机械设计外文翻译-矿井提升机和数值的摩擦热分析模拟垫片的温度场【中文4130字】【PDF+中文WORD】
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【中文4130字】
矿井提升机和数值的摩擦热分析模拟垫片的温度场
机电工程，矿业，江苏徐州221008，中国的中国大学学院
摘要:密封垫圈的摩擦性能影响矿井提升机，摩擦热基于摩擦机制和传热理论，矿山的数学模型对聚氯乙烯垫片的温度场进行了研究，根据基本假设，利用ANSYS数值模拟给出温度和热通量的分布，该结果表明，温度逐渐减小，模型半径增加而等温线是同心半圆的圆弧，热通量是双侧对称的模型并且径向减小。当钢丝绳滑动时，该理论值与很短的时间测量值相对应（t<=100次）。
关键词: 矿井提升机；摩擦热；垫片；数值模拟；温度场
1 引言
矿用提升机的垫片主要由PVC塑料和PU制成，其有聚合物性能。热导率PVC塑料和PU相对较小，该材料温度因而上升，由于摩擦热而引起的滑动，将导致相位状态的改变与结构的变化。以前实验证明，影响摩擦热的最重要因素之一是垫圈。在很大程度上是由指示的摩擦系数，从而降低与一个在折合在聚合物密封垫圈的温度[1]。聚合物对热敏感，这可以改变摩擦表面状况，加剧磨损，结果脱矿或脱落表面层[2]。因此，在研究摩擦时应考虑钢丝绳之间的机制垫片的摩擦热，主要步骤是在垫片摩擦时了解温度场的变化，以便获得影响摩擦的各种因素。
2 滑动摩擦热的机构
2.1 滑动模式
一般情况下，矿井提升机在操作时，绝对和相对滑动因为某些原因而存在作用[3]。绝对（纯滑动）采用下进行两种情况：第一种是，该钢丝绳在摩擦轮转动时，就在该点如不能解除重量，同时提升；另一种是，该钢丝绳上滑动的摩擦垫圈，类似于在紧急制动电的情况。相对滑动是在摩擦副工作时引起的差值，绝对速度通常也发生两种情况：在第一个是该钢丝绳的速度比该摩擦轮的大，这相当于为滑动卸载它的重量和减慢，另一条件是速度小于钢丝绳，这相当于滑动时升降在过载运行。
2.2 钢丝绳和垫片摩擦热产生机理
摩擦热摩擦过程中的主要作用为滑动，热量从摩擦工作产生，这直接关系到了摩擦力和滑动速度。欧拉公式是摩擦提升机的主要驱动原理[4]。
1.它可写为：
（1）
钢丝绳的拉伸力的限制比例在摩擦轮的两侧，如图所示：
图1 钢丝绳两侧拉力
(1) 其中e是自然对数2.71828，α0封闭钢丝绳相对于所述摩擦轮的角度来看，μ钢丝绳和垫圈和T1和T2之间的摩擦系数是在重量的拉伸力。拉伸力和正常压力之间的关系是
Ni = Tdθ （2）
(2) 其中Ni是正常的气压，T为拉伸力和dθ对应的接触弧度为单位的微角。在滑动时，总摩擦力（T1- T2），并且如果滑动速度υ，总摩擦实际功（Wf）是许多小曲线的总和摩擦功（Wi）[5]：
（3）
(3) 滑动中垫圈的接触面始终加热，一般情况下，如果两个对象纹理和几何形状彼此相似，摩擦热通常是良好的显示分布式[6]，否则，更多的热量会传导至对象具有良好的导电性。在滑动钢丝绳和垫圈，钢丝之间绳子将获得更多的热量，但只有垫片的5％的摩擦热主要是产生于分离表面，该表面容易磨损，因此它不利地影响衬垫。为了充分理解摩擦热效应，摩擦产生热应该考虑对整个接触面积。
钢丝绳和之间的导通的垫片是不稳定的，摩擦热的条件，滑动过程中的钢丝绳示于图2(1)，这是相当复杂的，因为该半圈是加热，而其它部分释放热量。在接触的横截面的传热条件，钢丝绳与衬垫之间的区域显示图2(2)，这表明了热q是良好的显示分布式上的联系方式与圆弧半径为r0，外加面对热源会在接触区域中创建在整个摩擦轮的滑动，以热钢丝绳和垫圈加热表面的接触面积。根据摩擦角变化，热源强度增加在滑动方向上，如图2（3）和所述热在入口Q''始终是较大的比热在出口Q'[1-2]。在研究中，垫圈通常被采用为目标，作为一个结果的复杂性和该结构的均质性钢丝绳，它是更方便的考虑垫片为连续均质材料[7]。
(1) 垫片 (2) 摩擦热条件
图2 钢丝绳和衬垫滑动时的摩擦热条件
3 温度分布模型
3.1 基本假设
考虑到热是不可改变的，它只有在封闭时钢丝绳和衬垫的某些接触面积角度改变，作为滑动条件是不变的，下面假设：
1)我们忽略了滑动时垫片的磨损，钢丝绳的接触形式在一定的工作条件不变。该整个表面是一个大圆弧半径R和当地接触面积是半径为r0的圆弧（钢丝绳半径）；
2)垫片各向同性聚合物具有恒定的热传导性，是一种均匀连续的热扩散率，比热容和密度；
3)非接触表面，其被暴露在空气中，是隔热的，也就是说，它不会传递热量到空气；
4)在接触弧的任何横截面的热是恒定的，均匀分布的小接触圆弧半径为r0；
5)热传递的方向进行半径r和等温线是同心的，半圆中心是钢丝的轴线。
3.2 控制方程
基于以上假设，我们得到如图所示，如图物理模型。该模型具有三面与周围环境接触，钢丝绳与垫圈的接触面这是直接由摩擦加热，其中所述热量Q是均匀分布，垫圈接触面和其周围的空气，在其上的热量有上一层极薄的效果，因此温度变化小，热对流的空气可以忽略不计；垫片接触面和接触区域的沉积，对于基于同样的理由，热可以忽略。该坐标的三维模型的系统是与坐标R，θ和φ确定。Ř是垫圈和一个绳芯横截面的距离是特定之间的，θ为该角度从点到对称平面和φ是垫圈和其水平位置之间的横截面为逆时针角。
图3 垫片的物理模型
摩擦热的扩散是不稳定的，因而我们有数学传热模型[5]如下：
（4）
其中，λ是热传导率，T温度，τ时间，R绞盘轴之间的距离钢丝绳芯，这是常数，表示热扩散。该边界条件和初始条件是:
（5）
方程（4）是一局部方程，由于传热在密封垫被认为是一个整体。方程（4）是通过分析或数值非常复杂技术，并在实践中加以简化。该摩擦热表面层是很薄的，因此热影响小；并且进一步地和之间的同一个差别系数较小时，是非常小的，和之间的影响是小的，只要它们之间存在一定的距离。因此，值被认为是一个常数和热传导可以转化为一种不稳定的热传导，一维中空圆柱体的内壁具有同等热。简化的物理模型被示为图4，并在任何数学模型角被计算如下：
图4 垫片的简化物理模型
(6)
其中在任何时间，t是在半径r处的温度，是单位长度上电弧的接触面的热流量。
4 在温度场的数值模拟
4.1 有限元分析
垫片的传热分析通过有限元软件分析，温度模拟其特殊多场耦合功能。传热分析过程中使用分析如下：首先，划分对象，以有限的单位（内包括一些结点）[8] ；第二，根据给定的平衡解决散热，每个结点的方程边界条件和初始条件根据能量守恒原理；第三，制定出温度在每一个点和最后解决其他相关变量[9]。简化的模型是一个三维中与内壁等于热通量的非稳定热传导问题，因此只有一个横截面需要分析。在这的横截面，所述内半径等于所述钢丝绳半径，即R0= 1.9毫米，其厚度为2.1毫米，横截面为半环形，其横截面面积和网格分布示于图5。有半径20等分和在外围80等分。
图5 物理模型尺寸和网格分布
4.2 垫片的属性和初始边界条件
1) 材料特性：PVC塑料与密度（ρ）1390千克/平方米，比热（Cp）1842.2焦耳/（千克·℃），热导率（λ）0.145（W/（平方米·℃）;
2) 大小和动态参数：内径为1.9毫米，外半径为4毫米，T2=217.56 N和V=69.33毫米/秒;
3) 边界条件：AB，BC和CD边隔热有相等的热通量;初始条件：T=0，T0 =20℃，R= 4毫米，Q =0 R=1.9毫米，q = q0。
我们采取钢丝的外壳角绳索和摩擦轮作为和摩擦力
图6 温度和热通量在一定时间分布
温度和热流量的变化过程在某个时间点被显示在图7，在不同的距离选择沿着从靠近半径的点。前40秒钟该曲线在小的径向点是大，这表明当温度上升并相对于所述垫圈3钢丝绳的系数为0.35，在假定的摩擦力的5％热传导到垫片和热通量垫片是每单位长度的圆的摩擦热。其计算公式可以推导出公式（1）和（3）
因为双方的热通量为零，则该计算值可以直接加入到在横截面扩大的每个结点[10]。
4.3 结果与分析
结果如温度场，热通量场，热梯度场可以在绘图上显示，这可以使各物理量的变化与时间或空间更直观[11]。
温度和热通量的分布在一定时间清楚地显示在图6，这表明温度逐渐降低在半径折痕，等温线是同心圆弧半圈，热通量具有对称分布和径向减小。
热通量梯度大，所以热传导是在不正常的阶段。过一会儿的斜坡曲线接近一个固定的值，这意味着热通量在这些点是恒定的，温度升高和每个点的热通量梯度成为浓度恒定，从而使热传导是在一个稳定的阶段。
图7 变化的温度和热流量的过程在一个特定的时间点
图7a为线1，2，3，4比理论值，而线1’，2’，3’，4’代表测试温度）。
从图中可以看出图7b，该热流的折痕半径逐渐日益增加，这是节能减排的结果。作为在热流的边界的模型内进行，其中的一部分传输到单元的热被用于能源变化的单元；换句话说，它提供了能量使温度上升，而其他部分出口到其他单位，这些结果表明垫圈的瞬态温度场可准确地模拟，由计算机和数字仿真可以反映但不能在实践中测量(例如垫圈的内侧)部分温度场的变化趋势。
5 测试
该实验进行了验证结果的模拟，该实验装置的设计以同样的方式作为真正的悬挂状态。钢丝绳上滑动实验轮是一个卷轴由直流电动机驱动旋转，滑动速度是由直流电动机的电压控制，通过一个变压器和应力对垫片调节是由不同的配重调整。该条件的绝对滑动化可以实现，同时实验绞盘是固定的，条件相对滑动也可以实现。同时，不同速度由两个直流电机驱动阀芯和绞盘，绝对滑动或相对速度滑动可以由测速发电机进行测量和光电传感器的拉伸力，在进口和测试部分的出口通过拉伸来测量力传感器和温度通过以下方式测定淹没热电偶温度计。已被证明，钢丝绳滑动在很短的时间，理论值和测量值基本上匹配，因此，在滑动的开始，热量从垫片被转到接触面积和温度的分布在所述垫圈可以用数值计算仿真。滑动的后期可以理解积累的热量已经影响了垫片表面，并导致其热的放大电导率[12]，这说明不符合同情形测得的温度与理论之间在后期的价值。
6结论
建立钢丝绳和垫圈之间的热传递模型，这可用于不同的密封垫。模拟后期的温度场重量和速度，气温逐渐取消折痕，模型半径增加，而模型中的等温线的同心半圆弧线热焊剂具有对称分布并径向减小，钢丝绳滑动时理论值吻合。
参考文献
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