|
Національний університет “Львівська політехніка”
Осташук Микола Михайлович
УДК 629.113-59.001.4
РОЗРОБЛЕННЯ МЕТОДУ ВизНАЧЕННЯ РОЗПОДІЛУ ТЕПЛОВИХ ПОТОКІВ В ЕЛЕМЕНТАХ АВТОМОБІЛЬНИХ ДИСКОВИХ ГАЛЬМ НА ТРИВИМІРНИХ МОДЕЛЯХ
05.22.02 – автомобілі та трактори
Автореферат
дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук
Львів-2005
Дисертацією є рукопис.
Робота виконана в Національному університеті “Львівська політехніка” Міністерства освіти і науки України.
Науковий керівник: доктор технічних наук, професор
Гудз Густав Стефанович,
Національний університет “Львівська політехніка”, професор кафедри “Експлуатація та ремонт автомобільної техніки”.
Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор
Самородов Вадим Борисович,
Національний університет “Харківський політехнічний інститут”,завідувач кафедри “Автомобіле- і тракторобудування”, заступник генерального директора ВАТ “Харківський тракторний завод ім. С. Орджонікідзе”;
кандидат технічних наук
Вольченко Дмитро Олександрович,
Івано-Франківський національний технічний університет нафти і газу, доцент кафедри “Розробка та експлуатація нафтових і газових родовищ”.
Провідна установа: Харківський національний автомобільно-дорожній університет Міністерства освіти і науки України, кафедра “Автомобілі”, м. Харків.
Захист відбудеться 14 грудня 2005 р. о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 35.052.06 у Національному університеті “Львівська політехніка” за адресою 79013, м. Львів, вул. С. Бандери, 12, головний корпус, ауд. 226.
З дисертацією можна ознайомитись у науково-технічній бібліотеці Національного університету “Львівська політехніка” за адресою 79013, м. Львів, вул. Професорська, 1.
Автореферат розісланий 11 листопада 2005 р.
Вчений секретар
спеціалізованої вченої ради Форнальчик Є. Ю.
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Актуальність теми. З огляду на безперервне зростання парку автотранспортних засобів (АТЗ) та покращання їх тягово-швидкісних властивостей, проблема підвищення безпеки руху набуває першочергового значення. Серед експлуатаційних властивостей АТЗ, які визначають активну безпеку конструкцій, одне з головних місць належить гальмівним властивостям. Найбільш нестабільну ланку гальмівної системи становить гальмовий механізм, на коефіцієнт стабільності якого значно впливає його тепловий стан. Тому вдосконалення теорії робочих процесів, конструкцій і режимів роботи гальмових механізмів АТЗ з метою мінімізації їх температурного режиму є одним з актуальних завдань у галузі підвищення ефективності цих механізмів.
У царині досліджень робочих процесів та надійності гальмових механізмів широко відомі праці М. П. Александрова, Ю. Б. Беленького, В. О. Богомолова, М. О .Бухаріна, В. П. Волкова, О. І. Вольченка, Б. Б. Генбома, Є. М. Гецовича, А. Б. Гредескула, Г. С. Гудза, В. А. Дем’янюка, В. К. Долі, І. В. Крагельського, А. Д. Крюкова, Г. В. Максапетяна, І. Ф. Метлюка, М. А. Подригала, В. Б. Самородова, А. М. Туренка, Я. Є. Фаробіна, О. С. Федосова, А. В. Чичинадзе, Є. А. Чудакова, F. Charron, H. Dorner, R. Krauser, T. Newcomb, A. Sisson, G. Fazekas, U.Weiв та інших вчених.
Використання результатів цих досліджень забезпечило значне покращання тих експлуатаційних властивостей АТЗ, які визначаються досконалістю гальмових механізмів. Однак у розглянутих роботах відсутні точні аналітичні методи досліджень та розрахунку впливу конструктивних і режимних чинників на розподіл теплових потоків в елементах дискових гальмових механізмів. Це й визначає актуальність теми дисертації.
Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Тема роботи є частиною планових державних науково-технічних програм за пріоритетними напрямками та досліджень, які проводяться на кафедрах “Автомобілебудування” і “Експлуатація та ремонт автомобільної техніки” Національного університету “Львівська політехніка”. Робота виконана згідно з рекомендаціями Постанови Національної ради з питань безпечної життєдіяльності населення (№ 3 від 25 грудня 1997 р.) “ Про відповідність вимогам охорони праці машин, транспортних засобів, обладнання, які виробляються в Україні” та Постанови Кабінету Міністрів України № 686 від 21 червня 2001 року “Про концепцію регулювання ринку автомобілів та розвитку автомобілебудівної промисловості в період до 2005 р.”
Мета і задачі дослідження. Мета роботи – розроблення методу та дослідження на його основі впливу різних чинників на розподіл теплових потоків в елементах дискових гальм з використанням тривимірних теплових моделей.
Для досягнення мети у роботі сформульовані та розв’язувались такі задачі:
1. Аналіз енергонавантаженості гальмових механізмів АТЗ в реальних умовах експлуатації та на типових режимах випробувань.
2. Критичний огляд теплових моделей гальмових механізмів та методів їх теплового розрахунку і досліджень.
3. Розвиток методів математичного моделювання на основі створеної тривимірної теплової моделі дискового гальма.
4. Розроблення методу визначення розподілу теплових потоків в елементах дискових гальм на створених тривимірних моделях.
5. Стендові випробування дискових гальм з різними накладками для перевірки правильності постановки математичної моделі задачі.
6. Дослідження впливу різних чинників на температурний режим та розподіл теплових потоків в елементах дискових гальм за допомогою математичного моделювання.
7. Отримання регресійної залежності для визначення коефіцієнта розподілу теплових потоків в елементах дискових гальм на основі методів математичного моделювання та планування експериментів.
Об’єкт дослідження – теплові поля елементів дискових гальм.
Предмет дослідження – закономірності впливу різних чинників на розподіл теплових потоків в елементах дискових гальм, які визначають їх енергоємність.
Методи дослідження – фізичне та математичне моделювання, математичне планування експерименту, математична статистика, аналіз, інверсія, суперпозиція та зворотна задача теплопровідності.
Наукова новизна одержаних результатів:
– подальший розвиток теоретичних положень та методів теплових досліджень дискових гальмових механізмів на типових режимах випробувань;
– вперше створена тривимірна теплова модель дискового гальма, яка дає змогу дослідити одночасно температурні поля в усіх його елементах, що неможливо здійснити на відомих двовимірних моделях;
– на створеній моделі досліджено розподіл теплових потоків в елементах дискових гальм і на їх результатах вивчено вплив на них різних чинників і отримано нові результати, які сформульовані у задачах дослідження і обґрунтовані висновками.
Практичне значення отриманих результатів полягає в тому, що розроблена методика дослідження розподілу теплових потоків в елементах дискових гальм на тривимірних моделях дала змогу поповнити банк даних для їх (елементів дискових гальм) концептуального проектування на підставі:
- отриманих температурних полів;
- визначення температурних градієнтів в парах тертя;
- вивчення впливу умов тепловіддачі на розподіл теплових потоків;
- аналізу впливу конструктивних чинників на розподіл теплових потоків;
- регресійних формул для визначення коефіцієнтів розподілу теплових потоків.
Рекомендації та технічні рішення, запропоновані в роботі, прийняті та використовуються у конструкторській практиці створення та адаптації дискових гальмових механізмів у Холдинговій компанії “АвтоКрАЗ” (м. Кременчук) та ВАТ “Укравтобуспром” (м. Львів).
Особистий внесок здобувача. Основні результати, висновки та рекомендації, наведені в дисертаційній роботі, отримані автором самостійно. В опублікованих спільних роботах дисертанту належить: [1] - розрахунок початкових даних для створення моделі; [2] – розрахунок моделей з різними фізичними параметрами; [3] - застосування методу суперпозиції; [4] - розрахунок параметрів моделі; [6] - розрахунок та моделювання процесу тепловіддачі; [7] - розрахунок коефіцієнтів розподілу теплових потоків; [8] - розрахунок параметрів тривимірної моделі; [9] - складання та опрацювання матриці планування експерименту.
Апробація результатів дисертації. Основні результати роботи доповідались та обговорювались на: 6-му міжнародному симпозіумі українських інженерів-механіків у Львові (2003 р.); ХХІІ та ХХІІІ науково-технічних конференціях в Інституті проблем моделювання в енергетиці НАНУ ім. Г.Є. Пухова (м. Київ, 2003, 2004 рр.); 53-й та 54-й науково-технічних конференціях в Українському державному лісотехнічному університеті (м. Львів, 2003, 2004 рр.); 6-й та 7-й міжнародних конференціях у Севастопольському національному технічному університеті (м. Севастополь, 2003, 2004 рр.).
Публікації. За темою дисертації опубліковано 11 робіт, із яких 9 статей – у наукових фахових виданнях України, а 2 - у матеріалах праць і тез конференцій.
Структура та обсяг дисертаційної роботи. Дисертація складається із вступу, чотирьох розділів, 3 додатків, списку використаних джерел із 118 назв. Загальний обсяг роботи становить 157 сторінок, у т. ч. 135 с. основного тексту, 38 рисунків та 22 таблиці.
ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ
У вступі обґрунтовано актуальність виконаного дослідження і викладено коротку характеристику роботи.
У першому розділі проаналізовано енергонавантаженість та енергоємність гальмових механізмів та гальмівних систем АТЗ. Гальмівну систему представлено як систему автоматичного керування, в якій водій виконує функції чутливого елемента і здійснює керуючі дії. Вихідними показниками такої системи є сумарна гальмівна сила, співвідношення бортових гальмівних сил. Ці показники визначають як ефективність гальмування, так і перебіг процесу з точки зору стійкості. З огляду на це докладно аналізується гальмівна діаграма, яка дозволяє найповніше оцінити відповідність гальмівної системи вимогам Правил 13 ЄЕК ООН. Там же наведені умови випробувань I і II гальмових механізмів.
Відзначено, що однією з головних вимог, які ставляться до гальмівних систем, є висока стабільність їх вихідних показників під час експлуатації АТЗ. Серед чинників, які впливають на їх перебіг, одне з важливих місць посідають температурні режими роботи гальмових механізмів. Згідно з цим в роботі наведені дані про енергонавантаженість і температурні режими роботи гальм автобусів ЛАЗ у різних умовах експлуатації, отримані на кафедрі автомобілебудування НУ “Львівська політехніка”. Зокрема, відзначається, що енергонавантаженість гальм в гірських умовах, віднесена до тривалості гальмування, у 3-4 рази перевищує цей показник в міських умовах експлуатації, що обумовлює значні температури поверхонь тертя гальм. На окремих ділянках гірських маршрутів вона досягає 450-480 єС. Тому найважливішою умовою забезпечення надійності гальмівних систем є їх достатня енергоємність, яка залежить від трибологічних властивостей застосовуваних фрикційних матеріалів.
На сучасних АТЗ все частіше застосовуються дискові гальмові механізми, основною перевагою яких є висока стабільність їх роботи. Тому доцільно провести дослідження температурних режимів роботи відкритих дискових гальм на автобусах великої вмістимості для визначення розподілу теплових потоків в парах тертя. В роботі наведена коротка характеристика комбінованого стенда для випробувань гальмових механізмів з метою отримання початкових даних для створення адекватної математичної теплової моделі гальма.
У другому розділі розглянута математична модель процесів нагрівання та охолодження гальмових механізмів. Для цього потрібно розв’язати систему рівнянь в часткових похідних, які описують процеси теплопереносу у складних об’єктах з розподіленими параметрами за відповідних крайових умов:
 (1)
 (2)
 (3)
де λd=(х, y, z), λn =(х, y, z), λk =(х, y, z) – коефіцієнти теплопровідності відповідно гальмового диска, накладки та колодки; x, y, z - поточні просторові координати; t – температура контртіл гальма; Q(x, y, z) – густина теплового потоку; сd⋅ρd(x, y, z), сn⋅ρn(x, y, z), сk⋅ρk (x, y, z) – об’ємна теплоємність відповідно гальмового диска, накладки та колодки; τ - час.
Оскільки ця задача відноситься до нестаціонарних контактних теплових задач в областях некласичної форми за неоднорідних граничних та складних початкових умов, то вона не має точного аналітичного розв’язку. Тому в інженерній практиці, поряд з експериментом, застосовуються приблизні аналітичні і, особливо числові методи, які перетворились в потужний математичний апарат для розв’язування задач теорії поля. Серед методів електроаналогій для розв’язування теплових задач у фрикційних вузлах АТЗ застосовувались електропровідний папір (дослідники Г. С. Гудз, А. М. Туренко), кінцевих різниць на резистивних сітках (М. В. Глобчак) і метод прямих на ємнісно-резистивних сітках (П. І. Єременко). Метод електроаналогій характеризувався невеликою точністю і на той час незначною інформаційною продуктивністю, хоча за своєю природою він ближчий до досліджуваного фізичного процесу, ніж розв’язок на ЕОМ. Щодо числових методів, то стосовно дослідження теплових процесів у гальмах, використовуються в основному метод кінцевих різниць та скінчених елементів.
Вперше кінцево-різницеву модель дискового гальма з використанням ЕОМ застосував Є. Б. Решетніков. Подальшого розвитку ці моделі набули у роботах Н. В. Владімірова, С. Н. Городецького, В. К. Долі, В. Я. Кушова та інших вчених. Слід зазначити, що до недавнього часу використання кінцево-різницевих моделей стримувалось обсягом пам’яті машин дискретного рахунку та недостатнім програмним забезпеченням. Тому згадані роботи носили більш пошуковий характер, ніж для отримання об’ємної бази даних для проектування гальм. У зв’язку з розвитком обчислювальної теплофізики з’явились роботи О. Л. Коляси та Я. П. Яворського, які дослідили методами комп’ютерного моделювання теплові процеси в дискових гальмах АТЗ як при повторно-короткочасних, так і тривалих режимах роботи. Але застосування ними двовимірних моделей дало змогу дослідити температурні поля лише в дисках. Тому постало питання розвинути започатковані ними дослідження на створених з участю автора тривимірних моделях, щоб одночасно дослідити розподіл теплових потоків і полів в елементах дискових гальм з різними матеріалами накладок. Для числової реалізації розглядуваної математичної теплової моделі, як і в попередніх дослідженнях, уточнено розрахункову програму “Фур’є-2”, що складається з інтегральної оболонки та набору розрахункових модулів, розроблених в Інституті проблем моделювання в енергетиці НАНУ під керівництвом А. Г. Тарапона. В роботі наведено стислий опис розрахункових модулів.
У третьому розділі наведена методика дослідження тривимірних теплових процесів у дискових гальмових механізмах, сектор об’єму яких і схема його сіткової моделі (розбивка 12х12 вузлів) наведені на рис.1.
Для створення тривимірної теплової моделі дискового гальмового механізму використано сітку термічних опорів, загальні методологічні основи побудови якої розроблені у працях Ю. М. Мацевитого, Л. О. Коздоби, W. Каrрlus та інших вчених. Для сітки термічних опорів ідентичні всі залежності, одержувані за допомогою методики переходу від диференціальних рівнянь (1), (2) та (3) до алгебричних, коефіцієнтами яких є термічні опори.
У розв’язуванні теплових задач по координаті z моделювався сектор гальмового диска, накладки і колодки (див. рис.1,б). При цьому зміна середнього розміру сектора за координатою у із кроком Ду враховується зміною теплофізичних коефіцієнтів для кожного горизонтального ряду сітки (рис.2).
При розробленні методики були використані розв’язки, отримані за допомогою програми, що імітує обертання колеса і гальмування на попередньому етапі випробувань ІІ дискового гальмового механізму з коефіцієнтом перекриття в=0,25.
Результати показали, що розподіл температур за радіусом гальмового диска, який має велику теплову інерційність, не залежить від частоти його обертання, а залежить тільки від густини теплового потоку і від коефіцієнта тепловіддачі. Ця обставина дала можливість застосувати метод суперпозиції, який передбачає досліджувати процеси нагрівання й охолодження відокремлено, без імітації обертання колеса. Застосування цього методу підтвердило припущення, що при моделюванні з причини значної теплової інерційності диска можна не враховувати швидкість його обертання, оскільки похибка не перевищує 2%. У цьому випадку модель значно спрощується і зводиться до розгляду сектора гальмового механізму та дозволяє створювати відносно прості тривимірні моделі для дослідження теплових процесів в елементах гальма.
У четвертому розділі розглядаються результати досліджень впливу різних чинників на температурний режим та розподіл теплових потоків у дискових гальмах на створеній тривимірній моделі.
Відзначається, що істотний вплив на тепловий режим деталей пари тертя гальмового механізму має коефіцієнт розподілу теплових потоків kq, під яким треба розуміти відношення теплоти, спрямованої в розглядувану деталь, до всієї кількості генерованої теплоти на поверхнях пари тертя за визначений час. Дослідники пропонують різні методи визначення цього параметру. У роботі U.Weiв (У. Вейса) зазначається, що за експериментальними даними у фрикційну накладку відводиться від 3 до 8% теплоти, генерованої в контакті фрикційної пари. Аналіз показав , що найбільшу збіжність з цими даними мають розрахункові значення коефіцієнта kq, які отримують за формулою Ф. Шаррона:
 , (4)
де λ, c i ρ- вiдповiдно коефiцiєнти теплопровiдностi, питома теплоємність та густина матеріалу (індекс 1 стосується гальмового диска, індекс 2 - фрикційної накладки).
При визначенні коефіцієнта kq за формулою (4) припускається, що для даного поєднання матеріалів він постійний. В той же час практика показує, що цей коефіцієнт залежить від багатьох чинників. Зараз таких аналітичних залежностей не існує і їх експериментальне визначення пов’язане з великими труднощами та похибками. Тому була використана тривимірна модель дискового гальма, методика побудови якої описана в попередньому розділі. Розміри елементарних криволінійних призм сіткової моделі, які розташовані в смугах 5 – 12 сектору гальмового диска (див. рис. 1, б), вибираються з умови моделювання конструктивних особливостей фланця гальмового диска.
Кількість теплоти, акумульованої диском, накладкою та колодкою, за вибраний проміжок часу визначалась залежностями:
  (5)
  (6)
 , (7)
де сdρd , сnρn , сkρk – об’ємна теплоємність відповідно диска, накладки та колодки; Vmd, Vmn, Vmk – об’єми зведених прямокутних призм відповідно диска, накладки та колодки; tHі і tСі - значення температур відповідно на початку та в кінці проміжку часу для відповідних елементів дискового гальма.
Розподіл теплових потоків досліджувався для дискових гальм, які встановлювались на передню вісь автобуса ЛиАЗ-5256Е, при проведенні попереднього етапу випробувань II. Для порівняння застосовувались азбестополімерні та металокерамічні накладки.
На рис. 4 наведена якісна картина температурних полів фрикційних пар дискових гальм на 3-й хвилині та в кінці проведення випробувань II з азбестополімерними та металокерамічними накладками для таких параметрів гальмового механізму та режиму випробувань: густина теплового потоку на поверхнях тертя Q = 350 кВт/м2; діаметр диска D = 420 мм; товщина диска hd = 30 мм, накладки hH = 15 мм, колодки hk = 8 мм; коефіцієнт тепловіддачі б = 35 Вт/м2·град; коефіцієнт взаємного перекриття в = 0,25. Верхня горизонтальна смуга на цих рисунках відповідає секторам колодка - накладка - зовнішня частина диска, а права смуга – вертикальному перетину сектора диска, при цьому, чим ясніша ділянка, тим більша температура в ній досягнута.
Оскільки наведене вище значення коефіцієнта тепловіддачі, отримане розв’язком зворотної задачі теплопровідності моделюванням за результатами стендових випробувань дискових гальм, то в роботі досліджено вплив розподілу теплових потоків для інших значень тепловіддачі.
Тепловий потік, який відводиться у навколишнє середовище від гальмового механізму, визначався через різницю
QS =QG -(Qd+Qn+Qk), (8)
де QG - кількість генерованої теплоти на поверхні пари тертя за визначену тривалість гальмування, Дж.
Враховуючи, що крок в тепловій моделі за координатою x рівномірний, то відсотковий розподіл генерованого теплового потоку в гальмі можна визначити за формулою
 , (9)
де tP-температура поверхні тертя; tD-температура в першому вузлі диска від поверхні тертя; λD- коефіцієнт теплопровідності диску; tN- температура в першому вузлі накладки від поверхні тертя; λN- коефіцієнт теплопровідності накладки.
Відсоток теплоти, яка спрямована в диск та в накладку, буде рівний відповідно
QD=A (tP-tD)λD; (10)
QN=A (tP-tN)λN. (11)
Відсоток теплоти, що передається з диска та накладки і колодки у навколишнє середовище, визначиться відповідно як
QSD =QD-Qd; (12)
QSNK=QN-(Qn+Qk). (13)
Залежності, які показують вплив тепловіддачі на відсоткове співвідношення відведеної теплоти у навколишнє середовище від елементів дискових гальм, наведені на рис.5.
| 
