1、第 36 卷第 4 期2023 年 10 月镇江高专学报Journal of Zhenjiang CollegeVol.36 No.4Oct.,2023动车组轮装制动盘热力耦合有限元仿真分析赵 飞(镇江高等专科学校 电气与信息(交通)学院,江苏 镇江 212028)摘 要:通过对城际动车组轮装制动盘盘体的热力耦合分析,得到制动盘盘体温度和应力在坡道连续 2 次紧急制动和全线路模拟工况下的变化规律,验证制动盘结构和材料的合理性。关键词:制动盘;热力耦合;有限元中图分类号:U260.13文献标志码:A文章编号:1008-8148(2023)04-0071-04收稿日期:2021-11-23基金项目
2、:江苏省高职院校教师专业带头人高端研修项目(苏高职培函20239 号)作者简介:赵 飞(1981),男,辽宁凤城人,高级工程师,硕士,主要从事制动和传动技术研究。设计轨道交通车辆盘式制动系统时,为验证设计结构和选用材料的合理性,热力耦合分析至关重要。车辆制动时,会瞬时产生大量的热,容易使制动盘和制动闸片产生热应力。借助有限元软件进行热力耦合分析,可通过计算找到车辆在坡道连续 2 次紧急制动工况、全线路模拟工况下制动盘温度和应力在制动过程中的变化规律,便于设计阶段验证结构和材料。盘式制动系统总体结构如图 1 所示。图 1 盘式制动系统总体结构图1 制动盘结构 为某线路城际动车组设计的制动盘结构,
3、盘体采用轮装结构形式,螺栓孔布置在盘面中间,径向设计有散热筋及传递制动力矩的传力销,组装时通过12 套螺栓紧固件及 6 个定位销连接在车轮两侧。利用三维造型软件 PRO/E 进行制动盘实体的三维结构造型,如图 2 所示。图 2 制动盘盘体三维结构造型图2 盘体有限元模型1)盘体材料性能参数。根据设计经验,制动盘盘体材料选用铸造合金钢,其中,材料抗拉强度1 050 MPa,屈服极限900 MPa。2)网格划分及加载。为同时得到制动盘温度和应力在制动过程中随时间的变化规律,需要在坡道连续 2 次紧急制动和全线路模拟工况下考核制动盘是否满足温度和应力要求,其材料是否满足使用要求。采用热力耦合方法,计
4、算中采用 1/2 盘体模型,省略不影响计算精度的小倒角,同时采用四节点热耦合四面体单元 C3D4T 进行网格划分。制动中摩擦产生的热量以热流密度形式施加于制动盘摩擦面,同时考虑车辆在运行中制动盘与空气的热交换,使仿真施加约束与车辆实际约束情况一致1-4。173 载荷计算1)热流密度。热流密度计算公式为q(t)=1 000Mav-Ma2tn(R2-r2),(1)式(1)中,q(t)为施加于轮装制动盘盘体在时间 t 时的热流密度(kWm-2),M 为车辆轴重(t),a 为车辆制动时的减速度(ms-2),n 为轮装制动盘盘面的摩擦面数,R 和 r 分别为制动闸片与轮装制动盘盘面摩擦的环形区域的外径(
5、m)和内径(m),为轮装制动盘吸收的摩擦热能所占比例5-7。2)对流换热系数。对流换热系数与导热系数不同,它与材料无关,取决于流体流动状态、流体物理性质、壁面温度、壁面几何形状8-10。由平面散热问题的传热学理论得对流换热系数Hf=0.664uLv-2p-3raL,(2)式(2)中,普朗特数 pr=0.7,空气导热系数 a=0.023 Wm-1K-1,L 为壁面长度(m),u为空气流动速 度(m s-1),空 气 运 动 黏 度 v=14.8 10-6m2s-1,忽略制动盘周围温度变化的影响,则v,pr,a为定值,Hf只与 u和 L 有关。4 温度场计算结果4.1 坡道连续 2 次紧急制动(工
6、况 1)根据表 1 参数计算轮装制动盘热流密度和热交换系数,并进行相应的求解设置,对制动盘盘体进行热力耦合仿真分析。表 1 坡道连续 2 次紧急制动工况计算参数参数名称参数值制动初速度/kmh-1140坡度/%3初始温度/20轴重/t16.5紧急制动减速度/ms-21.12图 3图 9 分别为制动盘盘体盘面、背面及加强筋部位的温度分布云图。制动过程中,第 1 次制动开始时制动盘的盘面温度上升较快,大约在 30 s达到最高,为 185.2,而后再加速,在此过程中盘面与空气对流换热及盘体内部进行热传导,故制动盘热量均匀化而最高温度逐渐下降,直到 140.7,然后,在此基础上开始第 2 次制动,与第
7、 1 次制动相似,开始时盘面温度急剧上升,大约在 30 s 达到最高,为 298.6,随后逐渐下降。直到制动结束温度基本稳定在 261.7。开始制动时因热量来不及传递,盘面温度成面状分布,整个摩擦面温度都比较高。随着制动力的增加制动盘进行热传导且与空气进行热交换,整个盘体温度趋于稳定。图3 工况1 第1 次制动温度达到最高时温度分布云图(盘面)图4 工况1 第1 次制动温度达到最高时温度分布云图(背面)图 5 工况 1 第 2 次制动开始前温度分布云图图6 工况1 第2 次制动温度达到最高时温度分布云图(盘面)27图7 工况1 第2 次制动温度达到最高时温度分布云图(背面)图 8 工况 1 制
8、动结束后温度分布云图(盘面)图 9 工况 1 制动结束后温度分布云图(背面)4.2 全线路模拟(工况 2)根据表 2 所示参数计算制动盘的热流密度和热交换系数,并进行相应的求解设置,对制动盘盘体进行热力耦合仿真分析。表 2 全线路模拟工况计算参数参数名称参数值制动初速度/kmh-1160轴重/t16.5制动减速度/ms-21.00停站数23每站间距/m4 600启动加速度/ms-20.38制动盘盘面及加强筋部位几个关键时间点温度变化曲线如图 10 所示。从盘面、背面及加强筋部位的温度分布云图(图 11,图 12)可以看出,在全线路模拟工况中,制动盘温度持续上升,前几站时温度上升较快,到后期每站
9、的制动最高温度趋于稳定。最高温度出现在最后一站制动过程中,盘面最高温度为 519.2。图10 工况2 盘面及加强筋部位几个关键时间点温度变化曲线图 11 工况 2 温度最高时温度分布云图(盘面)图 12 工况 2 温度最高时温度分布云图(背面)5 应力场计算结果5.1 坡道连续 2 次紧急制动(工况 1)由图 13 和图 14 可知,在坡道连续 2 次紧急制动过程中,盘体应力成驼峰状,每次制动过程中应力均很快上升到最大,然后快速下降到很低的应力水平。在坡道连续 2 次紧急制动过程中,第 1 次制动应力最大为 130.9 MPa,第 2 次制动应力最大为 146.0 MPa,比第 1 次稍高。制
10、动盘内径处应力最大。图 13 工况 1 几个关键时间节点应力变化曲线37图 14 工况 1 第 2 次制动应力达到最大时应力分布云图5.2 全线路模拟(工况 2)由图 15 和图 16 可知,在全线路模拟制动过程中,制动盘应力在第 2 次制动时达到最大,随后每站制动最高应力持续下降,最后趋于稳定。全线路模拟制动工况下当量应力最高为 132.6 MPa,位于制动盘内径。图 15 工况 2 几个关键时间节点应力变化曲线图 16 工况 2 应力达到最大时应力分布云图6 结束语 对该城际动车组轮装制动盘坡道连续 2 次紧急制动工况和全线路模拟工况进行有限元热力耦合仿真分析,结果显示,坡道连续 2 次紧
11、急制动工况时,制动盘温度最高为 298.6,最大当量应力为146.0 MPa;全线路制动工况时,制动盘温度最高为519.2,最大当量应力为 132.6 MPa,均未超过铸钢材料的许用应力,故该城际动车组制动盘结构和材料均满足设计和使用要求。参考文献:1 郭立宾.城轨车辆用制动盘的研究D.上海:上海交通大学,2015:12-13.2 赵飞.地铁轴装制动盘热力耦合有限元仿真分析J.镇江高专学报,2020,33(2):47-49.3 金文伟,王常川,黄彪.锻钢制动盘结构对热容量影响分析J.铁道机车与动车,2019(1):25-27.4 孟庆勇,刘玉川,魏广娟.电动轮自卸车制动性能计算及摩擦副热机耦合
12、分析J.机床与液压,2015,43(17):102-105.5 陈德玲,张建武,周平.高速轮轨列车制动盘热应力有限元研究J.铁道学报,2006,28(2):39-43.6 阙红波,钱坤才,金文伟.高速列车制动盘温度及热应力仿真分析J.机车车辆工艺,2009(4):9-11.7 金文伟,王常川,方明刚,等.高速列车制动盘材料参数热敏感性分析J.铁道机车车辆,2016,36(4):22-23,27.8 黄彪,杜利清,金文伟.轮装制动盘螺栓预紧力计算及强度校核J.电力机车与城轨车辆,2018,41(4):26-29.9 余志壮,王勇,汤天殷,等.高速列车制动盘摩擦副的优化J.机车电传动,2010(5
13、):22-24,66.10 王飞,王风洲,于钦顺.基于有限元技术的轮装制动盘螺栓应力计算 J.应用力学学 报,2015,32(5):884-888,904.责任编辑:卢 蕊Finite element simulation analysis of the thermal-mechanical coupling forwheel-mounted brake disc of multiple unitsZHAO Fei(School of Electrical and Information(Transportation),Zhenjiang College,Zhenjiang 212008,Ch
14、ina)Abstract:Through analysis of the thermal-mechanical coupling for the wheel-mounted brake disc body of the inter-city multiple units,the change law of the temperature and stress of the brake disc body under the two consecutiveemergency braking on the ramp and the simulated working conditions of the whole line is obtained,and the rational-ity of the brake disc structure and material is verified.Key words:brake disc;thermal-mechanical coupling;finite element47
