制動(dòng)盤熱散逸與致阻力研究

陳磊

摘?要：制動(dòng)盤為制動(dòng)摩擦副中承擔(dān)熱負(fù)荷的重要部件。在制動(dòng)工況時(shí)期望制動(dòng)盤通風(fēng)能力越強(qiáng)越好，在非制動(dòng)工況時(shí)制動(dòng)盤通風(fēng)現(xiàn)象會(huì)引起空氣阻力，消耗牽引功率。研究了制動(dòng)盤熱散逸和致阻力的計(jì)算方法，基于葉片型散熱筋結(jié)構(gòu)制動(dòng)盤進(jìn)行了仿真計(jì)算，得到了制動(dòng)盤熱散逸和致阻力的規(guī)律，為進(jìn)一步研究制動(dòng)盤熱散逸和致阻力均衡匹配研究提供研究路徑。

關(guān)鍵詞：制動(dòng)盤;熱散逸;空氣阻力;流場;溫度場

中圖分類號(hào)：U270.35

Abstract：Disc?is?the?key?component?bearing?the?thermal?load?which?is?expected?for?a?better?ventilating?ability?during?braking.Whereas，the?ventilation?causes?air?resistance?and?consumes?traction?power?in?other?time.The?calculation?method?of?thermal?dissipation?and?air?resistance?for?the?disc?are?researched?in?this?study.A?simulation?was?conducted?based?on?the?vanetype?brake?disc?and?the?conclusions?about?the?thermal?dissipation?and?air?resistance?were?obtained，which?provide?an?approach?for?the?investigation?of?the?match?between?the?thermal?dissipation?and?air?resistance.

Keywords：brake?disc;thermal?dissipation;air?resistance;flow?field;temperature?field

任何載運(yùn)工具都離不開制動(dòng)系統(tǒng)，對(duì)軌道車輛而言，制動(dòng)系統(tǒng)最重要的使命是要確保安全。隨著技術(shù)進(jìn)步，軌道車輛采用的制動(dòng)方式越來越豐富，從傳統(tǒng)純機(jī)械驅(qū)動(dòng)的踏面制動(dòng)、盤形制動(dòng)到越來越依賴電能（機(jī)）的電阻制動(dòng)、再生制動(dòng)、磁軌制動(dòng)、渦流制動(dòng)等[1]。這些涉“電”制動(dòng)方式往往由于其本身的特點(diǎn)，使得它們不能或難以成為軌道車輛的安全制動(dòng)方式。時(shí)至今日，踏面制動(dòng)或盤形制動(dòng)這種摩擦制動(dòng)仍是被普遍接受的軌道車輛安全制動(dòng)方式，制動(dòng)時(shí)通過摩擦副摩擦生熱將列車動(dòng)能轉(zhuǎn)化為熱能，實(shí)現(xiàn)列車能量的轉(zhuǎn)移，產(chǎn)生列車制動(dòng)減速作用[2]。摩擦副在摩擦生熱過程中會(huì)產(chǎn)生熱累積，熱累積到一定程度會(huì)產(chǎn)生熱疲勞，致使制動(dòng)盤失效[3][6]。目前大多采用帶有通風(fēng)能力的加強(qiáng)筋制動(dòng)盤，制動(dòng)盤處于一定流速的流場環(huán)境中，空氣流動(dòng)會(huì)帶走一部分制動(dòng)熱量[7][8]。因此在制動(dòng)時(shí)期望制動(dòng)盤通風(fēng)能力越強(qiáng)越好，關(guān)于制動(dòng)盤通風(fēng)能力散熱筋的設(shè)計(jì)與分析已經(jīng)有學(xué)者進(jìn)行了研究[9][13]。列車非制動(dòng)工況時(shí)制動(dòng)盤通風(fēng)現(xiàn)象仍然存在，必定會(huì)引起空氣阻力，消耗牽引功率[14][15]。這就造成了制動(dòng)工況和非制動(dòng)工況對(duì)制動(dòng)盤通風(fēng)能力的要求不同。基于此，本文研究了制動(dòng)盤熱散逸和致阻力的計(jì)算方法，為進(jìn)一步研究制動(dòng)盤熱散逸和致阻力均衡匹配研究提供研究路徑。

1?制動(dòng)盤熱逸散和致阻力的研究方法

高速流場環(huán)境對(duì)制動(dòng)提出了制動(dòng)溫度低，散熱效果好的要求。然而在提高制動(dòng)盤熱逸散效果的同時(shí)，也會(huì)相應(yīng)地增加了非制動(dòng)工況制動(dòng)盤產(chǎn)生的阻力。表征制動(dòng)盤的熱累積效應(yīng)可采用制動(dòng)溫度，表征制動(dòng)盤的熱逸散效應(yīng)可采用對(duì)流散熱系數(shù)或者散熱功率。制動(dòng)盤產(chǎn)生的阻力采用泵風(fēng)功率來表征。本論文旨在通過計(jì)算和仿真來研究高速流場作用下制動(dòng)盤的熱累積和熱逸散效應(yīng)，圖1是研究的技術(shù)路線。基于給定的高速制動(dòng)盤模型，分別建立制動(dòng)盤的流場計(jì)算模型和有限元熱容計(jì)算模型，通過計(jì)算得出泵風(fēng)功耗、散熱功率和制動(dòng)溫度。得出高速流場作用下制動(dòng)盤的熱累積和致阻力效應(yīng)規(guī)律。

2?制動(dòng)盤泵風(fēng)效應(yīng)及致阻力仿真計(jì)算

以葉片型散熱筋結(jié)構(gòu)制動(dòng)盤（φ640×110mm）為對(duì)象，研究其制動(dòng)工況下泵風(fēng)功率和散熱功率的變化規(guī)律。其速度隨時(shí)間變化規(guī)律為：

2.1?制動(dòng)盤模型和流場模型

制動(dòng)盤參數(shù)如下表所示。制動(dòng)盤三維模型如圖2所示。制動(dòng)盤散熱筋結(jié)構(gòu)如圖3所示。制動(dòng)盤流場模型如圖4所示。

2.2?計(jì)算方法與結(jié)果

2.2.1?對(duì)流散熱系數(shù)

制動(dòng)過程中，對(duì)流換熱系數(shù)隨時(shí)間的變化曲線如圖5所示，t=43s時(shí)刻制動(dòng)盤表面對(duì)流換熱系數(shù)如圖6所示。

2.2.2?散熱功率

將制動(dòng)盤表面對(duì)流換熱系數(shù)變化曲線代入ABAQUS進(jìn)行制動(dòng)過程中制動(dòng)盤溫度場計(jì)算，得到緊急制動(dòng)下制動(dòng)盤溫度隨時(shí)間變化曲線如圖8所示。制動(dòng)盤整體散熱功率如圖9所示。t=43s時(shí)刻溫度場如圖10所示。

2.2.3?泵風(fēng)功率

在緊急制動(dòng)的過程中，制動(dòng)盤結(jié)構(gòu)受到的風(fēng)阻力與速度成二次關(guān)系，泵風(fēng)功率與速度呈三次關(guān)系，制動(dòng)盤泵風(fēng)功率隨速度變化的關(guān)系如圖11所示。

3?結(jié)語

本文研究制動(dòng)盤熱散逸和致阻力的計(jì)算方法，以葉片型散熱筋結(jié)構(gòu)制動(dòng)盤進(jìn)行了仿真計(jì)算，總結(jié)如下：（1）隨著制動(dòng)過程的發(fā)展，對(duì)流換熱系數(shù)值逐漸減小，其CFD計(jì)算值與經(jīng)驗(yàn)公式值誤差小于10%;（2）隨著速度逐漸減小，制動(dòng)盤表面溫度逐漸增加;（3）隨著速度逐漸減小，泵風(fēng)功率逐漸減小;散熱功率呈現(xiàn)出先上升后下降的趨勢(shì)。

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