圖6，這表明溫度逐漸降低在半徑折痕，等溫線是同心圓弧半圈，熱通量具有對稱分布和徑向減小。
熱通量梯度大，所以熱傳導是在不正常的階段。過一會兒的斜坡曲線接近一個固定的值，這意味著熱通量在這些點是恒定的，溫度升高和每個點的熱通量梯度成為濃度恒定，從而使熱傳導是在一個穩(wěn)定的階段。
圖7 變化的溫度和熱流量的過程在一個特定的時間點
圖7a為線1，2，3，4比理論值，而線1’，2’，3’，4’代表測試溫度）。
從圖中可以看出圖7b，該熱流的折痕半徑逐漸日益增加，這是節(jié)能減排的結果。作為在熱流的邊界的模型內進行，其中的一部分傳輸?shù)絾卧臒岜挥糜谀茉醋兓膯卧?；換句話說，它提供了能量使溫度上升，而其他部分出口到其他單位，這些結果表明墊圈的瞬態(tài)溫度場可準確地模擬，由計算機和數(shù)字仿真可以反映但不能在實踐中測量(例如墊圈的內側)部分溫度場的變化趨勢。
5 測試
該實驗進行了驗證結果的模擬，該實驗裝置的設計以同樣的方式作為真正的懸掛狀態(tài)。鋼絲繩上滑動實驗輪是一個卷軸由直流電動機驅動旋轉，滑動速度是由直流電動機的電壓控制，通過一個變壓器和應力對墊片調節(jié)是由不同的配重調整。該條件的絕對滑動化可以實現(xiàn)，同時實驗絞盤是固定的，條件相對滑動也可以實現(xiàn)。同時，不同速度由兩個直流電機驅動閥芯和絞盤，絕對滑動或相對速度滑動可以由測速發(fā)電機進行測量和光電傳感器的拉伸力，在進口和測試部分的出口通過拉伸來測量力傳感器和溫度通過以下方式測定淹沒熱電偶溫度計。已被證明，鋼絲繩滑動在很短的時間，理論值和測量值基本上匹配，因此，在滑動的開始，熱量從墊片被轉到接觸面積和溫度的分布在所述墊圈可以用數(shù)值計算仿真?；瑒拥暮笃诳梢岳斫夥e累的熱量已經影響了墊片表面，并導致其熱的放大電導率[12]，這說明不符合同情形測得的溫度與理論之間在后期的價值。
6結論
建立鋼絲繩和墊圈之間的熱傳遞模型，這可用于不同的密封墊。模擬后期的溫度場重量和速度，氣溫逐漸取消折痕，模型半徑增加，而模型中的等溫線的同心半圓弧線熱焊劑具有對稱分布并徑向減小，鋼絲繩滑動時理論值吻合。
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