城際動車組不同表面溝槽的制動盤散熱性能研究

常寧，黃尊地

（五邑大學 軌道交通學院，廣東，江門，529020）

車輛制動是保障軌道交通安全運行的核心枝術(shù)之一. 盤形制動裝置具有減少車輪踏面熱負荷、提高摩擦副性能等諸多方面的優(yōu)越性，是城際動車組摩擦制動的主要方式[1]. 制動盤作為盤形制動系統(tǒng)中最核心的部件，其在制動時承受著來自摩擦片的制動壓力和制動摩擦力. 摩擦產(chǎn)生大量的熱能在短時間內(nèi)無法擴散，會使制動盤產(chǎn)生熱應(yīng)力. 因制動盤承受熱應(yīng)力循環(huán)作用，其表面會產(chǎn)生熱疲勞裂紋[2-4]，導致制動盤熱機疲勞失效. 因此，制動盤對列車行駛安全起著至關(guān)重要的作用.

針對制動盤制動過程中的數(shù)值模擬工作，已有諸多學者進行了深入研究[5-9]. 現(xiàn)有研究中，很少考慮表面形態(tài)和結(jié)構(gòu)對散熱性能的綜合影響，且針對城際動車組制動盤的研究還比較少. 本文以某型城際列車制動盤為研究對象，通過改變制動盤表面微結(jié)構(gòu)，建立表面不同溝槽的制動盤模型，對其進行熱-固耦合分析，研究制動盤表面結(jié)構(gòu)的改變對散熱性能的影響.

1 熱-固耦合分析基礎(chǔ)

根據(jù)熱力學的理論基礎(chǔ)，結(jié)合城際動車組制動盤結(jié)構(gòu)特點和實際的工作模式來建立熱-固耦合的邊界條件，本文采用的邊界條件如下：

1.1 熱輸入

本文以制動軸盤為研究對象. 在緊急制動工況下，制動盤的熱輸入是：在摩擦面產(chǎn)生的熱流密度和制動盤同周邊空氣的對流換熱.

1）熱流密度載荷. 從摩擦界面?zhèn)鬟f到制動盤的總熱流密度[10-11]為：

其中：η為熱流量傳入制動盤的效率，取0.95；μ為制動盤與閘片間的摩擦因數(shù)，取0.3；F(t)為閘瓦壓力，N，取值為45 kN；A0為閘片的接觸面積，m2；v(t)為列車運行速度，m/s；R為車輪半徑，m；r為平均摩擦半徑，m.

在此次分析的熱模型當中，整個摩擦環(huán)面同時受熱，且實際工況是只有在摩擦環(huán)和閘片接觸的部分產(chǎn)生熱量，在非接觸時刻的摩擦環(huán)面積則是散熱狀態(tài)，此處需要乘以一個面積系數(shù)，根據(jù)能量守恒定律，得出實際的熱流密度為：

其中：R為盤與閘片的摩擦半徑，m；a為列車緊急制動減速度，2m/s；v0為列車運行初速度，m/s；v為空氣運動粘度，取14.8× 10-6m2/ s；Pr為空氣的普朗特常數(shù)，取 0.7；λ為空氣的導熱率，取6.14× 10-2W/(m?°C)；L為制動盤的特征長度，即摩擦環(huán)與制動閘片接觸的摩擦半徑所在圓周的周長，m.

1.2 確立邊界條件

本文分析工況是：在標準大氣壓下，氣溫20℃，動車組以200 km/h的速度進行緊急制動，制動盤與制動閘片的初始溫度是20℃，減速度a為-1.2 m/s2. 由速度公式v=v0+at可知緊急制動所需時間為46.3 s.

2 帶溝槽結(jié)構(gòu)的制動盤模型構(gòu)建

2.1 制動盤材料參數(shù)

制動過程中，制動盤與制動閘片之間的摩擦系數(shù)取0.3[13]；采用面面接觸的方式；材料為各向同性的連續(xù)介質(zhì)；考慮溫度變化帶來的對制動盤材料參數(shù)的影響，材料參數(shù)設(shè)為隨溫度變化的變量，密度為7 820 kg/m3不變，屈服強度為785 MPa. 制動盤的具體材料參數(shù)如表1所示.

表1 制動盤材料參數(shù)

2.2 制動盤模型

常規(guī)制動盤的幾何參數(shù)為：外徑335.0 mm，包括散熱筋部分總厚度為80.0 mm，散熱筋半徑為10.5 mm，長度為36.0 mm，摩擦面中心半徑為262.5 mm，在制動盤表面建立 3種不同結(jié)構(gòu)形式的溝槽，模型1為環(huán)形溝槽結(jié)構(gòu)，模型2為放射狀直溝槽結(jié)構(gòu)，模型3為圓形凹坑結(jié)構(gòu)，尺寸如表2所示.

表2 制動盤表面溝槽尺寸

制動過程中，制動盤兩側(cè)受到閘片的壓力大小一致，制動盤兩側(cè)表面形態(tài)一致，摩擦面生熱情況一致，故只分析制動盤一側(cè)摩擦面的熱情況. 根據(jù)制動盤的結(jié)構(gòu)特點，取盤體的 1/4部分作為研究對象，制動盤有限元模型如圖1所示.

圖1 不同表面溝槽結(jié)構(gòu)制動盤有限元模型

2.3 仿真設(shè)置

制動時，假設(shè)摩擦產(chǎn)生的熱量在任意瞬間都是由制動閘片在制動盤表面掃過的總面積平均地傳入盤體，該熱量通過熱流密度的形式施加在摩擦環(huán)表面，由式（2）知，熱流密度隨時間變化的函數(shù)可表示為：1321774.38-285 27.507 7t，在制動盤盤體與制動閘片接觸的摩擦面加載熱流密度載荷.

制動過程中，制動盤有一部分摩擦熱通過對流和輻射擴散到了周圍空氣中，由式（3）知：對流換熱系數(shù)隨時間變化的函數(shù)可以表示為[54.2×(55.6- 1.2t)0.8]/1.1，對于常規(guī)制動盤在板筋周圍、制動盤外圓柱面、內(nèi)側(cè)面和非摩擦環(huán)面處加載對流換熱系數(shù)，對于帶溝槽的制動盤，在其表面溝槽、凹槽、凹坑里也需要施加對流換熱系數(shù).

相較于對流換熱而言，熱輻射產(chǎn)生的熱效應(yīng)有限，本文在分析過程中忽略輻射散熱的影響[15].

3 仿真結(jié)果分析

3.1 溫度場仿真結(jié)果分析

1）求解結(jié)束后，導出溫度隨時間變化的云圖，達到最大溫度值的云圖如圖2所示.

圖2 不同表面結(jié)構(gòu)形態(tài)的制動盤最大溫度場云圖

由圖2可知：在整個制動過程中，最高溫度均集中在表面摩擦環(huán)形區(qū)域內(nèi)；沿軸向方向、徑向方向，溫度的分布由高到低；表面帶溝槽的3個制動盤，越靠近溝槽的位置溫度越低，且溝槽中心位置的溫度比周圍的溫度都要低. 由于制動盤表面形態(tài)不同，最高溫度點實際分布的位置各有不同，表面光滑的常規(guī)制動盤平整均勻，最高溫度點在摩擦半徑附近；表面帶溝槽的制動盤溫度分布則隨溝槽變化而分割成更多區(qū)域，高溫區(qū)面積相比于常規(guī)制動盤均有明顯的減少.

2）選取各個制動盤在制動過程里不同時刻的最大溫度值，如圖3所示. 由圖3可知：在制動初期，速度高，制動盤轉(zhuǎn)速快，產(chǎn)生的熱量多，制動盤來不及散熱，因此表面溫度急速上升. 接近制動過程中段，制動盤吸收熱量與其散熱達到一種動態(tài)平衡，溫度達到最大值，隨后熱量不斷在盤體內(nèi)部傳遞，同時通過板筋等面向空氣對流換熱，制動盤吸收的熱量少于其耗散的熱量，溫度開始下降，最終，曲線回落制動結(jié)束. 將3種帶溝槽的制動盤溫度數(shù)據(jù)與常規(guī)制動盤數(shù)據(jù)對比，如表3所示.

圖3 各制動盤最高溫度變化趨勢

表3 制動盤溫度仿真結(jié)果對比

由表3可知：表面帶溝槽的制動盤較常規(guī)制動升溫速率有所降低，溫度回落得更早，最高溫度均比常規(guī)盤低，最高溫度降比分別為4.8%、2.7%、12.3%，結(jié)束時溫度也比常規(guī)盤低，結(jié)束時溫度降比分別為14.1%、4.4%、27.7%. 溝槽制動盤有一定的降溫優(yōu)勢，表面帶溝槽的制動盤中，表面凹坑型制動盤比凹槽型制動盤有更好的抑制升溫效果.

3.2 應(yīng)力場仿真結(jié)果分析

1）利用熱-固直接耦合的方法計算制動盤熱應(yīng)力，導出熱應(yīng)力隨時間變化的云圖，選取在達到最大應(yīng)力值的云圖，如圖4所示.

圖4 各形態(tài)制動盤最大熱應(yīng)力云圖

對比以上4種不同表面形態(tài)的制動盤仿真結(jié)果發(fā)現(xiàn)，較大熱應(yīng)力的位置大致分布在靠近摩擦環(huán)形面的內(nèi)徑處，向著外徑方向不斷變小，且分布面積大致相同；在摩擦環(huán)形面的內(nèi)徑與制動盤軸心的連接處、制動盤的根部、板筋與盤體內(nèi)表面的連接處等位置會出現(xiàn)應(yīng)力集中的情況.

2）熱應(yīng)力對制動盤制動性能有直接影響，選取各個制動盤在制動過程里不同時刻的最大熱應(yīng)力值，繪制曲線圖5.

熱應(yīng)力與溫度變化和溫差有直接的關(guān)系. 在緊急制動開始時，熱量急劇增大，制動盤表面溫度驟然升高，由于溫度升高太快，盤體內(nèi)外溫差增大進而產(chǎn)生較大應(yīng)力. 隨制動進行，升溫減緩，制動盤與空氣的對流換熱和盤體內(nèi)部熱量開始擴散，應(yīng)力達到峰值，在熱擴散和對流換熱的持續(xù)作用下，盤體整體的溫差不斷縮小，熱應(yīng)力隨之降低. 表4為3種帶溝槽的制動盤應(yīng)力數(shù)據(jù)與常規(guī)制動盤數(shù)據(jù)對比.

圖5 各制動盤最大應(yīng)力變化趨勢

表4 制動盤應(yīng)力仿真結(jié)果對比

由表4可知：表面帶溝槽的制動盤較常規(guī)制動盤應(yīng)力上升速率有所降低，最大應(yīng)力均比常規(guī)盤低，最大應(yīng)力降比分別為0.9%、8.1%、19.1%，結(jié)束時應(yīng)力也比常規(guī)盤低，結(jié)束時應(yīng)力降比分別為23.3%、25.8%、22.7%. 表面帶溝槽的制動盤有著抑制應(yīng)力攀升的效果，表面帶凹坑的制動盤降低熱應(yīng)力的效果最為顯著.

4 結(jié)論

本文建立了 3種表面不同溝槽的制動盤模型，采用熱-固直接耦合的方式對其進行了溫度場和應(yīng)力場仿真分析. 相比常規(guī)制動盤，表面帶溝槽的制動盤在抑制升溫速率和應(yīng)力上升速率、降低溫度峰值和應(yīng)力值幾個方面都有著不同程度的改善，結(jié)論如下：

1）表面帶溝槽的制動盤在溝槽凹陷處能增加與空氣的接觸面積，增強制動盤與空氣的對流換熱，從而有效降低制動過程中制動盤體的溫度，提高制動盤的散熱效能，提升制動性能.

2）從溫度場仿真結(jié)果分析，與常規(guī)制動盤相比，3種不同表面溝槽的制動盤最高溫度降比分別為4.8%、2.7%、12.3%，表面凹坑型（模型3）制動盤抑制溫升效果最佳.

3）從熱應(yīng)力場仿真結(jié)果分析，與常規(guī)制動盤相比，3種不同表面溝槽的制動盤最大應(yīng)力降比分別為0.9%、8.1%、19.1%，表面凹坑型（模型3）制動盤降低熱應(yīng)力效果更佳.