高速列車制動盤材料參數熱敏感性分析

金文偉， 王常川， 方明剛, 黃　彪

(中車戚墅堰機車車輛工藝研究所有限公司， 江蘇常州 213011)

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高速列車制動盤材料參數熱敏感性分析

金文偉， 王常川， 方明剛, 黃彪

(中車戚墅堰機車車輛工藝研究所有限公司， 江蘇常州 213011)

闡述了制動盤材料物理性能參數及其影響因素，以及參數高溫變化關系；通過將材料物理性能參數如導熱系數、比熱系數以及線膨脹系數等進行定量浮動變化后進行制動盤同工況條件下熱機耦合仿真分析，察看制動盤溫度場和熱應力場變化情況，定量分析制動盤材料物理參數熱敏感性程度；通過敏感性分析，為制動盤工藝優化參數提供理論依據，降低制動盤在使用過程中的溫升和最高應力數值，延長使用壽命。

高速列車; 制動盤; 材料; 仿真

國內高速列車的最高運營速度可達350 km/h，如此高速列車的運營對列車制動和減速系統提出了很大的挑戰，目前大部分列車減速系統一般配備為電制動和盤形基礎制動疊加工作實施列車制動，而其中盤形基礎制動承擔著列車在失電狀態下的所有制動能量，是列車運營的最終安全保障，而如此大的制動能量，除去一部分直接散失在空氣中，約有80%左右的能量全是靠盤形基礎制動裝置中制動盤部件來吸收并散發到空氣中，因此將導致制動盤出現很高的溫升，承受很高的熱應力，這對制動盤材料設計提出了很高的要求。

1　問題提出

目前，針對制動盤材料設計主要研究工作方向為提高制動盤材料的強度、塑性和韌性指標，如抗拉強度、屈服強度、伸長率、硬度、沖擊功等，相對而言，與制動盤溫升和應力關系較為密切的物理性能參數如導熱系數、比熱系數、熱擴散率以及線膨脹系數等提升工作卻鮮有研究，可以通過摸索材料這些參數的熱敏感性能，通過材料工藝使其得到最佳熱敏參數，降低制動盤制動過程中最高溫升及應力水平，提高制動盤的使用壽命。本文將對新研制的高速列車制動盤材料熱敏感性參數進行熱機耦合仿真分析對比，察看該材料參數與制動盤制動溫升和應力的因果關系，為材料工藝提升提供依據。

2　制動盤材料的熱敏感參數分析

高速列車制動盤一般采用合金鋼材料，而材料物理參數中與盤體溫升和應力變化相關的參數主要有導熱系數、比熱系數以及熱膨脹系數等，這些參數的主要影響因素有材料化學元素的組成，材料晶粒度，材料的內部元素組織結構，材料密度等，通過調整這些影響因素可能調整合金鋼材料的熱敏感參數值，同時配合制動盤熱容量仿真結果，選取最佳材料工藝和熱處理工藝。

3　制動盤熱敏感參數仿真

通過調整所設計制動盤材料熱敏感參數值，進行同結構同工況制動盤熱容量仿真分析，對比制動盤溫度及熱應力場仿真結果。

3.1仿真模型的建立

(1) 仿真模型

仿真計算單元模型采用熱-機械耦合單元模型，能同時得到制動盤溫度和應力在制動過程中變化云圖及曲線等信息；計算中采用整盤模型，為了簡化模型，在此省略掉一些磨耗限標識及小的倒圓角；摩擦產生的熱量以熱流密度的形式施加于摩擦面上，且考慮車輛運行過程中制動盤與空氣的熱交換；約束的施加與實際的約束情況相同。盤體網格模型如圖1。

圖1　制動盤網格模型

(2) 材料模型

制動盤材料模型采用鋼質制動盤材料模型，在仿真中把導熱系數、比熱系數以及線膨脹系數等熱敏感參數以實際設計材料參數值各單獨上下浮動10%設置為模擬仿真參數，其余仿真設置參數均一致。

(3) 熱載荷模型

根據熱流密度的定義[1]，考慮實際制動過程中存在輪軌摩擦和空氣阻力等因素，列車在制動過程中有部分能量散失，因此引入轉換效率概念，熱流密度計算公式如下[3]：

式中q(t)為t時刻加載于制動盤面的熱流密度，w/m2；M為軸重，t；a為制動減速度，m/s2；n為摩擦面數；R和r分別為閘片與盤面摩擦的環形區域的外徑和內徑，m；η為制動盤吸收的摩擦熱能所占的比例。

(4) 對流換熱系數Hf[2]

對流換熱系數與導熱系數不同，它與材料無關，而取決于流體流動狀態、流體物理性質、壁面溫度以及壁面的幾何形狀。根據平面散熱問題的傳熱學理論得

式中，pr為普朗特數0.7；λα為空氣導熱系數0.023；L為壁面長度，m；u為空氣流動速度，m/s；v為空氣得運動粘度14.8e(-6)，m2/s；忽略制動盤溫度周圍溫度變化的影響，則v、pr、λ為定值，Hf只與u和L有關。

3.2仿真分析

分別計算導熱系數、比熱系數以及線膨脹系數等熱敏感參數單獨上下浮動10%條件下，對制動盤在350 km/h初速度下緊急制動仿真過程中的溫度及熱應力影響情況，并與實際材料仿真結果進行對比。

(1)設計材料參數條件下仿真結果

圖2(a)(b)所示材料參數為設計值時制動過程中制動盤最高溫度和最大應力云圖。從圖中可以看出，制動盤最高溫度約為590.1℃，最大應力約為304.8 MPa。

(2)熱敏感參數變化仿真

依據相同的仿真方法，分別進行材料熱敏感參數如導熱系數、比熱系數和線膨脹系數等單獨向上或向下浮動10%時制動過程中制動盤的熱容量仿真分析，查看制動盤溫度場和熱應力場的變化情況，其最終結果數據如表1所示。從結果中可以看出導熱系數、比熱系數變化，會導致制動盤最高溫度隨之變化，最大差值約36℃左右，同時導熱系數、比熱系數變化也會引起制動盤最大應力水平變化，最大變化約30 MPa；而線膨脹系數變化，不會引起制動盤溫升變化，但會影響最大應力值，變化最大約36 MPa，達到了約12%的幅度。

圖2　制動過程中最高溫度及應力云圖

表1　各工況下最高溫度和最大應力數據

4　結　論

從制動盤敏感性仿真分析結果數據可以看出，制動盤材料物理性能如導熱系數、比熱系數對制動盤制動過程中溫升和應力均有影響，特別是比熱系數變化對溫升的影響較為顯著，而線膨脹系數則對溫升無影響，對應力水平影響顯著。因此，我們可以在材料工藝制備過程中通過改善材料微量元素成分、平衡晶粒度大小、調整材料密度等方式提升材料的比熱系數，降低材料的線膨脹系數，從而降低制動盤在制動過程中的溫升和應力水平，提高其壽命。

[1]曹玉璋，邱緒光.實驗傳熱學[M].北京.國防工業出版社,1996.

[2]陳德玲，張建武，周平.高速輪軌列車制動盤熱應力有限元研究[J].鐵道學報，2006，(2)：39-43.

[3]金文偉，廉超，錢坤才.制動盤材料選型仿真對比分析[J].價值工程，2013，(8)：30-31.Thermal Sensitivity Analysis of Material on Brake Disc Used on High-speed Train

JINWenwei,WANGChangchuan，FANGMinggang,HUANGBiao

(CRRC Qishuyan Institute Co., Ltd.， Changzhou 213011 Jiangsu, China)

It's expatiated that the influencing factors of physical property parameter of material used on brake discs and the relationship on parameter variation with temperature. Through quantitatively changing the physical property parameter of material such as thermal conductivity, specific heat coefficient and linear expansion coefficient, it will do the analysis and observe the changes of brake disc temperature and stress field, quantitatively analyzed physical parameters of thermal sensitivity degree of brake disc. Through sensitivity analysis, provide a theoretical basis to reduce the temperature and stress of brake disc and prolong the service life.

train; brake disc; material; analysis

1008-7842 (2016) 04-0022-02

??)男，高級工程師(

2016-02-03)

U270.35

Adoi:10.3969/j.issn.1008-7842.2016.04.05