CC BY
29
УДК 629.113-59.001.4
ПОРІВНЯЛЬНИЙ АНАЛІЗ ТЕМПЕРАТУРНИХ РЕЖИМІВ ВЕНТИЛЬОВАНИХ ТА НЕВЕНТИЛЬОВАНИХ ДИСКОВИХ ГАЛЬМ АВТОБУСА НА ЦИКЛІЧНИХ ВИПРОБОВУВАННЯХ
Г.С. Гудз, професор, д.т.н., І.Я. Захара, інженер, Національний університет «Львівська політехніка»
Анотація. Проведено порівняльні дослідження температурних режимів вентильованих та невентильованих дискових гальм автобуса на випробовуваннях І комп ’ютерним моделюванням.
Ключові слова: дискові гальма, температурні поля, тривимірна модель, випробування І.
Вступ
Для концептуального проектування фрикційних вузлів автотранспортних засобів (АТЗ) необхідно володіти базою знань [1], яка є актуальною для автобудівників. Зокрема , при дослідженні теплових процесів в гальмах важливо оцінити вплив вентильованих каналів у дисках на типових режимах випробувань АТЗ.
Аналіз публікацій
Позитивний вплив вентиляційних каналів на температурний режим дискових гальм відзначається в роботах Н.Д. Владимирова, А.Б. Гредескула, В.К. Долі, І.С. Оржевського та інших вчених, але в них немає кількісного порівняння з невентильованими дисками.
Така спроба зроблена в роботі [2], де на тривимірній моделі показано практичну ідентичність температурних режимів гальм з вентильованими та суцільними дисками на випробуваннях ІІ [3], тобто неефективність вентиляційних каналів на вказаному типі випробувань. Тому виникла потреба провести такі дослідження гальм на випробуваннях І, тобто на режимах циклічних гальмувань.
Мета роботи
Провести порівняльні дослідження температурних режимів вентильованих та невенти-
льованих дискових гальм автобуса на випробовуваннях І.
Методика та результати досліджень
При моделюванні попереднього етапу випробувань І виникає необхідність роз'єднання пар тертя дискового гальма (рис. 1) після кожного з 20 циклів гальмувань АТЗ категорії М3.
Рис. 1. Сектор просторової сітки тривимірної моделі гальма з вентильованими дисками
При розрахунковому визначенні температурних полів в дискових гальмах слід розв’язати рівняння у часткових похідних, які описують процеси теплопереносу в складних об'єктах з розподіленими параметрами при відповідних крайових умовах [4]
Ц( х, у, г) °-ТГ + Ц( х, у, г) + Ц( х, у, 2) йЛ_ +
дх ду дг
+0( х, у, г) = ср( х, у, г) , (1)
де Т - температура; х, у, г - поточні координати; Цх, у, г) - коефіцієнт теплопровідності; ср(х, у, г) - об’ємна теплоємність; Q(х, у, г) -густина теплового потоку; т - час.
Охолодження пар тертя гальмівного механізму під час їх роз’єднання описується рівнянням
Ц х, у, г) ^ + Ц х, у, г) ^ + дх ду
+Ц x, y, z) д£- = ср( x, y, z) ддт.
(2)
дz
Для розв’язання рівнянь (1) і (2) використано розрахунковий модуль [5], створений на базі програмного комплексу «Фур’є - 2 ХУ2» [6], який дозволяє розв’ язувати двовимірні та тривимірні задачі теплопереносу в діалоговому режимі та отримувати результати у зручному та наочному для використання вигляді.
Моделювання попереднього етапу випробувань І полягає у його здійсненні на трьох моделях: моделі нагрівання гальма в зборі, моделі охолодження гальмівних накладок в зборі з колодками та моделі охолодження гальмівного диска.
Файл нагрівання гальмівного механізму має конфігурацію, наведену на рис. 2.
Временной шаг 0.01
Время прогноза 2.7
Пространственный шаг по х 0.002
Пространственный шаг по у 0.01
Пространственный шаг по т. 0.01
Теплопроводность. 1Г 0
Теплопроводность. 1а 0
Температура 1диЗ 20
Погрешность 0.001
Номер схемы 66
Вариант 2
Режим расчета 2
Текущее время (секунд) 0
Количество итераций 0
|0| scalar №
Рис. 2. Конфігурація файлу нагрівання гальма
На сітці за координатою г моделюється сектор (рис. 1), який досить точно [7] зведений
до двовимірної сітки. При цьому зміни середньої товщини сектора за координатою у з кутом Ду враховується зміною теплофізичних коефіцієнтів для кожного горизонтального рядка сітки. Перший горизонтальний рядок буде відповідати встановленим крокам за простором х, у, г і в нього задаються дійсні теплофізичні коефіцієнти. В наступних рядках їх значення визначають відповідно до зміни середньої товщини за координатою г залежно від просторового кроку за координатою у.
У математичному модулі використовується прямокутна система координат, в якій допускається різна дискретизація за координатами х, у, г. Крок за координатами рівний Дх = =0,002 м; Ду = 0,01 м; Дг = 0,02 м. Задаємо однорідний початковий розподіл температур Т = 20°С. З першого стовпчика масивів теплофізичних коефіцієнтів у кожний рядок вузлів пропорційно дійсним площам задаються їх значення. Конфігурацію моделі створено для переднього гальмового механізму автобуса А-172 (Са=17500 кг). Ширина накладки (пояса тертя) дорівнює 0,08 м. На цій ділянці пояса тертя в моделі змінюють пропорційно дійсним площам значення коефіцієнта теплопровідності, а на межах моделі таким самим чином задають значення граничних умов третього роду.
Конфігурацію файлів для охолодження гальмівних накладок в зборі з колодками наведено на рис. 3, а для гальмівного диска - на рис. 4.
Временной шаг 0.01
Время прогноза 57.3
Пространственный шаг по х 0.002
Пространственный шаг по у 0.01
Пространственный шаг по г 0.01
Теплопроводность. ^ 0
Теплопроводность. 1а 0
Температура 1:диЗ 20
Погрешность 0.001
Номер схемы 66
Вариант 2
Режим расчета 2
Текущее время (секунд) 0
Количество итераций 0
0L
scalar
Рис. 3. Конфігурація файлу для охолодження гальмівн их накладок з колодкою
Особливістю моделювання вентиляційних каналів є зменшення значення об’ємної теплоємності й теплопровідності у 3,2 рази в об’ємі перегородок диска за товщиною вентиляційного каналу. На стінки каналів задаються граничні умови третього роду, отримані ідентифікацією за результатами натурних експериментів.
Оскільки попередній етап випробовувань І гальм складається з 20 циклів «нагрівання-охолодження», то на межі поверхонь тертя задавались розрахункові значення середньої густини теплового потоку Qс = 1 ■ 106 Вт/м2 (див. далі), а для наочності температурних полів задавалась Qс = 2-106 Вт/м2.
Конфигуратор
Рис. 4. Конфігурація файлу для охолодження гальмівного диска
Тривалість гальмування складає 2,7 с при загальній тривалості одного циклу 60 с. Коефіцієнт тепловіддачі а відкритих поверхонь гальма становить 50 Вт/м2 град., а з поверхні тертя під час гальмування - корегувався з врахуванням коефіцієнта перекриття Р=0,35.
На рис. 5 показане температурне поле гальмівного механізму в кінці 1-го циклу гальмування.
З рис. 5 видно, що температура поверхонь тертя на 1-му циклі гальмування досягає 190° С, в той час як температура тіла диска та накладок з колодками не перевищує 20° С, що пояснюється короткотривалістю процесу (2,7 с).
На рис. 6 зображено температурне поле диска в кінці охолодження 1-го циклу випробовувань І (т = 57,3 с), з якого видно, що пройшов перерозподіл теплоти в диску, і його температура стала 81-82°С.
Рис. 6. Температурне поле переднього гальмівного диска автобуса А-172 в кінці 1-го циклу охолодження випробувань І (@= 2-106 Вт/м2)
Слід зазначити, що температурні поля двох симетрично розташованих накладок з колодками не показані, оскільки під час гальмування на 1-му циклі випробовувань І вони не прогрілись (див. рис. 5).
Температурне поле дискового гальма в зборі під час з’ єднання пар тертя перед початком 2-го циклу випробувань І показано на рис. 7.
20 55 і ■ і 10
1
20
К
Рис. 5. Температурне поле переднього гальмівного механізму автобуса А-172 в кінці 1-го циклу гальмування випробовувань І ^= 2-106 Вт/м2)
Рис. 7. Температурне поле переднього гальмівного диска автобуса А-172 на початку 2-го циклу випробовувань І під час з’єднання пар тертя ^ = 2-106 Вт/м2)
З його розгляду видно, що пройшов перерозподіл теплоти в накладці з колодками та перетік у фланцеву частину диска. В результаті цього колодки з накладками прогрілись до температур 35° С, а фланцева частина диска
- до 34-35° С.
Це дозволяє отримати температурні поля гальма на всіх подальших циклах гальмувань.
На рис. 8 показано межі зміни температур поверхонь тертя невентильованих та венти-
льованих дискових гальм АТЗ на циклах випробовувань І, отриманих комп’ютерним моделюванням. Аналіз показує, що приблизно до 5 - 6 циклу випробовувань температура невентильованих гальм дещо вища від не-вентильованих. Це пояснюється меншою масою вентильованих гальм, а після зазначених циклів температура вентильованих гальм починає відставати від невентильованих і досягає 11 - 12 % в кінці випробовувань. Це пояснюється вступом в теплообмін вентиляційних каналів.
Номери циклб п
Рис. 8. Межі зміни температур поверхонь тертя за нагріванням (1) та охолодженням (2) гальм на циклах випробувань І за різних середніх густин теплового потоку (Вт/м2)
ГІГ і і иЛьОбОн! ьоСонд. іЬсхь ■ V
V
V " -.2*10*
\
ю6 1
2 і 6 в 10 12 !і 16 їв 20 Попери иимб п
Рис. 9. Приріст температур поверхонь тертя гальм (за нагріванням) на циклах випробовувань І за різних середніх густин теплового потоку (Вт/м2)
Слід зазначити, що для вентильованих гальм вже після 10-го циклу випробовувань наступає квазіусталена температура, а для невен-тильованих - проходить практично в кінці випробовувань. Це наглядно показано на рис. 9, де тільки для невентильованих гальм при великих густинах теплового потоку (<0,с= 2-106 Вт/м2) стабілізація температури настає значно пізніше.
Висновки
1. До 5-го циклу випробовувань І роль вентильованих каналів нівелюється меншою масою вентильованих дисків при малих температурних напорах.
2. Після 10-го циклу випробовувань І наступає квазіусталена температура у вентильованих дискових гальмах при всіх густинах теплових потоків.
3. В кінці попереднього етапу випробовувань
I температура вентильованих гальм на
II - 12 % нижча від невентильованих.
Література
1. Гудз Г.С. Температурные режимы фрик-
ционных узлов автотранспортных средств. - Харьков: РИО ХГАДТУ, 1998. - 139 с.
2. Гудз Г.С., Клипко О.Р. Дослідження впли-
ву вентиляційних каналів на температурний режим дискових гальм: Зб. наук. пр. асоціації «Автобус: проектування, виробництво та експлуатація автотранс-
портних засобів і поїздів». - Львів. -2004. - Вип. 8. - С. 53 - 57.
3. Правила №13 ЕЭК ООН. Единообразные
предписания, касающиеся официального утверждения транспортных средств в отношении торможения. - Женева:
1979. - 75 с.
4. Лыков А.В. Теория теплопроводности. -
М.: Наука, 1967. - 592 с.
5. Гудз Г.С., Коляса О.Л., Тарапон А.Г. Рас-
четный модуль для исследования температурных полей в дисковых тормозах автотранспортных средств: Зб. наук. пр. Інституту проблем моделювання в енергетиці НАНУ: Моделювання та інформаційні технології. - К. - 2001. - Вип. 8.
- С.45 - 50.
6. Тарапон А.Г., Сорокин Н.А., Тернавс-
кий В.О. Программный комплекс для моделирования процессов тепломассо-переноса при аварийных ситуациях // Сб. «Методы и средства компьютерного моделирования». - К.: ИПМЭ НАНУ, 1997. - С. 58 - 60.
7. Гудз Г.С., Осташук Н.М., Тарапон А.Г.
Методика компьютерного моделирования трехмерных температурных полей в дисковых тормозах: Зб. наук. пр. Інституту проблем моделювання в енергетиці НАНУ. - К. - 2002. - Вип. 16. - С. 95 - 99.
Рецензент: В.І. Клименко, професор, д.т.н., ХНАДУ.
Стаття надійшла до редакції 10 червня 2008 р.
