專利名稱：射流快速冷卻盤式制動(dòng)器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及通過射流快速冷卻制動(dòng)盤被冷卻面的盤式制動(dòng)器。
背景技術(shù)：
隨著負(fù)載及其運(yùn)行速度的不斷增大，高速重載下制動(dòng)副所吸收的能量也大大增 力口。為了保障設(shè)備運(yùn)行的安全性和可靠性，必須首先解決高速重載時(shí)制動(dòng)副的熱衰退現(xiàn)象 及熱損傷等問題。大量的理論及實(shí)驗(yàn)研究表明摩擦熱對(duì)摩擦副的摩擦學(xué)行為有著非常重 要的影響。制動(dòng)過程是一個(gè)復(fù)雜的隨機(jī)過程。干式制動(dòng)摩擦系統(tǒng)由摩擦襯片、摩擦對(duì)偶件及 摩擦界面第三體(界面膜、磨粒等)組成。制動(dòng)過程中，摩擦材料與金屬配偶所產(chǎn)生的摩擦 力可以使接觸表面變形、粘著點(diǎn)撕裂，使硬質(zhì)點(diǎn)或是磨屑產(chǎn)生犁削效應(yīng)，其摩擦學(xué)性能和磨 損機(jī)理與制動(dòng)過程的各個(gè)參數(shù)、材料性質(zhì)、表面形貌以及環(huán)境因素等有關(guān)。大量研究表明 對(duì)于干摩擦及邊界摩擦，在一定壓力條件下，摩擦系數(shù)和磨損率與最大表面溫度之間有著 明確的函數(shù)關(guān)系。材料的摩擦磨損過程是在摩擦副表面微凸體間接觸面積上進(jìn)行的，所以材料的磨 損又受到接觸區(qū)應(yīng)力狀態(tài)、溫度和相對(duì)移動(dòng)速度所制約，而速度對(duì)磨損過程的影響主要是 通過摩擦溫度而很少通過接觸的流變性起作用，壓力和負(fù)荷的變化、摩擦區(qū)域中的熱效應(yīng)、 名義接觸面的形貌等這些因素的影響則綜合體現(xiàn)在摩擦區(qū)域的溫度場上。對(duì)于有機(jī)基襯片 /金屬摩擦副而言，摩擦熱引起襯片中的有機(jī)物組分間發(fā)生熱降解等一系列化學(xué)反應(yīng)和物 理作用，其反應(yīng)速率隨溫度呈指數(shù)增加。制動(dòng)熱導(dǎo)致制動(dòng)片表面材料磨損的不均勻，使得制 動(dòng)片中間區(qū)域的材料磨損較為嚴(yán)重，并且導(dǎo)致材料表面的成分和摩擦學(xué)性能發(fā)生變化。在 摩擦接觸界面形成轉(zhuǎn)移膜，出現(xiàn)“制動(dòng)熱衰退”現(xiàn)象和“氫脆”現(xiàn)象，促進(jìn)磨粒的形成，加劇 材料的磨損。研究表明，由冷焊產(chǎn)生的粘著——撕裂磨損能使表面瞬間溫度達(dá)到760°C。一旦 對(duì)偶件表面的小塊面積開始承擔(dān)不適當(dāng)?shù)妮d荷且其溫度比周圍表面高時(shí)，它將膨脹并伸出 “平均水平面”，形成“熱點(diǎn)”，使情況變得更糟。表面壓應(yīng)力的變化使得熱點(diǎn)周圍的區(qū)域發(fā)生 塑性變形，也可能發(fā)生冶金變化。當(dāng)熱流輸入下降很快或是制動(dòng)很快結(jié)束時(shí)，這一區(qū)域的材 料很快地被冷卻，可能發(fā)生由珠光體到馬氏體的相變(在一定的條件下，可生成摩擦奧氏 體、摩擦馬氏體)，由于馬氏體占用的體積比母材金屬大，使得這一相變區(qū)域更為突出，因此 在這一區(qū)域及其周圍有可能形成初始裂紋。此外，在熱點(diǎn)處所形成馬氏體硬度大，可導(dǎo)致表 面刮削現(xiàn)象加劇。熱點(diǎn)的形成與局部熱膨脹、界面壓力峰值及磨損有關(guān)。這在半金屬襯片/金屬制動(dòng)副中表現(xiàn)得更為突出。局部熱點(diǎn)的形成導(dǎo)致制動(dòng)壓力不均勻分布的進(jìn)一步發(fā)展，反過來 又造成局部溫度的進(jìn)一步升高，表面溫度梯度變化加劇，這又導(dǎo)致壓力不均勻分布的加劇， 這一現(xiàn)象稱為摩擦導(dǎo)致的熱彈性不穩(wěn)定(TEI)。從一次制動(dòng)到另一次制動(dòng)，該現(xiàn)象并不會(huì)消 失。由于接觸壓力與物體的熱變形有關(guān)，而摩擦熱的產(chǎn)生又取決于接觸壓力的大小，因此屬于應(yīng)力場與溫度場耦合問題。在熱應(yīng)力的作用下很容易造成材料的熱衰退和破壞，制動(dòng)器出現(xiàn)摩擦振動(dòng)與噪聲的可能性加大。高溫和熱破壞的現(xiàn)象在公路、鐵路、航空制動(dòng)器的實(shí)際 應(yīng)用中以及在實(shí)驗(yàn)室條件下廣泛存在。由此看來，摩擦熱不僅使復(fù)合摩擦材料發(fā)生熱降解、粘結(jié)劑的氣化，導(dǎo)致摩擦系數(shù) 發(fā)生變化，制動(dòng)性能降低，出現(xiàn)熱衰退現(xiàn)象；也使金屬配偶發(fā)生局部材料的相變與熱變形， 出現(xiàn)局部熱點(diǎn)，進(jìn)而使制動(dòng)器出現(xiàn)熱彈性不穩(wěn)定現(xiàn)象，加速了制動(dòng)器的磨損及疲勞破壞。摩擦熱量絕大部分是由機(jī)械切削作用和接觸區(qū)域的塑性變形而形成的。由于金屬 制動(dòng)盤的硬度要比摩擦材料的大得多，因此機(jī)械切削和塑性變形大都發(fā)生在摩擦材料的表 層，而不是在制動(dòng)盤的表面。故可認(rèn)為，摩擦產(chǎn)生的熱量發(fā)生在摩擦材料表面，并通過接觸 表面?zhèn)鬟f到制動(dòng)盤。盤式制動(dòng)器工作時(shí)的熱量產(chǎn)生于制動(dòng)盤和制動(dòng)片表面的摩擦，這部分熱量一部分 通過各種途徑散發(fā)出去，剩余部分在制動(dòng)盤和制動(dòng)片內(nèi)部積累，使其含熱量增加，從而使溫 度升高。從傳熱學(xué)角度來說，有三種基本的熱傳遞方式，既熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流和熱輻射。這三 種傳熱方式在制動(dòng)器的散熱過程中同時(shí)存在。盤式制動(dòng)器中傳導(dǎo)散熱主要集中在制動(dòng)盤與制動(dòng)摩擦片之間。因?yàn)槟Σ粮苯佑|面 為生熱表面，其溫度高于其它表面的溫度，摩擦熱量通過傳導(dǎo)方式沿制動(dòng)盤向其徑向和軸 向進(jìn)行傳導(dǎo)。制動(dòng)盤的材料為鑄鐵或炭鋼，具有良好的導(dǎo)熱性，而制動(dòng)片為樹脂材料或粉末 冶金材料，其導(dǎo)熱性能較差，摩擦熱基本不向制動(dòng)片內(nèi)部傳熱，而集中在摩擦表面附近，從 而導(dǎo)致制動(dòng)片在緊急制動(dòng)過程中表面溫度非常高。 目前制動(dòng)器使用的制動(dòng)襯墊是粉末冶金材料，粉末冶金材料耐溫約為60(T65(TC。 一旦摩擦制動(dòng)片表面溫度瞬間超過650°C，摩擦材料制動(dòng)覆面因過熱嚴(yán)重炭化，將導(dǎo)致摩擦 系數(shù)衰減，制動(dòng)力矩下降。這種現(xiàn)象往往在滿載超速時(shí)實(shí)施緊急制動(dòng)過程中出現(xiàn)，在此制動(dòng) 過程中往往在制動(dòng)覆面會(huì)出現(xiàn)800°C以上的瞬時(shí)高溫，從而使摩擦材料出現(xiàn)表面燒焦(炭 化)，同時(shí)使摩擦系數(shù)出現(xiàn)較嚴(yán)重的熱衰退、制動(dòng)力矩下降的現(xiàn)象。輻射散熱在盤式制動(dòng)器散熱中所占比例較小，在制動(dòng)器未工作時(shí)，制動(dòng)器溫度等 于外界溫度，輻射換熱量為零。當(dāng)制動(dòng)器開始工作時(shí)，制動(dòng)盤和制動(dòng)片受到摩擦生熱作用而 導(dǎo)致溫度升高，這時(shí)隨著溫度的升高，制動(dòng)器將通過輻射的方式將熱量傳遞給外界。對(duì)流散熱是盤式制動(dòng)器主要的散熱方式，在制動(dòng)過程中，制動(dòng)器摩擦副表面產(chǎn)生 摩擦熱，導(dǎo)致制動(dòng)盤和制動(dòng)片溫度升高，制動(dòng)盤暴露于周圍空氣，同時(shí)制動(dòng)盤高速旋轉(zhuǎn)，從 而將大部分摩擦熱通過制動(dòng)盤與空氣的對(duì)流耗散到空氣中。研究表明，制動(dòng)盤與空氣之間的對(duì)流換熱小，是制動(dòng)器在緊急制動(dòng)時(shí)，制動(dòng)片和制 動(dòng)盤升溫過高的主要原因！
發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型的目的在于解決在制動(dòng)器緊急制動(dòng)時(shí)由于制動(dòng)片與制動(dòng)盤之間巨大 的摩擦熱不能及時(shí)耗散到周圍環(huán)境導(dǎo)致制動(dòng)片和制動(dòng)盤升溫過高、可能導(dǎo)致制動(dòng)器襯墊急 劇磨損甚至制動(dòng)失效的問題，對(duì)傳統(tǒng)盤式制動(dòng)器進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)，提供一種具有射流快速冷 卻結(jié)構(gòu)的盤式制動(dòng)器，以實(shí)現(xiàn)對(duì)制動(dòng)器的制動(dòng)片和制動(dòng)盤進(jìn)行強(qiáng)迫冷卻。本實(shí)用新型所提供射流快速冷卻盤式制動(dòng)器是在原制動(dòng)器兩個(gè)制動(dòng)鉗臂外側(cè)各設(shè)置一個(gè)以上噴嘴，各噴嘴配置相應(yīng)高壓氣體瓶，高壓氣體瓶瓶口連接有聯(lián)動(dòng)開啟閥，然后 用管道連接節(jié)流閥，經(jīng)節(jié)流閥與噴嘴連接。本實(shí)用新型所述高壓氣體瓶分置于制動(dòng)器兩側(cè)的底座上。高壓氣體瓶內(nèi)部儲(chǔ)存的 高壓氣體壓力為10 30MPa。本實(shí)用新型所述噴嘴所使用的流體為氮?dú)饣蛑评鋭Ｖ评鋭镽134a或R12或 R22或R32之一種以上。本實(shí)用新型改善了換熱狀況，采用高壓氣體快速節(jié)流射流快速冷卻方法對(duì)制動(dòng)器 的制動(dòng)片和制動(dòng)盤進(jìn)行強(qiáng)迫冷卻，可有效地將制盤和制動(dòng)片的溫升控制在許用的安全范圍 內(nèi)，從而可以提高設(shè)備運(yùn)行的安全性和可靠性。且具有結(jié)構(gòu)簡單、方便實(shí)用、成本低廉、環(huán)保 節(jié)能等特點(diǎn)。特別適合應(yīng)用于高速、重載、快速制動(dòng)的飛機(jī)、火車、汽車、起重運(yùn)輸、工程機(jī) 械、建筑機(jī)械、農(nóng)業(yè)機(jī)械、石油鉆機(jī)等各類機(jī)械設(shè)備中。

圖1為本實(shí)用新型快速冷卻制動(dòng)器原理流程；圖2為本實(shí)用新型單個(gè)噴嘴射流構(gòu)成示意圖；圖3為本實(shí)用新型射流快速冷卻的一個(gè)實(shí)例——電力液壓盤式制動(dòng)器結(jié)構(gòu)示意 圖；圖4為噴嘴與制動(dòng)片及制動(dòng)盤的相對(duì)位置示意圖；圖5為圖4的側(cè)視圖。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合實(shí)施例(電力液壓盤式制動(dòng)器)并對(duì)照附圖對(duì)本實(shí)用新型方法及裝置進(jìn) 行詳細(xì)說明。本實(shí)用新型的工作原理如下高壓氣體快速節(jié)流制冷是一種最簡單最快速的制冷方法，它不同于普通制冷機(jī) (如冰箱、空調(diào)等)的蒸氣壓縮節(jié)流制冷，它是開式的、利用高壓氣體的快速節(jié)流(即閥門減 壓)來達(dá)到降溫制冷之目的。高壓快速節(jié)流制冷及其快速冷卻制動(dòng)器的原理流程如圖1所示。節(jié)流制冷部分由高壓氣體鋼瓶3、與制動(dòng)器聯(lián)動(dòng)的開啟閥5、節(jié)流閥6、噴嘴1和管路組成。本實(shí)用新型所使用的流體為氮?dú)饣蛑评鋭?，列表說明各不同流體制冷量的情況。表1、幾種具有代表性氣體節(jié)流前后溫度壓力變化及其制冷量 標(biāo)準(zhǔn)鋼瓶的容積約為40L，當(dāng)鋼瓶的初始?jí)毫?5MPa時(shí)，一鋼瓶氣體質(zhì)量和制冷 量(按50%計(jì)算)的計(jì)算結(jié)果如表2所示表2、幾種具有代表性氣體一鋼瓶氣體質(zhì)量和總制冷量
節(jié)流 Ty^lljjl 節(jié)流前溫度 氣體質(zhì)量 總制冷量
氣體VkgkJ
(MPa) 實(shí)施例參見圖2、圖4 射流離開噴嘴后，由于與周圍介質(zhì)間的動(dòng)量交換，射流的直徑不斷 擴(kuò)大，而在其中心處仍保持著一個(gè)速度均勻的核心射流區(qū)。射流在到達(dá)被冷卻的制動(dòng)盤表 面前的區(qū)域?yàn)樽杂缮淞鲄^(qū)。抵達(dá)制動(dòng)盤6壁面后，射流向四周沿壁面流開，形成貼壁射流 區(qū)。壁面上正對(duì)噴嘴中心處為滯止區(qū)。在滯止區(qū)的局部換熱強(qiáng)度非常高，在貼壁射流區(qū)換 熱強(qiáng)度逐漸衰減。射流沖擊冷卻換熱系數(shù)可高達(dá)400 1000W/m2-K，是傳統(tǒng)制動(dòng)盤對(duì)流換 熱強(qiáng)度的4 10倍。射流冷卻的傳熱強(qiáng)度可用以下公式計(jì)算q = h · (Td-Tc)q冷卻強(qiáng)度(單位面積上的換熱量)W/m2 ；h為射流冷卻平均換熱系數(shù)W/m2_K ;Td 為制動(dòng)盤被冷卻處的溫度K ;TC射流離開噴嘴時(shí)的溫度K。由上式可以看出射流冷卻強(qiáng)度除了隨換熱系數(shù)的增大而增大外，還隨射流溫度 的減小而增大。因此，為了進(jìn)一步提高對(duì)制動(dòng)盤和制動(dòng)片的冷卻效果，本新型射流快速冷卻 盤式制動(dòng)器增加了高壓氣體快速節(jié)流降溫裝置，以達(dá)到快速冷卻因制動(dòng)時(shí)劇烈摩擦產(chǎn)生大 量熱量而迅速升溫的制動(dòng)盤6和摩擦片7的目的。參見圖3，本實(shí)施例相應(yīng)的射流快速冷卻電力液壓盤式制動(dòng)器結(jié)構(gòu)為在原有制動(dòng)器兩個(gè)制動(dòng)鉗臂2外側(cè)各設(shè)置單個(gè)噴嘴1，同時(shí)配置兩只高壓氣體鋼瓶3且分置于制動(dòng)器底座4的兩側(cè)上，聯(lián)動(dòng)開啟閥5與鋼瓶3瓶口連接，然后用不銹鋼管道連接到固定在制動(dòng)鉗 臂2外側(cè)的節(jié)流閥6上，經(jīng)節(jié)流閥6節(jié)流降溫后的低溫氣體通過不銹鋼管道連接到圓形或 窄縫形噴嘴1。
權(quán)利要求一種射流快速冷卻盤式制動(dòng)器，其特征在于在制動(dòng)器兩個(gè)制動(dòng)鉗臂外側(cè)各設(shè)置射流一個(gè)以上噴嘴，各噴嘴配置相應(yīng)高壓氣體瓶，高壓氣體瓶瓶口連接有聯(lián)動(dòng)開啟閥，然后用管道連接節(jié)流閥，經(jīng)節(jié)流閥與噴嘴連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的射流快速冷卻盤式制動(dòng)器，其特征在于噴嘴為圓形或窄縫形。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的射流快速冷卻盤式制動(dòng)器，其特征在于高壓氣體瓶分 置于制動(dòng)器兩側(cè)的底座上。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述所述的射流快速冷卻盤式制動(dòng)器，其特征為高壓氣體瓶 內(nèi)部儲(chǔ)存的高壓氣體壓力為10 30MPa。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的盤式制動(dòng)器射流快速冷卻器，其特征在于噴嘴所使用 的流體為氮?dú)饣蛑评鋭?br> 6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的盤式制動(dòng)器射流快速冷卻方法，其特征在于制冷劑為R134a 或R12或R22或R32之一種以上。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種盤式制動(dòng)器的冷卻方法，是將從噴嘴射出的流體在壓差作用下通過一個(gè)以上噴嘴噴射到制動(dòng)盤被冷卻表面，直接收到?jīng)_擊、產(chǎn)生很強(qiáng)烈地?fù)Q熱效果。同時(shí)公開了射流快速冷卻盤式制動(dòng)器結(jié)構(gòu)，在制動(dòng)器合適的位置上設(shè)置射流一個(gè)以上噴嘴，各噴嘴配置相應(yīng)高壓氣體瓶，高壓氣體瓶瓶口連接有聯(lián)動(dòng)開啟閥，然后用管道連接節(jié)流閥，經(jīng)節(jié)流閥與噴嘴連接。噴嘴為圓形或窄縫形。高壓氣體瓶分置于制動(dòng)器兩側(cè)的底座上。所使用的流體為氮?dú)饣蛑评鋭１緦?shí)用新型改善發(fā)換熱狀況，本實(shí)用新型采用高壓氣體快速節(jié)流射流快速冷卻方法對(duì)制動(dòng)器的制動(dòng)片和制動(dòng)盤進(jìn)行強(qiáng)迫冷卻。且結(jié)構(gòu)簡單、方便實(shí)用、成本低廉、環(huán)保節(jié)能。
文檔編號(hào)F16D55/22GK201588894SQ20092027856
公開日2010年9月22日 申請日期2009年11月11日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月11日
發(fā)明者杜軍華, 謝徐洲, 龔領(lǐng)會(huì) 申請人:江西華伍制動(dòng)器股份有限公司