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提升机紧急制动闸瓦摩擦磨损特性及其突变行为研究

鲍久圣  
【摘要】: 盘形制动器是矿井提升机的关键安全保障装置,其制动性能直接关系到提升机的安全运行。制动装置依靠闸瓦和制动盘之间的摩擦力将提升系统的动能转化为热能而使提升机停止,因此闸瓦材料的摩擦磨损性能对保障提升机的制动可靠性具有决定性的影响。当制动器实施制动特别是紧急制动时,闸瓦表面高速摩擦产生的大量热无法及时散发而聚积在表层上,使表层温度急剧升高,过高的温升很容易使闸瓦材料性质发生质的变化,从而引起其摩擦磨损性能的突变,结果导致事故的发生。因此,开展提升机紧急制动工况下闸瓦的摩擦磨损特性及其突变行为研究,对确保矿井安全生产、提高经济与社会效益等都具有重要的理论和实际意义。 本文在国家自然科学基金和江苏省自然科学基金的资助下,以提升机盘形制动器为研究对象,以避免发生矿井提升重大安全事故为目标,理论研究和摩擦磨损试验、有限元仿真试验相结合,突变理论与摩擦学理论相结合,针对矿井提升机广泛使用的无石棉闸瓦材料,开展了紧急制动工况下闸瓦的摩擦磨损特性及其突变行为研究,并取得一些研究成果。 首先,通过大量摩擦磨损试验,分别模拟提升机单次和多次紧急制动工况,探寻了制动初速度、制动压力、制动次数等制动工况参数对闸瓦材料摩擦因数及其稳定性、磨损率和表面温升的影响规律;对在多次连续制动过程中观察到的摩擦因数突变现象进行了表征,并进一步通过试验研究了制动初速度、制动压力对摩擦突变强度和突变起始时间的影响规律。 其次,基于摩擦学基本原理和摩擦磨损试验结果,探讨了制动摩擦热的产生机理及其在制动器摩擦副之间的热流分配机制;通过热分析试验,研究了闸瓦材料热物性能参数随温度变化的规律;基于热传导理论和有限元方法,建立了提升机紧急制动过程中闸瓦的三维温度场模型,采用有限元软件求解闸瓦温度场并进行了试验验证;基于煤矿现场实际提升工况,忽略影响闸瓦表面温升的一些次要因素,建立了一个简便实用的闸瓦表面最大温升估算模型。 再次,基于摩擦学基本原理,分析了制动摩擦力的产生机理及变化规律;在摩擦磨损试验和温度场仿真计算的基础上,结合对磨损试样表面的微观形貌分析,深入探讨了闸瓦在紧急制动工况下的磨损机理;在此基础上,结合对闸瓦材料的TG-DSC热分析试验结果,分析了在多次连续紧急制动过程中闸瓦材料的摩擦突变机理。 最后,基于制动摩擦热的研究结果和突变理论的基本原理,建立了多次连续紧急制动过程中闸瓦摩擦磨损性能发生突变时的临界状态方程;以闸瓦最主要的摩擦学性能指标——摩擦因数作为状态变量,以包含制动初速度、制动次数、制动比压和制动时间等制动工况参数的两个扩展控制参数作为控制变量,建立了提升机多次连续紧急制动过程中闸瓦摩擦因数的尖点突变模型;基于摩擦突变模型,分析了提升机紧急制动过程中闸瓦摩擦磨损特性的突变学特征,讨论了摩擦突变发生的必要条件和临界状态,并对摩擦突变进行了定性分析和初步预测。


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