高速列車制動(dòng)盤材料參數(shù)熱敏感性分析

金文偉， 王常川， 方明剛, 黃　彪

(中車戚墅堰機(jī)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(dòng)盤材料參數(shù)熱敏感性分析

金文偉， 王常川， 方明剛, 黃彪

(中車戚墅堰機(jī)車車輛工藝研究所有限公司， 江蘇常州 213011)

闡述了制動(dòng)盤材料物理性能參數(shù)及其影響因素，以及參數(shù)高溫變化關(guān)系；通過將材料物理性能參數(shù)如導(dǎo)熱系數(shù)、比熱系數(shù)以及線膨脹系數(shù)等進(jìn)行定量浮動(dòng)變化后進(jìn)行制動(dòng)盤同工況條件下熱機(jī)耦合仿真分析，察看制動(dòng)盤溫度場(chǎng)和熱應(yīng)力場(chǎng)變化情況，定量分析制動(dòng)盤材料物理參數(shù)熱敏感性程度；通過敏感性分析，為制動(dòng)盤工藝優(yōu)化參數(shù)提供理論依據(jù)，降低制動(dòng)盤在使用過程中的溫升和最高應(yīng)力數(shù)值，延長(zhǎng)使用壽命。

高速列車; 制動(dòng)盤; 材料; 仿真

國(guó)內(nèi)高速列車的最高運(yùn)營(yíng)速度可達(dá)350 km/h，如此高速列車的運(yùn)營(yíng)對(duì)列車制動(dòng)和減速系統(tǒng)提出了很大的挑戰(zhàn)，目前大部分列車減速系統(tǒng)一般配備為電制動(dòng)和盤形基礎(chǔ)制動(dòng)疊加工作實(shí)施列車制動(dòng)，而其中盤形基礎(chǔ)制動(dòng)承擔(dān)著列車在失電狀態(tài)下的所有制動(dòng)能量，是列車運(yùn)營(yíng)的最終安全保障，而如此大的制動(dòng)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(chǔ)制動(dòng)裝置中制動(dòng)盤部件來吸收并散發(fā)到空氣中，因此將導(dǎo)致制動(dòng)盤出現(xiàn)很高的溫升，承受很高的熱應(yīng)力，這對(duì)制動(dòng)盤材料設(shè)計(jì)提出了很高的要求。

1　問題提出

目前，針對(duì)制動(dòng)盤材料設(shè)計(jì)主要研究工作方向?yàn)樘岣咧苿?dòng)盤材料的強(qiáng)度、塑性和韌性指標(biāo)，如抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率、硬度、沖擊功等，相對(duì)而言，與制動(dòng)盤溫升和應(yīng)力關(guān)系較為密切的物理性能參數(shù)如導(dǎo)熱系數(shù)、比熱系數(shù)、熱擴(kuò)散率以及線膨脹系數(shù)等提升工作卻鮮有研究，可以通過摸索材料這些參數(shù)的熱敏感性能，通過材料工藝使其得到最佳熱敏參數(shù)，降低制動(dòng)盤制動(dòng)過程中最高溫升及應(yīng)力水平，提高制動(dòng)盤的使用壽命。本文將對(duì)新研制的高速列車制動(dòng)盤材料熱敏感性參數(shù)進(jìn)行熱機(jī)耦合仿真分析對(duì)比，察看該材料參數(shù)與制動(dòng)盤制動(dòng)溫升和應(yīng)力的因果關(guān)系，為材料工藝提升提供依據(jù)。

2　制動(dòng)盤材料的熱敏感參數(shù)分析

高速列車制動(dòng)盤一般采用合金鋼材料，而材料物理參數(shù)中與盤體溫升和應(yīng)力變化相關(guān)的參數(shù)主要有導(dǎo)熱系數(shù)、比熱系數(shù)以及熱膨脹系數(shù)等，這些參數(shù)的主要影響因素有材料化學(xué)元素的組成，材料晶粒度，材料的內(nèi)部元素組織結(jié)構(gòu)，材料密度等，通過調(diào)整這些影響因素可能調(diào)整合金鋼材料的熱敏感參數(shù)值，同時(shí)配合制動(dòng)盤熱容量仿真結(jié)果，選取最佳材料工藝和熱處理工藝。

3　制動(dòng)盤熱敏感參數(shù)仿真

通過調(diào)整所設(shè)計(jì)制動(dòng)盤材料熱敏感參數(shù)值，進(jìn)行同結(jié)構(gòu)同工況制動(dòng)盤熱容量仿真分析，對(duì)比制動(dòng)盤溫度及熱應(yīng)力場(chǎng)仿真結(jié)果。

3.1仿真模型的建立

(1) 仿真模型

仿真計(jì)算單元模型采用熱-機(jī)械耦合單元模型，能同時(shí)得到制動(dòng)盤溫度和應(yīng)力在制動(dòng)過程中變化云圖及曲線等信息；計(jì)算中采用整盤模型，為了簡(jiǎn)化模型，在此省略掉一些磨耗限標(biāo)識(shí)及小的倒圓角；摩擦產(chǎn)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(yùn)行過程中制動(dòng)盤與空氣的熱交換；約束的施加與實(shí)際的約束情況相同。盤體網(wǎng)格模型如圖1。

圖1　制動(dòng)盤網(wǎng)格模型

(2) 材料模型

制動(dòng)盤材料模型采用鋼質(zhì)制動(dòng)盤材料模型，在仿真中把導(dǎo)熱系數(shù)、比熱系數(shù)以及線膨脹系數(shù)等熱敏感參數(shù)以實(shí)際設(shè)計(jì)材料參數(shù)值各單獨(dú)上下浮動(dòng)10%設(shè)置為模擬仿真參數(shù)，其余仿真設(shè)置參數(shù)均一致。

(3) 熱載荷模型

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

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

(4) 對(duì)流換熱系數(shù)Hf[2]

對(duì)流換熱系數(shù)與導(dǎo)熱系數(shù)不同，它與材料無關(guān)，而取決于流體流動(dòng)狀態(tài)、流體物理性質(zhì)、壁面溫度以及壁面的幾何形狀。根據(jù)平面散熱問題的傳熱學(xué)理論得

式中，pr為普朗特?cái)?shù)0.7；λα為空氣導(dǎo)熱系數(shù)0.023；L為壁面長(zhǎng)度，m；u為空氣流動(dòng)速度，m/s；v為空氣得運(yùn)動(dòng)粘度14.8e(-6)，m2/s；忽略制動(dòng)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(guān)。

3.2仿真分析

分別計(jì)算導(dǎo)熱系數(shù)、比熱系數(shù)以及線膨脹系數(shù)等熱敏感參數(shù)單獨(dú)上下浮動(dòng)10%條件下，對(duì)制動(dòng)盤在350 km/h初速度下緊急制動(dòng)仿真過程中的溫度及熱應(yīng)力影響情況，并與實(shí)際材料仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。

(1)設(shè)計(jì)材料參數(shù)條件下仿真結(jié)果

圖2(a)(b)所示材料參數(shù)為設(shè)計(jì)值時(shí)制動(dòng)過程中制動(dòng)盤最高溫度和最大應(yīng)力云圖。從圖中可以看出，制動(dòng)盤最高溫度約為590.1℃，最大應(yīng)力約為304.8 MPa。

(2)熱敏感參數(shù)變化仿真

依據(jù)相同的仿真方法，分別進(jìn)行材料熱敏感參數(shù)如導(dǎo)熱系數(shù)、比熱系數(shù)和線膨脹系數(shù)等單獨(dú)向上或向下浮動(dòng)10%時(shí)制動(dòng)過程中制動(dòng)盤的熱容量仿真分析，查看制動(dòng)盤溫度場(chǎng)和熱應(yīng)力場(chǎng)的變化情況，其最終結(jié)果數(shù)據(jù)如表1所示。從結(jié)果中可以看出導(dǎo)熱系數(shù)、比熱系數(shù)變化，會(huì)導(dǎo)致制動(dòng)盤最高溫度隨之變化，最大差值約36℃左右，同時(shí)導(dǎo)熱系數(shù)、比熱系數(shù)變化也會(huì)引起制動(dòng)盤最大應(yīng)力水平變化，最大變化約30 MPa；而線膨脹系數(shù)變化，不會(huì)引起制動(dòng)盤溫升變化，但會(huì)影響最大應(yīng)力值，變化最大約36 MPa，達(dá)到了約12%的幅度。

圖2　制動(dòng)過程中最高溫度及應(yīng)力云圖

表1　各工況下最高溫度和最大應(yīng)力數(shù)據(jù)

4　結(jié)　論

從制動(dòng)盤敏感性仿真分析結(jié)果數(shù)據(jù)可以看出，制動(dòng)盤材料物理性能如導(dǎo)熱系數(shù)、比熱系數(shù)對(duì)制動(dòng)盤制動(dòng)過程中溫升和應(yīng)力均有影響，特別是比熱系數(shù)變化對(duì)溫升的影響較為顯著，而線膨脹系數(shù)則對(duì)溫升無影響，對(duì)應(yīng)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(diào)整材料密度等方式提升材料的比熱系數(shù)，降低材料的線膨脹系數(shù)，從而降低制動(dòng)盤在制動(dòng)過程中的溫升和應(yīng)力水平，提高其壽命。

[1]曹玉璋，邱緒光.實(shí)驗(yàn)傳熱學(xué)[M].北京.國(guó)防工業(yè)出版社,1996.

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

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

JINWenwei,WANGChangchuan，F(xiàn)ANGMinggang,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(jí)工程師(

2016-02-03)

U270.35

Adoi:10.3969/j.issn.1008-7842.2016.04.05