列車盤式制動器熱流固耦合性能分析與研究

馮光旭

中車長春軌道客車股份有限公司

列車盤式制動器熱流固耦合性能分析與研究

馮光旭

中車長春軌道客車股份有限公司

基于傳統的熱-固耦合的分析研究，本文旨在探討熱-流-固耦合性能分析。在加入流場屬性分析并修正以后所得出的計算結果中，節點溫度的峰值相比熱-固耦合有所減小且更符合熱功率趨勢，說明利用傳統經驗公式所計算出來的結果相對保守。所以為了進一步對制動盤進行優化與性能提升，熱流固耦合分析要相對來說更具指導意義。

熱流固耦合；制動盤

1　制動盤的熱分布

車輛施加機械制動后，熱流在制動盤與閘片的接觸面產生，隨即接觸面的溫度開始升高。但隨著制動盤的轉動，接觸區域不斷變化，進而制動盤摩擦面熱量分布區域由制動施加時的接觸區隨著制動盤旋轉的第一周內擴展至整個盤面(圓周接觸區)。隨著制動過程的持續，制動盤上的熱區域由圓周接觸區擴展至整個制動盤面。同時，熱區溫度繼續升高，并在圓周方向上溫度趨于穩定。后期將使用實車的試驗數據，如速度曲線、制動力曲線、制動減速度曲線、閘片摩擦系數曲線以及閘片壓力對分析結果進行修正，完成熱計算基礎。

雖然高速旋轉的制動盤不僅要承受熱應力，還要承受離心應力、振動載荷和閘片的壓力。但是通過分析上述結論可以得出，制動盤溫度越高的區域應力也越高，顯然熱應力對制動盤應力貢獻最大。

根據熱應力的計算方程： ，其表達了溫度與熱應力的線性關系，但上述結果并未按照線性規律發展而來，所以可以得出一個重要結論：即溫度場和應力場會相互影響、雙向耦合，并非溫度-應力單方面影響。即，溫度場的作用下結構場區域會產生變形，造成摩擦接觸面變化；進而，結構場的變形也會作用到溫度場產的變化。

2　動態流場分析

通過得到制動盤環境流場發展歷程3D云圖。制動盤的環境流場經歷了一個發展范圍逐漸擴大，尾跡愈發不規則的湍流流動過程，不過由于湍流已得到充分發展，尾跡的范圍不再擴展。盡管其流動速度的幅值不穩定，內流體團速度矢量隨機無規律變化，但是熱流體的總體軌跡依然可以從周圍環境流體中分辨出來。其間熱場與流體場的相互影響非常劇烈，且尾跡幾何狀態依然隨時間隨機無規律地，類似湍流形態的不斷變化，如下圖1：

圖1

3　對流換熱系數修正后的熱固耦合分析

參照摩擦面上溫度隨時間變化的曲線，在摩擦局域內，絕對溫度經歷了一個初始急劇上升、隨后逐漸上升以、然后逐漸下降的過程以及最后區域穩態的過程，這一過程與客觀事實相符，因為制動熱功率起初急劇上升到較高水平，隨后進入平穩下降過程，最后降低。實際上，在整個制動過程中，制動盤的表面溫度先是處于環境溫度之下(或基本與環境溫度相同)，制動盤的旋轉角速度為最大值，摩擦區域線速度為最大值。所以制動熱功率在初始時刻最大，相應的流場速度對對流換熱系數的影響在此刻亦為最大，流場對熱場能量散失貢獻也最大；隨著制動進程，制動盤轉速慢慢下降，因此產熱功率逐漸下降；流場速度也隨之下降，故而散熱速度下降?；谏鲜龆ㄐ苑治觯梢灶A測的是制動盤表面的節點溫度會在某一時刻達到極值，隨后逐漸下降區域穩定，與分析的趨勢相符。連續制動或變級位制動的情況暫未考慮。

與上文的溫度時間歷程曲線相比，在對對流換熱系數進行修正之后，曲線出現了峰值，隨后溫度有所降低。而且在制動的過程中各個點的溫度在經由初始時刻的環境溫度之后開始逐漸上升，需要注意的是實際上各個節點溫度的增加速度并不一致，這就造成了節點溫度的差異越來越大，較為符合實際情況。隨著制動過程的繼續進行，各個節點的溫度又趨于一致，這是符合以往制動熱容量測試數據的。這說明在經修正后的模型能夠更為準確地反映溫度隨時間變化的過程，以及最后穩態，因此經過計算機輔助分析計算得出的對流換熱系數要更具應用價值。

4　依托試驗測試數據對比與修正

在最初以一個等效制動盤以及流場模型基礎上，將以往的試驗測試數據作為主要邊界條件，可以得到相對準確的分析結果。比如，制動閘片的摩擦系并非常數，而是隨著制動過程變化，因此實際輸出制動力也在變化，如圖2：

圖2 曲線1為實際輸出制動力

因此，在完成通用化、模塊化分析工具后，還需要大量試驗數據為支撐。不僅需要更多實測試驗數據作為邊界來完善耦合計算時等效邊界條件參數設定，用以不斷優化經驗公式和分析工具；而且更需要大量的車下空氣動力學試驗、制動盤熱容量試驗數據來修正分析計算結果，使之提高精度接近真實情況。

5　結語

由于軌道客車的轉向架結構布置相對固定，因此可以將制動盤相應基礎制動裝置和制動盤的對流環境用等效模型表達，同時基于上述對制動盤的熱流固耦合性能分析和計算的理論方法，獲得通用化、模塊化的分析計算工具。與試驗測試數據分析、比對以及邊界條件修正后，能夠實現快速、高精度的制動盤熱容量性能分析計算。在未來產品開發過程中，即可應用此工具來快速且相對精地分析出制動盤的熱流固耦合性能，從而驗證制動系統熱容量是否滿足要求。以達到縮短研發周期，降低研發成本的目的。