Разработка модели распределения давления в вентиляционных каналах тормозного диска при принудительном охлаждении
DOI:
https://doi.org/10.22213/2413-1172-2021-1-19-30Ключевые слова:
вентиляционный аппарат, давление, тормозной диск, угол атаки, коэффициент давленияАннотация
В процессе вращения тормозного диска в вентиляционные каналы попадает воздушный поток, который охлаждает нерабочие поверхности тормозного диска. Для увеличения интенсивности теплообмена от нагретых поверхностей нередко используются системы принудительного охлаждения. Основной задачей систем принудительного охлаждения фрикционных узлов является снижение тепловой нагруженности. Теплоотдача от нагретых поверхностей тормозного диска зависит от количества смен охлаждающего воздуха, т. е. от пропускной способности вентиляционного аппарата. Параметрами, которые влияют на пропускную способность вентиляционного аппарата, могут быть как геометрические размеры, так и аэродинамические показатели (входное давление, координаты источника подачи охлаждаемого воздуха и угол его атаки).
В статье приводятся теоретические исследования в виде модели распределения давления внутри вентиляционных каналов. Согласно разработанной модели внутри вентиляционных каналов в процессе вращения тормозного диска наблюдается инверсия давления. Это оказывает влияние на наполняемость вентиляционных каналов тормозного диска воздухом, а в дальнейшем – на тепловую нагруженность всего фрикционного узла. Ребро вентиляционных каналов в разрабатываемой модели распределения давления представляется как пластина, помещенная в воздушный поток под некоторым углом атаки. С помощью расчетного метода обосновано заключение о перепаде давления по всей длине ребра перегородки вентиляционного канала. Полученное распределение давления внутри вентиляционного аппарата возможно заменить результирующей силой. В зависимости от направления действия она может быть как вспомогательной силой при торможении, так и силой сопротивления. Направление действия результирующей силы зависит от сектора установки источника принудительной подачи охлаждающего воздуха. Для подтверждения теоретического изыскания о расположении источника подачи охлаждаемого воздуха было проведено компьютерное моделирование в программном модуле ANSYS Fluent. В рамках компьютерного моделирования исследовалось влияние расположения источника потока воздуха на распределение давление внутри вентиляционных каналов тормозного диска. Полученные результаты позволяют говорить о влиянии расположения источника охлаждающего воздуха на распределение давления внутри вентиляционного аппарата тормозного диска. Это подтверждает гипотезу о том, что координаты источника воздуха и угол атаки могут являться параметрами для оптимизации при создании систем принудительного охлаждения. Помимо этого результата компьютерное моделирование в модуле ANSYS Fluent на основании CFD-модели позволило предложить точки приложения результирующих сил относительно длины вентиляционного канала в зависимости от координат расположения источника принудительной подачи воздуха.
Теоретические выкладки подтверждаются как расчетным методом с подстановкой исходных данных в модель распределения, так и методом компьютерного моделирования вентилируемого тормозного диска. Результаты исследований могут дать оценку эффективности оптимизации систем принудительного охлаждения с точки зрения установки источника подачи воздуха и распределения давления в радиальных вентиляционных каналах тормозного диска.Библиографические ссылки
Indira R., Bharatish A. Optimization of ventilated brake disc rotor geometry for enhanced structural characteristics. J. of Measurements in Engineering, 2020, vol. 8, pp. 98-106. DOI: 10.21595/jme.2020.21399.
Разработка тепловой модели тормозного диска фрикционного узла / П. А. Поляков, Р. С. Тагиев, Е. С. Федотов, Е. А. Полякова, М. Б. Москаленко // Вестник Иркутского гос. техн. ун-та. 2020. Т. 24,
№ 1 (150). С. 64–76. DOI: 10.21285/1814-3520-2020-1-64-76.
Polyakov P. A., Llitvinov A. E., Polyakova E. A., Fedotov E. S., Tagiev R. S. Design of surface profile of pairs of friction unit.IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering, 2020, p. 6. DOI: 10.1088/1757-899X/843/1/012001.
Qifei J., Wangb L., Shuia Y. Thermal analysis of ventilated brake disc based on heat transfer enhancement of heat pipe. International J. of Thermal Sciences, 2020, vol. 155. https://doi.org/10.1016/j.ijthermalsci.2020.106356.
Mew T., Kang K., Kienhofer F., Kim T. Transient thermal response of a highly porous ventilated brake disc. J. of Automobile Engineering, 2015, vol. 229, pp. 674-683. DOI: 10.1177/0954407014567516.
Yanab H., Zhangbc Q., Lubc T. Heat transfer enhancement by X-type lattice in ventilated brake disc. International J. of Thermal Sciences, 2016, vol. 107, pp. 39-55. DOI: 10.1016/j.ijthermalsci.2016.03.026.
Nejat A., Aslani M., Mirzakhalili E., Najian R. Asl Heat Transfer Enhancement in Ventilated Brake Disk Using Double Airfoil Vanes. J. of Thermal Science and Engineering Applications, 2011, no. 3, p. 10. DOI: 10.1115/1.4004931.
Разработка модели вентиляционного аппарата дисково-колодочных тормозов автомобилей / П. А. Поляков, Н. А. Вольченко, Е. С. Федотов, Р. С. Тагиев, В. А. Денисенко // Механика, оборудование, материалы и технологии : материалы между-нар. науч.-практ. конф. (Краснодар, 29–30 октября, 2019 г.). Краснодар : Терра Принт, 2019. С. 252–261.
Разработка методики оценки системы охлаждения тормозных дисков / А. Е. Литвинов, П. А. По-ляков, Е. А. Полякова, Р. С. Тагиев, Е. С. Федотов, А. А. Голиков // Вестник ИжГТУ имени М. Т. Ка-лашникова. 2020. Т. 23, № 1. С. 14–22. DOI: 10.22213/2413-1172-2020-1-14-22.
Обоснование скорости движения воздуха в вентиляционных каналах / Л. Ю. Левин, М. А. Семин, Ю. А. Клюкин, А. С. Киряков // Горный журнал. 2016. № 3. С. 68–72. DOI: 10.17580/gzh.2016.03.14.
Zhao Y.-X., Lan Q.-S., Zhao Y.-L., Liu H.-Y. Characteristic Method for Solving Three-Dimensional Supersonic Pressure Inverse Problems. J. of Propulsion Technology, 2018, no. 39, pp. 2340-2350. DOI: 10.13675/
j.cnki.tjjs.2018.10.018.
Lan Q., Zhao Y., Liu H. Pressure inverse problem of three-dimensional supersonic flow. Acta Aerodynamica Sinica, 2017, no. 35, pp. 429-435. DOI: 10.7638/kqdlxxb-2016.0156.
Shahjada Tarafder. Analysis of Potential Flow Around Two-Dimensional Body by Finite Element Method. J. of Mechanical Engineering Research, 2015, vol. 7, pp. 9-22. https://doi.org/10.5897/JMER2014.0342.
Эспиноса Барсенас О. У., Лукьянов О. Е., Фролов В. А. Метод особенностей для построения потенциального обтекания осесимметричных тел // XV Королевские чтения : Сборник научных статей по материалам Междунар. молодежной науч. конф., посвященной 100-летию со дня рождения Д. И. Козлова (Самара, 8–10 октября 2019 г.). Самара, 2019. С. 193–194.
Cochain J., Brunetière N., Parry A., Denoix H., Maoui A. Experimental and numerical study of wavy mechanical face seals operating under pressure inversions. ARCHIVE Proc. of the Institution of Mechanical Engineers Part. J. of Engineering Tribology, 2019, pp. 208-210. DOI: 10.1177/1350650119862696.
