機(jī)車制動(dòng)盤的技術(shù)現(xiàn)狀及應(yīng)用分析

杜利清， 黃　彪， 方明剛， 金文偉

(南車戚墅堰機(jī)車車輛工藝研究所有限公司， 江蘇常州 213125)

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機(jī)車制動(dòng)盤的技術(shù)現(xiàn)狀及應(yīng)用分析

杜利清， 黃彪， 方明剛， 金文偉

(南車戚墅堰機(jī)車車輛工藝研究所有限公司， 江蘇常州 213125)

對(duì)國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有的機(jī)車制動(dòng)盤的結(jié)構(gòu)及材料進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹，利用有限元方法對(duì)機(jī)車制動(dòng)盤進(jìn)行溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)計(jì)算，根據(jù)計(jì)算結(jié)果得出合金灰鑄鐵適合用于120 km/h速度等級(jí)、軸重不大于25t的機(jī)車制動(dòng)盤材料，蠕墨鑄鐵適合用于120 km/h和160 km/h速度等級(jí)的機(jī)車制動(dòng)盤材料，合金鑄鋼材料適合用于200 km/h及以上速度等級(jí)的機(jī)車制動(dòng)盤材料。

機(jī)車； 制動(dòng)盤； 材料； 有限元分析； 安全系數(shù)

國(guó)內(nèi)機(jī)車基礎(chǔ)制動(dòng)裝置主要有輪盤制動(dòng)和踏面制動(dòng)兩種形式。輪盤制動(dòng)是通過(guò)閘片與安裝在車輪兩側(cè)的制動(dòng)盤進(jìn)行摩擦實(shí)現(xiàn)列車減速或停車。由于輪盤制動(dòng)作用力不在車輪踏面上，具有對(duì)車輪踏面的熱負(fù)荷和機(jī)械磨耗低、可按制動(dòng)要求選擇最佳摩擦副、制動(dòng)平穩(wěn)、噪聲小等優(yōu)點(diǎn)[1-2]。所以，現(xiàn)有國(guó)內(nèi)大功率HXD1系列及HXD3系列機(jī)車均采用輪盤制動(dòng)形式。目前國(guó)內(nèi)外生產(chǎn)機(jī)車制動(dòng)盤的廠家主要有德國(guó)克諾爾公司、法國(guó)法維萊公司以及南車戚墅堰機(jī)車車輛研究所等公司。

1　機(jī)車制動(dòng)盤結(jié)構(gòu)

機(jī)車制動(dòng)盤結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，首先考慮的因素是具有可靠的連接結(jié)構(gòu)，保證制動(dòng)盤在工作時(shí)不發(fā)生零件松動(dòng)或脫落；其次，具有良好的通風(fēng)散熱性能，降低制動(dòng)盤的工作溫度；最后還要考慮，制動(dòng)盤具有一定的徑向自由度，以最大限度的降低制動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的熱應(yīng)力[3]。

根據(jù)上述的設(shè)計(jì)原則，不同廠家生產(chǎn)的機(jī)車制動(dòng)盤的結(jié)構(gòu)形式類似，盤體均設(shè)計(jì)為單片形式(見(jiàn)圖1)，內(nèi)側(cè)面設(shè)計(jì)有散熱筋，以利于制動(dòng)過(guò)程中盤體的散熱；盤面中間設(shè)計(jì)有連接螺栓孔及布置定位銷的鍵槽。盤體通過(guò)連接螺栓組裝在車輪上(見(jiàn)圖2)；制動(dòng)過(guò)程中的摩擦扭矩靠螺栓預(yù)緊力產(chǎn)生的靜摩擦力以及布置在盤體上的定位銷，或者采用彈性銷承受，避免螺栓承受剪切，保證了螺栓連接的可靠性。盤體均可沿徑向自由膨脹，釋放盤體制動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的熱應(yīng)力。

2　機(jī)車制動(dòng)盤材料

目前，國(guó)內(nèi)外機(jī)車制動(dòng)盤采用的材料主要有合金灰鑄鐵、蠕墨鑄鐵以及合金鑄鋼等。

圖1　機(jī)車制動(dòng)盤盤體結(jié)構(gòu)圖

圖2　機(jī)車制動(dòng)盤組裝結(jié)構(gòu)圖

2.1合金灰鑄鐵

合金灰鑄鐵材料具有良好導(dǎo)熱性能，并且其鑄造工藝成熟，故目前在制動(dòng)盤上大量應(yīng)用。合金灰鑄鐵的主要缺點(diǎn)為耐磨性差，熱疲勞抗力低，制動(dòng)性差。其使用性能無(wú)法滿足高速機(jī)車的使用要求。其主要性能及金相組織見(jiàn)表1。

表1　合金灰鑄鐵主要性能及金相組織

2.2蠕墨鑄鐵

蠕墨鑄鐵材料與合金灰鑄鐵相比具有較高的力學(xué)性能和較好的導(dǎo)熱性，有優(yōu)良的耐熱疲勞性能，并且具有良好的摩擦磨損性能，是制動(dòng)盤盤體的理想材料[3]。蠕墨鑄鐵的主要缺點(diǎn)為鑄造工藝難于控制。其主要性能及金相組織見(jiàn)表2。

表2　蠕墨鑄鐵主要性能及金相組織

2.3合金鑄鋼

目前，機(jī)車的兩大發(fā)展方向?yàn)榭瓦\(yùn)高速化、貨運(yùn)重載化[4]，對(duì)于更高速度等級(jí)的客運(yùn)機(jī)車采用強(qiáng)度更高、抗裂性能更好的合金鑄鋼制動(dòng)盤才能滿足其使用要求。合金鑄鋼的主要缺點(diǎn)為價(jià)格高，鑄造工藝復(fù)雜。其主要性能及金相組織見(jiàn)表3。

表3　合金鑄鋼主要性能及金相組織

3　機(jī)車制動(dòng)盤應(yīng)用分析

制動(dòng)盤作為機(jī)車的關(guān)鍵零部件，制動(dòng)盤材料選擇的原則應(yīng)首先考慮其使用的安全性和可靠性，其次再考慮其經(jīng)濟(jì)性。不同速度等級(jí)、不同軸重的機(jī)車制動(dòng)能量相差較大，對(duì)制動(dòng)盤的性能要求也各不相同。為了能充分了解上述3種制動(dòng)盤材料適合的使用工況，對(duì)制動(dòng)盤的材料選擇提供一定參考依據(jù)，結(jié)合目前國(guó)內(nèi)機(jī)車的速度等級(jí)及軸重情況，在此分別采用上述3種制動(dòng)盤材料對(duì)在120,160,200 km/h 3種速度等級(jí)下分別采用21,25,30 t 3種軸重工況進(jìn)行熱機(jī)耦合有限元仿真分析，對(duì)各速度等級(jí)、各軸重條件下制動(dòng)盤應(yīng)力場(chǎng)和溫度場(chǎng)進(jìn)行有限元計(jì)算。

3.1有限元模型

通過(guò)三維造型Pro/e建立制動(dòng)盤盤體三維結(jié)構(gòu)模型，對(duì)不影響結(jié)構(gòu)的圓角及倒角等進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，由于制動(dòng)盤為對(duì)稱結(jié)構(gòu)，在此為了計(jì)算方便，選取1/4模型進(jìn)行計(jì)算，見(jiàn)圖3。將其導(dǎo)入大型有限元分析軟件ABAQUS中，進(jìn)行材料屬性設(shè)置、網(wǎng)格劃分等操作得到機(jī)車制動(dòng)盤的有限元計(jì)算模型，見(jiàn)圖4。為了能同時(shí)得到盤體溫度場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)計(jì)算結(jié)果，在此采用熱機(jī)耦合有限元仿真分析方法，盤體單元選用4節(jié)點(diǎn)熱機(jī)耦合六面體C3D4T單元類型。

圖3　機(jī)車制動(dòng)盤三維模型圖

圖4　機(jī)車制動(dòng)盤有限元分析模型圖

3.2計(jì)算結(jié)果

采用ABAQUS分別對(duì)合金灰鑄鐵、蠕墨鑄鐵、合金鑄鋼機(jī)車制動(dòng)盤進(jìn)行不同速度等級(jí)、不同軸重工況進(jìn)行熱機(jī)耦合有限元分析。計(jì)算得出不同軸重不同材質(zhì)機(jī)車制動(dòng)盤溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)計(jì)算結(jié)果，制動(dòng)過(guò)程中溫度隨時(shí)間變化曲線見(jiàn)圖5，最高溫度云圖見(jiàn)圖6，應(yīng)力隨時(shí)間變化曲線見(jiàn)圖7，最大當(dāng)量應(yīng)力分布云圖見(jiàn)圖8所示(圖5～圖8均為選取的其中一種典型分析工況結(jié)果)。制動(dòng)初速為120,160,200 km/h時(shí)最高溫度、最大當(dāng)量應(yīng)力及安全系數(shù)的計(jì)算結(jié)果分別見(jiàn)表4、表5、表6。表中安全系數(shù)等于當(dāng)量應(yīng)力水平與相應(yīng)材料的強(qiáng)度(鑄鐵材料取抗拉強(qiáng)度，鑄鋼材料取屈服強(qiáng)度)的比值。

圖5　制動(dòng)過(guò)程中溫度隨時(shí)間變化曲線圖

圖6　最高溫度分布云圖

圖7　制動(dòng)過(guò)程中溫度隨時(shí)間變化曲線圖

圖8　最高溫度分布云圖

軸重/t合金灰鑄鐵最高溫度/℃最大當(dāng)量應(yīng)力/MPa安全系數(shù)蠕墨鑄鐵最高溫度/℃最大當(dāng)量應(yīng)力/MPa安全系數(shù)合金鑄鋼最高溫度/℃最大當(dāng)量應(yīng)力/MPa安全系數(shù)21136952.101351003.501451237.32251581151.741581252.81691575.73301881431.401851522.301982044.47

表5　制動(dòng)初速度160 km/h時(shí)計(jì)算結(jié)果

表6　制動(dòng)初速度200 km/h時(shí)計(jì)算結(jié)果

為了保證制動(dòng)盤使用安全、可靠，并結(jié)合制動(dòng)盤設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，一般選取的材料在使用過(guò)程中安全系數(shù)須大于1.5。從上列表中可以看出合金灰鑄鐵材料由于抗拉強(qiáng)度較低，在制動(dòng)初速度為120 km/h、軸重為30 t時(shí)以及在制動(dòng)初速度為160 km/h和200 km/h時(shí)，其安全系數(shù)均已經(jīng)小于1.5；蠕墨鑄鐵材料抗拉強(qiáng)度較合金灰鑄鐵高，只有在制動(dòng)初速度為200 km/h、軸重超過(guò)25 t時(shí)其安全系數(shù)小于1.5，其余工況安全系數(shù)均高于1.5。而合金鑄鋼材料強(qiáng)度較高，在所有的運(yùn)用條件下其安全系數(shù)均大于1.5。

4　結(jié)　論

(1) 輪盤制動(dòng)形式適用于大功率、高速機(jī)車。

(2) 目前，國(guó)內(nèi)外機(jī)車制動(dòng)盤結(jié)構(gòu)形式類似，采用的材料包括合金灰鑄鐵、蠕墨鑄鐵和合金鑄鋼材料。

(3) 根據(jù)有限元分析結(jié)果，并綜合考慮機(jī)車制動(dòng)盤使用的安全性、可靠性及經(jīng)濟(jì)性等因素，得出合金灰鑄鐵適合用于120 km/h速度等級(jí)、軸重不大于25 t的機(jī)車制動(dòng)盤材料；蠕墨鑄鐵適合用于120 km/h和160 km/h速度等級(jí)的機(jī)車制動(dòng)盤材料；合金鑄鋼材料適合用于200 km/h及以上速度等級(jí)的機(jī)車制動(dòng)盤材料。

[1]黃勇明，胡宇鋒，艾正武,等.200 km/h速度等級(jí)電力機(jī)車輪盤制動(dòng)裝置研制[J].電力機(jī)車與城軌車輛，2007，30(2)：6-9.

[2]葛來(lái)薰.機(jī)車轉(zhuǎn)向架盤形制動(dòng)技術(shù)的應(yīng)用于分析[J].電力機(jī)車技術(shù)，2002，25(6)：1-4.

[3]錢坤才，郭立賓，黃彪,等.大功率機(jī)車制動(dòng)盤和閘片的研究[J].現(xiàn)代鑄鐵，2012，(5)：69-73.

[4]劉豫湘，方長(zhǎng)征，萬(wàn)建兵,等.列車制動(dòng)系統(tǒng)技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J]. 電力機(jī)車與城軌車輛，2014，37(5)：1-4.

Technical Status and Application Analysis of Locomotive Brake Disc

DULiqing，HUANGBiao,FANGMinggang,JINWenwei

(CRRC Qishuyan Institute Co., Ltd., Changzhou 213125 Jiangsu, China)

The structure and material of locomotive brake disc are introduced in this paper, the temperature field and stress field of locomotive brake disc of different materials are calculated using the finite element method，and according to the results obtained alloy gray cast iron is suitable for the brake disc of locomotive at 120 km/h and axle load not more than 25 t, vermicular cast iron is suitable for the brake disc of locomotive brake at 160 km/h, alloy cast steel suitable for the brake disc of locomotive at 200 km/h and above level.

locomotive; brake disc; material; finite element analysis; safety coefficient

1008-7842 (2016) 03-0034-03

??)男，高級(jí)工程師(

2015-12-08)

U260.35+1

Adoi:10.3969/j.issn.1008-7842.2016.03.07