高速抱軌制動過程中摩擦片溫度場研究

【機械制造與檢測技術(shù)】

高速抱軌制動過程中摩擦片溫度場研究

卞大鵬1，吳其俊2

(1.海軍駐中國艦船研究設(shè)計中心軍事代表室，武漢430064;

2.中國艦船研究設(shè)計中心，武漢430064)

摘要：高速重載試驗車摩擦片在抱軌制動過程產(chǎn)生的溫度場是影響其安全運行的關(guān)鍵因素?；谀掣咚僦剌d制動試驗，采用傳熱學(xué)相關(guān)知識和有限元數(shù)值模擬技術(shù)，確定了制動過程中摩擦片熱能和換熱系數(shù)的計算方法，建立了摩擦片制動過程中的熱傳導(dǎo)模型，并利用ANSYS 軟件建立了摩擦片溫度場三維仿真模型。通過仿真得到了制動過程中摩擦片的溫度場動態(tài)分布規(guī)律，并得到了摩擦片數(shù)量配置與最大溫度之間的關(guān)系，對制動試驗前摩擦片初步配置具有指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：摩擦片；高速；高能級；抱軌制動；溫度場

收稿日期：2014-12-27

作者簡介：卞大鵬(1976—)，男，碩士，工程師，主要從事艦船航空保障研究；通訊作者：吳其俊(1984—)，男，博士，工程師，主要從事機械設(shè)計、熱力學(xué)研究。

doi:10.11809/scbgxb2015.06.018

中圖分類號：TJ04

文章編號：1006-0707(2015)06-0070-04

本文引用格式：卞大鵬，吳其俊.高速抱軌制動過程中摩擦片溫度場研究[J].四川兵工學(xué)報，2015(6):70-73.

Citationformat:BIANDa-peng,WUQi-jun.TemperatureFieldAnalysisforBrakePadinHigh-SpeedBrakingProgramHoldingtheRail[J].JournalofSichuanOrdnance,2015(6):70-73.

TemperatureFieldAnalysisforBrakePadin

High-SpeedBrakingProgramHoldingtheRail

BIANDa-peng1, WU Qi-jun2

(1.NavalMilitaryRepresentativeOfficeinChinaShipDevelopmentandDesignCenter,

Wuhan430064,China; 2.ChinaShipDevelopmentandDesignCenter,Wuhan430064,China)

Abstract:The temperature field of brake pads in the braking holding rail is a key factor for the high-speed heavy test vehicle safe operation．Based on a braking test holding rail of the high-speed heavy test vehicle, a heat conduction model of brake pad was established according to the heat transfer theory and using the finite element simulation technology. A 3D thermal simulation model for the braking of brake pad was built by software ANSYS．Then the dynamic temperature field in the braking of brake pad was obtained. The relationship between the number of brake pads and the maximum temperature was obtained which is valuable for setting the initial number of brake pads before the real test.

Keywords:brake;high-speed;high-energy;brakeholdingtherail;temperaturefield

抱軌制動的原理是利用機械、液壓或電磁產(chǎn)生的正壓力使摩擦片直接抱緊軌道，從而產(chǎn)生制動力。這種制動方式可以有效避免由于車輪抱死引起的車體滑移、翻轉(zhuǎn)，并且可以不受輪轂大小限制，靈活配置抱軌摩擦片的數(shù)量，非常適合高速、高能級的制動場合，如高速重載試驗車、磁懸浮列車等設(shè)備的制動。

通常情況下抱軌制動比盤式制動的摩擦線速度大，以200km/h機車制動為例，若采用盤式制動，摩擦線速度僅約為28m/s，若采用抱軌制動，摩擦線速度與車體速度相同，達到55.6m/s。抱軌制動器在接合摩擦過程中會持續(xù)產(chǎn)生大量的熱，從而可能造成摩擦片溫度過高而影響其制動性能。以高速重載試驗車為例，在試驗前必須采用計算方法估算摩擦片配置數(shù)量以確保摩擦片溫升不會超出安全使用范圍，保證試驗安全。因此，研究抱軌制動摩擦片的發(fā)熱機理及其溫度場的分布，對合理配置摩擦片數(shù)量、減少摩擦片發(fā)熱，保證試驗安全具有重要的實際意義。

應(yīng)用有限元理論模擬摩擦材料和對偶材料的溫度變化情況是一種有效手段，因此，采用數(shù)值模擬方法分析和掌握制動過程溫度的變化規(guī)律一直得到人們的重視[1-3]，文獻[4]中采用ABAQUS軟件，采取傳統(tǒng)的熱分配率法在摩擦速度和作用力較低時，分析了二維和三維制動系統(tǒng)的溫度情況，結(jié)果證明是非常準(zhǔn)確的。文獻[5]中采用Marc軟件對160km/h列車制動盤的1 /4 模型進行分析，提出面熱源內(nèi)的熱流分布具有周期性、間歇性和衰減性，與摩擦片有效接觸的制動盤表面瞬時溫度呈鋸齒狀變化，形成疲勞載荷譜和循環(huán)熱負(fù)荷。文獻[6]中通過建立高速機車制動盤的傳熱數(shù)學(xué)模型，利用ANSYS有限元程序，對200km/h機車制動盤及聯(lián)接件進行了溫度場、應(yīng)力場數(shù)值模擬，并分析了制動盤瞬態(tài)溫度、應(yīng)力大小及梯度的分布規(guī)律。文獻[7,8]中利用ANSYS軟件建立了制動盤的三維對稱循環(huán)有限元模型，計算了制動過程中制動盤溫度場和應(yīng)力場，討論了邊界條件和各種相關(guān)參數(shù)的確定方法。

以上這些研究都集中于盤式制動，分析了盤式制動中制動盤和制動摩擦片的溫度場，而高速抱軌制動的溫度場研究很少見到報導(dǎo)。

本研究基于傳熱學(xué)原理，運用有限元法對制動線速度為80m/s的高速高能級試驗車抱軌制動過程的摩擦片溫度場進行了數(shù)值仿真，分析制動過程中摩擦片的能量和溫升規(guī)律。使用ANSYS有限元分析軟件，建立了抱軌制動器摩擦片及其安裝板的簡化模型，模擬持續(xù)制動過程，對摩擦片的溫度場變化情況進行分析。有限元分析結(jié)果為分析摩擦片溫度分布提供參考，并可以指導(dǎo)正式試驗時摩擦片的配置數(shù)量。

1基本假設(shè)

抱軌制動器摩擦生熱模型分析涉及多物理場相互作用,其求解過程中包含多種載荷,并且其幾何模型也比較復(fù)雜，因此有必要做如下簡化:

1) 制動過程的動能絕大部分轉(zhuǎn)化為摩擦熱能，考慮到風(fēng)阻等其他形式的能量消耗，能量轉(zhuǎn)化效率取0.95。

2) 摩擦片有效接觸面積為100%。

3) 忽略材料的非線性,并且熱物理參數(shù)不隨溫度變化。

2模型建立和參數(shù)設(shè)定

抱軌摩擦器基本原理如圖1所示，在正壓力的作用下，摩擦片與制動軌道表面貼合，產(chǎn)生制動力。

可見摩擦片在軌道兩側(cè)具有對稱性，建模采用單邊單摩擦片模型，并進行了適當(dāng)?shù)暮喕?。如圖2所示。

圖1　抱軌制動原理示意圖

圖2　摩擦片幾何模型

制動軌道材料選用4Cr5MoV1Si，摩擦片材料是銅基粉末冶金材料，摩擦片背板與摩擦片安裝板采用45#鋼。

表1　材料參數(shù)

3熱載荷和邊界條件

3.1熱流密度

采用能量折算法[9]把試驗車減少的動能轉(zhuǎn)化為摩擦產(chǎn)生的熱量來處理。實際動能計算式為

式中：W為制動能量；m為車體總質(zhì)量；v為制動初速度。

摩擦產(chǎn)生的熱量為：Q=φ|W，其中φ為能量轉(zhuǎn)化效率。

由于場地和軌道長度限制，試驗車的制動距離一般限制在以L內(nèi)。因此制動加速度a為

制動時間t為

摩擦能量在軌道和摩擦片之間的分配計算式為

式是：ρ1、ρ2分別軌道和摩擦片的密度(kg/m3);c1、c2分別為軌道和摩擦片的比熱容(J·kg-1·K-1);k1、k2分別為軌道和摩擦片的熱傳導(dǎo)系數(shù)(W·m-1·K-1)。

制動過程中軌道與摩擦片接觸面不斷變化，相當(dāng)于摩擦片被持續(xù)加熱，溫升情況比較危險，以下以單個摩擦片為例進行溫升計算。

單個摩擦片有效面積S為

S = A×B

式中：A為摩擦片寬度；B為摩擦片長度。則摩擦片表面熱流密度為

式中，N為配置的摩擦片數(shù)量。

3.2對流換熱

在制動過程中，摩擦片側(cè)面存在對流換熱，對流換熱系數(shù)按下式計算：

紊流對流換熱時

Nu = 0.037 × Pr1/3(Re0.8-23 000)

( 5 × 105 0.6)

層流對流換熱時

Nu = 0.664 ×Re12Pr13

(Re< 5 × 105;Pr> 0.6)

3.3制動停止后的自然對流

Nu = C( GrPr)n

式中:Gr 為格拉曉夫數(shù); 系數(shù)C、n 由( GrPr) 的大小確定。

4仿真算例

算例：試驗車質(zhì)量為30 000kg，制動初速度為80m/s,摩擦片總數(shù)320片，摩擦片長0.12m、寬0.11m，試驗車制動距離限制取200m。

通過仿真分析得到任意時刻摩擦片的溫度場。圖3給出了有限元計算模型上各關(guān)鍵時刻的溫度分布云圖。

摩擦片溫度分布隨位置變化而改變，外邊緣溫度最低，中心溫度最高。這是因為內(nèi)外邊緣區(qū)有空氣對流散熱作用。

從對仿真結(jié)果的分析可知，制動過程中的不同階段，摩擦片表面的溫度分布不相同。在制動初期，摩擦片表面溫度成面狀分布。這是由于摩擦片與制動盤的摩擦作用在短時間內(nèi)產(chǎn)生了大量的熱，這時摩擦片還沒有進行充分的熱傳導(dǎo)，于是在摩擦面出現(xiàn)了面狀分布的高溫分布。隨著制動的繼續(xù)進行，整個摩擦片表面溫度繼續(xù)升高。車停止后，摩擦片的高溫分布面狀逐漸縮小，且熱能開始向整個摩擦片進行傳導(dǎo)。制動初速度為80m/s時，摩擦片的最高瞬時溫度為460℃。

圖3　摩擦片幾何模型

圖4是最高溫度隨時間變化曲線圖。從曲線可以看出，制動開始時，溫度上升梯度大，停車時溫度已達到最高溫度，停車后溫度迅速下降，但下降趨勢逐漸平緩。這是由于停車后不再產(chǎn)生熱能，表面熱量通過熱傳導(dǎo)傳遞到摩擦片內(nèi)部的速度較快，熱量在摩擦片內(nèi)部分布較為均勻后，通過對流換熱進行散熱，溫度下降趨勢平緩。

圖4　最高溫度隨時間變化曲線

5摩擦片配置

摩擦片溫升是由于動能轉(zhuǎn)化為摩擦熱量引起的。在動能，即摩擦熱量一定的情況下，增加摩擦片的數(shù)量理論上可以減小摩擦片表面最高溫度。但是摩擦片數(shù)量過多，不但會造成成本增加，也會增加制動器自重，影響試驗車加速性能。

通過有限元分析，計算不同摩擦片數(shù)量下摩擦片表面最高溫度，根據(jù)摩擦片使用限制條件，合理配置摩擦片數(shù)量。由于一個制動器上裝32塊摩擦片，因此摩擦片配置數(shù)量為32的倍數(shù)。

采用本研究中的算例，分析不同摩擦片數(shù)量對摩擦片表面最高溫度的影響。如圖5所示，隨著摩擦片數(shù)量的增加，摩擦片表面最高溫度呈近似線性下降趨勢。

當(dāng)配置摩擦片數(shù)量N取288時，最高溫度為508℃，小于該摩擦片許用溫度550℃；N取256時，最高溫度為570℃，大于該摩擦片許用溫度550℃?？梢姡渲媚Σ疗瑪?shù)量大于288片時，摩擦片表面溫度均能滿足設(shè)計要求。

圖5　最高溫度隨摩擦片數(shù)量變化的曲線

6結(jié)論

本研究通過有限元仿真得到了制動初速度為80m/s工況下摩擦片的溫度場分布情況，并分析了摩擦片配置數(shù)量與摩擦片最大表面溫度之間的關(guān)系?？傻玫揭韵陆Y(jié)論：

1) 以320片摩擦片為例，整個制動過程中摩擦片在t=4s時達到瞬時最高溫度460℃，滿足使用要求。

2) 摩擦片最大表面溫度隨著摩擦片配置數(shù)量的增加呈近似線性的下降趨勢。

3) 配置摩擦片數(shù)量大于288片時，摩擦片表面最大溫度即可滿足使用要求。

4) 實際能量轉(zhuǎn)化效率、摩擦片有效接觸面積、熱輻射、材料性能的非線性變化等因素均可能導(dǎo)致計算結(jié)果的偏差，因此，建議初步試驗時摩擦片數(shù)量選擇應(yīng)偏于保守，以本研究為例，建議配置288片以上的摩擦片為宜。后期將開展實車試驗，對研究中的計算結(jié)果進行修正。

參考文獻：

[1]錢坤才，孫顥．250km/h高速客車鍛鋼制動盤和粉末冶金閘片的研究[J]．機車車輛工藝， 2000(2):30-36.

[2]蘆金寧，韓建民．300km/h高速列車高純凈鍛鋼制動盤材料的研究[J]．鐵道學(xué)報， 2003， 25(6):10-15.

[3]張謙，常寶華，王力，等．高速列車鍛鋼制動盤溫度場特征的實驗研究[J]．中國鐵道科學(xué)， 2007，28(1):81- 85.

[4]宮內(nèi)瞳留.列車制動摩擦熱預(yù)測[J]．電力機車與城軌車輛， 2005(3):42-44.

[5]趙海燕，張海泉，湯曉華，等．快速列車盤型制動熱過程有限元分析[J]．清華大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版，2005，45(5):589-592.

[6]胡宇鐸，劉少軍，陳國勝，等．200km/h高速機車制動盤及聯(lián)接件溫度場、應(yīng)力場數(shù)值模擬[J]．電力機車與城軌車輛，2006(7):18 -46.

[7]楊鶯，王剛． 機車制動盤三維瞬態(tài)溫度場與應(yīng)力場仿真[J].機械科學(xué)與技術(shù)，2005，24(10):1257-1260.

[8]丁群，謝基龍． 基于三維模型的制動盤溫度場和應(yīng)力場計算[J]．鐵道學(xué)報，2002，21(6):35-38.

[9]楊強．列車制動盤溫度場和應(yīng)力場仿真與分析[D]．北京:北京交通大學(xué)，2009.

(責(zé)任編輯唐定國)