單軌膠輪客車山地運營方案討論

2018-08-17 01:03:04李衛強杜建華王李程

機電產品開發與創新 2018年4期

李衛強，杜建華，王李程

（南京中車浦鎮海泰制動設備有限公司，江蘇南京 211800）

0 引言

山區路況普遍存在各種坡道情況，國家標準對于坡道過大的路面上車輛行駛速度和連續長度都有明確的限制。車輛在長大坡道下坡時，如果不施加制動力，車輛的勢能就會使車輛的速度逐漸提高，甚至會超過允許的車輛最大運行速度，造成一定安全隱患。所以車輛在山區運營時，必須施加制動以抑制車速增大[1，2]。單軌膠輪客車采用電制動和摩擦制動混合制動方式，電制動優先，當電制動不足或者電制動失效時，采用摩擦制動進行補充。

摩擦制動采用制動氣室+制動盤的基礎制動方案，制動功率越大，則動能轉變為熱能的能力越大，即單位時間內產生的熱量就越大。大約90%的熱量被制動盤吸收，再由制動盤散發到空氣中，這個過程中制動盤溫升會很大，當溫度超過材料使用極限溫度時，制動盤磨損會加大，導致熱裂紋、熱斑或者剝離，最終導致制動盤破壞失效。同時，溫度過高時制動閘片與制動盤之間的摩擦系數會銳減，嚴重時會喪失制動能力，后果嚴重。

本文根據某山區線路，從峰頂到峰下的路線一路下坡，考慮最惡劣工況，采用純摩擦制動來保持運行速度，采用ANSYS分析軟件進行制動盤熱分析，依據計算結果，提出合理的限速、停站次數、停站時間、制動盤材料，最終提出滿足制動溫升要求的制動盤設計及運行停站策略。

1 基本參數及制動工況

1.1 車輛基本信息

車輛基本信息見表1。

表1 車輛基本參數

1.2 現有制動盤結構模型

單軌膠輪制動盤盤體如圖1，具有以下特征：

（1）制動盤采用蠕墨鑄鐵材料，制動盤的熱負荷應滿足摩擦面的最高溫升低于400℃的使用要求。

（2）制動盤采用鑄鋼材料，制動盤的熱負荷應滿足摩擦面的最高溫升低于600℃的使用要求。

（3）制動盤的主要接口尺寸：外徑Ф430mm內徑Ф256mm，盤體高度 45mm，盤轂和盤體采用一體化的設計，材料相同。

圖1 單軌膠輪制動盤結構模型

1.3 運行線路信息

單軌膠輪客車運行路線為某觀光線路，根據平縱面圖，對線路信息進行了分析，具體信息見表2。

表2 運行路線信息

2 仿真分析

2.1 制動盤熱-機耦合計算參數

車輛軸重11t；每軸2個制動盤；制動盤半徑215mm；制動減速度為5m/s2；制動半徑：171.5mm；閘片摩擦面的寬度84mm。

2.2 熱負荷的計算（熱流密度）

制動時，列車從初始速度開始達到靜止狀態，將動能轉化為熱能，熱能主要積聚在制動盤和閘片中，然后隨流動的空氣帶走。熱流密度的大小取決于摩擦功的大小，定義為摩擦功率法。

假設列車在制動ts后，制動速度減為v（t），此刻，單個制動盤具有的熱能為Q（t），列車單個軸重M具有的動能為Mv2（t）/2，設每軸裝有n個制動盤，單個制動盤應承擔的列車制動能E（t）為：

列車在制動t+△ts后，制動速度減為 v（t+△t），此刻，單個制動盤具有的熱能為 Q（t+△t），列車單個軸重具有的動能為Mv2（t+△t）/2，單個制動盤應承擔的列車制動能E（t+△t）可表示為：

假設列車減少的動能全部轉化為制動盤的熱能，閘片不吸熱，則根據能量守恒定律下式成立，E（t）=E（t+△t），即：

兩邊同時除以非零量△t

式中：a減速為負值，加速為正值；p（t）—熱生成率。

又：v（t）=v0+at，v0—制動初速度，p（t）=-Ma（v0+at）/n

考慮制動盤的高轉速，假設在其旋轉一周范圍內，摩擦面上的熱載荷均布，由熱流密度的定義，有：

其中，M—軸重；η—制動盤的熱吸收率；n—每軸制動盤數量；A—制動盤摩擦面面積；v0—制動初速度；a—制動減速度[3]。

2.3 制動盤和閘片材料材料

模擬計算中共涉及4種材料，即蠕墨鑄鐵、合成閘片材料、鑄鋼材料和粉末冶金閘片材料，不同材料的相關計算參數分別見表3～表6。

表3 鑄鐵材料的性能參數

表4 合成材料的性能參數

表5 鑄鋼材料的性能參數

表6 粉末冶金閘片材料的力學及物理性能

2.4 對流換熱系數

流體與固體表面因為相對流動而進行的熱交換過程，稱為對流換熱。對流換熱系數的確定應該考慮空氣流動的影響，流動空氣的對流換熱系數要明顯高于靜止狀態下的對流換熱系數，制動盤在靜止空氣中的對流換熱系數為 30 W/（m2·K），列車制動過程中，制動盤與空氣為強制對流換熱。一般來說，由一固體傳給一流體介質的單位時間上的平均熱流量為：

式中：h—流體介質對固體邊界的平均換熱系數；A—傳熱面積；Tw—固體邊界溫度；Tf—流體的溫度。

可見，對流換熱系數越大，對流換熱過程越強烈，在相同的溫差下，單位面積上交換的熱量越多。因此，研究對流換熱的目的就是要計算對流換熱系數h。從已有的表達式：h=f（ρ，υ，μ，λ，cp，L），可以清楚地看出，對流換熱系數除了與流動狀態有關外，還取決于流動速度、流體的性質（導熱系數、粘度系數、密度、比熱）以及固體結構的幾何尺寸。

在計算分析中，制動盤與空氣的相對運動近似簡化為盤型零件的散熱模型，設換熱系數為hf，則有：

式中：l—制動盤的特征長度，即所求點處的圓周周長，l=2πR。流體 Re的按下式計算：

取 Pr=0.701，λ=2.67×102，υ=16×106，得到：hf=0.785ω0.5，其中，ω—圓盤運動角速度。

3 溫度場模擬結果分析

3.1 模型簡化及網格劃分

對單軌膠輪制動盤進行有限元分析之前，為提高模擬效率，在保證溫度場模擬精度的前提下，對模型進行適當的簡化處理。針對制動盤盤體去除非結構性細節特征，如磨耗限標識，散熱筋與摩擦環連接處的圓角以及其它一些細部結構。而盤體與盤轂連接處圓角等關鍵結構特性則得以保留，簡化后制動盤模型如圖2所示。

圖2 制動盤建行模型

圖3 網絡劃分

本報告利用有限元軟件ANSYS構建了熱機耦合分析模型，并按照制動工況及路線規劃設置6種方案詳見表7運營方案，對單軌膠輪客車用制動盤熱容量進行了分析。模擬分析中網格的單元類型取Solid70（熱分析），網格劃分采用六面體網格，考慮到溫度的不均勻性，對于溫度變化劇烈的區域進行網格細化。網格劃分的結果如圖3所示。溫度場模擬結果分述如下。