基于空氣流體動力學(xué)的高速列車制動盤散熱性能模擬

王玉光　周茜　喬青峰　馬利軍

摘要：基于CFD法分析高速列車制動盤的散熱情況，得到制動盤各個區(qū)域的平均對流換熱系數(shù).在此散熱條件下，用順序耦合法模擬制動盤的溫度場，實現(xiàn)復(fù)雜六邊形熱載荷的加載，并將二次制動溫度場的模擬結(jié)果與試驗數(shù)據(jù)進行對比分析.結(jié)果表明：模擬結(jié)果與試驗數(shù)據(jù)在冷卻階段吻合度較高，且在制動階段中最高溫度值誤差不超過5%.

關(guān)鍵詞：高速列車； 盤式制動； 散熱； 熱對流； 溫度分布

中圖分類號： U260.351 文獻標(biāo)志碼：B

Abstract：The heat dissipation of the brake disk of a highspeed train is simulated by CFD method， and the average convective heat transfer coefficients of each part of the brake disk are calculated. Under the heat dissipation condition， the temperature field of the brake disk is simulated by sequential coupling method， the thermal load of complex hexagon shape is loaded， and the simulation results of the second braking temperature field is compared with the test results. The results show that， the simulation results are consistent with the test data in the cooling stage， and the maximum error of the temperature is less than 5% during the braking stage.

Key words：highspeed train； disk brake； heat dissipation； heat convection； temperature distribution

0 引 言

在高速列車制動過程中，制動盤與閘片摩擦接觸產(chǎn)生大量的熱，多次制動會引起摩擦副材料熱疲勞裂紋直至破壞.由于當(dāng)前仍無可靠的方法有效測定或預(yù)測制動能量和熱疲勞裂紋發(fā)展演變過程，所以通過數(shù)值仿真分析高速制動盤的散熱性能對于制動盤材料的選取和結(jié)構(gòu)設(shè)計有重要的指導(dǎo)意義.[1]

空氣對流傳熱是制動盤散熱最主要的能量交換方式.以往研究中，對流傳熱系數(shù)的計算多采用經(jīng)驗公式.[24]該方法對于一些幾何規(guī)則的模型適用性好、計算簡便，但是對于復(fù)雜結(jié)構(gòu)，如動車組使用的輪裝制動盤的散熱筋，估測經(jīng)驗公式中散熱面特征長度存在較大困難.為此，一些學(xué)者采用計算流體力學(xué)（Computational Fluid Dynamics，CFD）方法分析復(fù)雜結(jié)構(gòu)的散熱特性.BELHOCINE等[5]以1/4制動盤為研究對象，模擬靜止空氣中旋轉(zhuǎn)制動盤各個區(qū)域的平均對流傳熱系數(shù)，JIANG等[6]模擬列車軸裝制動盤在實際行進過程中的對流傳熱特性.參考以上研究，論文基于CFD技術(shù)仿真高速動車組輪裝制動盤的流體場，獲得不同運行速度下制動盤不同表面上的平均對流傳熱系數(shù).

利用有限元分析制動盤的溫度場時，有順序耦合法和直接耦合法之分.直接耦合法考慮應(yīng)力與溫度的相互作用，模擬結(jié)果對高溫作用下制動盤與閘片之間的真實接觸面積敏感，極容易出現(xiàn)數(shù)值收斂性困難的問題[7]；順序耦合法將摩擦接觸簡化為加載摩擦熱量，因此容易收斂[8].考慮到多邊形熱載荷作用范圍不易確定，在討論多邊形閘片結(jié)構(gòu)對應(yīng)的制動盤溫度場時，以直接耦合法為主.[27]基于幾何原理，用順序耦合法模擬六邊形閘塊對應(yīng)的制動盤溫度場，并將二次制動的溫度場結(jié)果與實測值對比，表明計算結(jié)果可靠.

1 有限元模型

動車組輪裝制動盤和六邊形閘塊模型見圖1.以單個制動盤為研究對象，將制動盤與閘片之間摩擦產(chǎn)生的熱量加載在制動盤上.

空氣通風(fēng)速度為列車速度的1/2，忽略閘片對流場的影響，取輪子、制動盤和軸的表面作為流場的壁面.通風(fēng)狀態(tài)下強迫對流是制動盤散熱的主要途徑，因此可忽略自然對流影響.研究表明：與經(jīng)驗公式和經(jīng)典kω模型相比，SST kω模型的計算復(fù)雜度和計算精度有明顯優(yōu)勢，因此作為計算流體力學(xué)模型.

用CFD模擬行駛過程中制動盤周圍的流場，得到制動盤散熱筋附近的空氣流動傳熱情況.列車行駛速度為380 km/h時制動盤的散熱筋中間面上空氣相對速度場和散熱筋表面對流傳熱系數(shù)分布云圖分別見圖3和4.受列車通風(fēng)狀態(tài)和制動盤轉(zhuǎn)動的共同影響，當(dāng)旋轉(zhuǎn)引起的空氣流動方向與通風(fēng)方向一致時，對流傳熱系數(shù)增大，反之減小.

3 二次制動溫度場計算結(jié)果和分析

列車在二次制動過程中的對流傳熱系數(shù)時間曲線見圖6.由此可知：制動盤表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)并不呈現(xiàn)單調(diào)遞增或遞減變化趨勢，而是先急劇下降再迅速上升至峰值約360 W/（m2·K），最后再急劇下降的變化形式.據(jù)此認(rèn)為，制動盤面某區(qū)域的溫度場并非維持固定不變，而是在制動過程中呈現(xiàn)交替變化，這也是熱疲勞裂紋產(chǎn)生的重要原因之一.

根據(jù)上述傳熱系數(shù)變化分析溫度場變化.列車制動初速度為380 km/h，二次制動時間總長622 s，制動盤制動半徑約為280 mm.對二次制動工況下制動盤的溫度場進行有限元分析，在制動盤摩擦面某徑向上選取一組節(jié)點，得到節(jié)點溫度隨時間變化曲線，見圖7.由圖7可知：在制動階段，制動盤摩擦面上的最高溫度分布在距離旋轉(zhuǎn)中心約314 mm附近，該組節(jié)點的最高溫度為722.5 ℃；冷卻階段該組節(jié)點溫度趨于一致，溫度都在125 ℃左右.進行制動臺架試驗，制動盤面上布置若干熱電偶，在制動裝置下方鼓風(fēng)，并控制風(fēng)速為旋轉(zhuǎn)線速度的1/2，以模擬真實行駛狀態(tài).提取二次制動過程中每個時間步對應(yīng)的熱電偶最高溫度值，與有限元模擬的最高溫度值比較，見圖8.圖8顯示：在第一次制動過程中，制動盤最高溫度模擬結(jié)果為687.7 ℃，比試驗結(jié)果高8 ℃，誤差率約1.1%；第二次制動結(jié)果為742 ℃，比試驗數(shù)據(jù)高35 ℃，誤差率約為5.0%.與圖7相比，在2次制動階段，摩擦面上提取的最高溫度值比固定節(jié)點的最高溫度約高20 ℃，冷卻階段誤差很小.由此來看，圖8中誤差產(chǎn)生的原因除與順序耦合方法有關(guān)外，可能與制動盤面上個別節(jié)點處出現(xiàn)瞬時高溫有關(guān).

從圖8還可以看出：在冷卻階段，模擬的曲線與試驗數(shù)據(jù)吻合度較好，表明制動盤的散熱情況得到有效模擬.

4 結(jié) 論

通過分析高速列車制動盤在行駛過程中的散熱情況，以及二次制動過程中的溫度場變化，得出如下結(jié)論：1）在制動階段，制動盤最高溫度出現(xiàn)在制動半徑附近，2次最高溫度誤差都不超過5%，證明用順序耦合法模擬六邊形熱載荷滿足工程需要；2）在冷卻階段，制動盤各部分溫度趨于一致，與試驗曲線吻合度較好，表明CFD可有效模擬制動盤散熱情況.

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（編輯 武曉英）