一種基于熱管的制動(dòng)盤散熱優(yōu)化的數(shù)值仿真研究

袁 磊，李 康，閻 凱，蔡 歡，閆春霆

（中車大連機(jī)車研究所有限公司，遼寧大連 116000）

0 引言

制動(dòng)盤是車輛制動(dòng)系統(tǒng)的核心部件，制動(dòng)盤的可靠性對(duì)車輛的行車安全起到至關(guān)重要的作用[1]。

從車輛制動(dòng)性能的穩(wěn)定性和安全性的角度，要求制動(dòng)盤和制動(dòng)閘片構(gòu)成的制動(dòng)摩擦副給出的摩擦力是穩(wěn)定的。給出穩(wěn)定的摩擦力的前題，一是制動(dòng)材料的力學(xué)性能對(duì)溫度變化不敏感，二是摩擦副的接觸面不發(fā)生變化。制動(dòng)盤表面溫度和盈利的分布關(guān)系到制動(dòng)盤的壽命，而制動(dòng)閘片的結(jié)構(gòu)是影響制動(dòng)盤表面溫度和盈利的關(guān)鍵因素，在盤形制動(dòng)中，制動(dòng)盤及閘片的結(jié)構(gòu)與材料均對(duì)制動(dòng)盤溫度場和應(yīng)力場有顯著的影響[2-4]。

然而，盤式制動(dòng)的幾何特征決定了盤面溫度分布是非均勻的，尤其是隨著制動(dòng)速度的提高，盤面會(huì)出現(xiàn)局部溫度和溫度梯度過高的現(xiàn)象。局部高溫導(dǎo)致盤面局部磨損嚴(yán)重，降低了盤面的平整度，導(dǎo)致摩擦面積的不穩(wěn)定；同時(shí)，局部高溫導(dǎo)致閘片材料力學(xué)性能衰減，降低了摩擦力的穩(wěn)定性。這兩方面的因素都制約了制動(dòng)性能穩(wěn)定性的提高。另外，在高速制動(dòng)情況下，過高的溫度梯度形成的熱應(yīng)力會(huì)使制動(dòng)盤熱疲勞問題突出[5-7]。

因此，改進(jìn)盤面溫度分布均勻程度，達(dá)到降低峰值溫度的目的，就成為提高制動(dòng)性能可靠性和制動(dòng)盤壽命的一個(gè)重要方向[8-10]。

有研究表明，熱管具有改善溫度均勻性的效果[11-12]。本文提出兩種改進(jìn)制動(dòng)盤散熱效果的結(jié)構(gòu)。改進(jìn)型1制動(dòng)盤在原型制動(dòng)盤的基礎(chǔ)上改進(jìn)散熱筋的結(jié)構(gòu)，改進(jìn)型2制動(dòng)盤不僅改進(jìn)散熱筋，而且在制動(dòng)盤內(nèi)布置熱管，以改善制動(dòng)盤的溫度均勻性。

1 制動(dòng)盤的結(jié)構(gòu)

制動(dòng)盤的結(jié)構(gòu)，尤其是散熱筋的結(jié)構(gòu)對(duì)制動(dòng)盤的散熱特性具有重要影響。制動(dòng)盤的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。由圖可知，原型制動(dòng)盤采用圓柱形散熱筋，如圖1（a）所示；改進(jìn)型1制動(dòng)盤采用長條形、菱形柱、三角柱組合式散熱筋，如圖1（b）所示；改進(jìn)型2制動(dòng)盤在改進(jìn)型1制動(dòng)盤的基礎(chǔ)上，增加布置了熱管，如圖1（c）所示。

圖1 制動(dòng)盤結(jié)構(gòu)

2 數(shù)值仿真計(jì)算方法

本文采用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)計(jì)算方法，對(duì)制動(dòng)盤的散熱特性進(jìn)行數(shù)值仿真計(jì)算?？諝饬鲃?dòng)使用k-ε雙方程湍流模型。

計(jì)算中進(jìn)行如下假設(shè)和簡化：

（1）空氣流動(dòng)為不可壓流體流動(dòng)；

（2）不考慮溫度變化引起的空氣密度變化；

（3）制動(dòng)盤為各相同性固體。

在此假設(shè)和簡化的基礎(chǔ)上，在直角坐標(biāo)系下建立矢量形式的流體連續(xù)性方程和動(dòng)量方程如下：

式（1）～（4）中：ρ為流體密度，kg/m3；t為時(shí)間，s；u為速度矢量，m/s；p為壓強(qiáng)，Pa；xi、xj、xk為坐標(biāo)分量；Si、Sj、Sk為廣義源項(xiàng)分量；μeff為有效粘性系數(shù)，Pa·s（μeff=μ+μt，μ為分子粘性系數(shù)，Pa·s；μt為湍動(dòng)粘度，N·s/m2）。

固體結(jié)構(gòu)遵守能量守恒方程：

式中：x、y、z為坐標(biāo)；ρ為流體密度，kg/m3；λ為熱導(dǎo)率，W/(m·K)；c為比熱容，J/(kg·K)；x為時(shí)間，s；T為溫度，K。

空氣能量方程：

式中：μ為分子粘性系數(shù)，Pa·s；μt為湍動(dòng)粘度，N·s/m2；σT為表面張力，N/m；qT為內(nèi)熱源，W/m3；Cp為定壓比熱容，J/(kg·K)。

計(jì)算初始條件為各部件及空氣溫度為40℃。計(jì)算邊界條件為：（1）制動(dòng)盤摩擦面發(fā)熱功率為1 MW；（2）制動(dòng)盤旋轉(zhuǎn)速度為2 306 r/min；（3）強(qiáng)迫風(fēng)冷，走行風(fēng)速為111 m/s。

當(dāng)制動(dòng)盤最高溫度變化值小于0.001℃時(shí)，停止計(jì)算。

3 數(shù)值仿真計(jì)算結(jié)果

本文對(duì)走行風(fēng)強(qiáng)迫風(fēng)冷冷卻條件下，3種結(jié)構(gòu)形式的制動(dòng)盤的溫度特性進(jìn)行了仿真計(jì)算。

制動(dòng)盤面的溫度分布如圖2所示。從圖中可以看到，與原型制動(dòng)盤相比，改進(jìn)型1制動(dòng)盤的最高溫度下降32℃，改進(jìn)型2制動(dòng)盤的最高溫度下降75℃。通過改進(jìn)散熱筋的結(jié)構(gòu)形狀可以降低制動(dòng)盤的最高溫度，但降低效果有限；通過在制動(dòng)盤中布置熱管可以進(jìn)一步降低制動(dòng)盤的最高溫度。

圖2 制動(dòng)盤溫度分布

對(duì)于初始速度為320 km/h的高速列車制動(dòng)過程，本文對(duì)原型制動(dòng)盤和改進(jìn)型2制動(dòng)盤進(jìn)行了熱仿真。制動(dòng)盤發(fā)熱功率的分段函數(shù)如下[13]。

式中：q為制動(dòng)盤發(fā)熱功率；t為時(shí)間；r為制動(dòng)盤半徑。

圖3所示為制動(dòng)盤最高溫度隨時(shí)間的變化。由圖可知，與原型制動(dòng)盤相比，在各個(gè)時(shí)間階段，改進(jìn)型1和改進(jìn)型2制動(dòng)盤的最高溫度都更小。在整個(gè)制動(dòng)工況下，原型制動(dòng)盤的最高溫度約為730℃，改進(jìn)型1制動(dòng)盤的最高溫度約為650℃，改進(jìn)型2制動(dòng)盤的最高溫度約為500℃。仿真計(jì)算結(jié)果表明兩種改進(jìn)型制動(dòng)盤的溫度都比原型制動(dòng)盤低，并且在制動(dòng)盤中布置熱管效果更好。制動(dòng)盤中布置熱管可以有效降低制動(dòng)盤的最高溫度。從而也降低了制動(dòng)盤中的溫度梯度，減小制動(dòng)盤內(nèi)部的熱應(yīng)力，進(jìn)而改善制動(dòng)盤的疲勞壽命，延長制動(dòng)盤的使用時(shí)間。

圖3 320 km/h制動(dòng)工況下制動(dòng)盤最高溫度隨時(shí)間的變化

4 結(jié)束語

為改善高速列車制動(dòng)盤的散熱效果，本文提出了兩種改進(jìn)型制動(dòng)盤。改進(jìn)型1制動(dòng)盤在原型制動(dòng)盤的基礎(chǔ)上修改了散熱筋的結(jié)構(gòu)，改善了制動(dòng)盤的通風(fēng)散熱效果；改進(jìn)型2制動(dòng)盤不僅改進(jìn)了散熱筋的結(jié)構(gòu)，同時(shí)在制動(dòng)盤內(nèi)部布置了熱管，改善通風(fēng)散熱效果的同時(shí)，也改善了制動(dòng)盤的溫度均勻性。并且使用數(shù)值仿真方法對(duì)穩(wěn)態(tài)工況時(shí)制動(dòng)盤的溫度分布和320 km/h制動(dòng)工況下制動(dòng)盤最高溫度隨時(shí)間的變化進(jìn)行了仿真。通過數(shù)值仿真，得到如下結(jié)論。

（1）通過改進(jìn)制動(dòng)盤內(nèi)部的散熱筋結(jié)構(gòu)，可以改善制動(dòng)盤的散熱效果，降低制動(dòng)盤的最高溫度。

（2）通過在制動(dòng)盤內(nèi)部布置熱管，可以改善制動(dòng)盤的溫度均勻性，減少制動(dòng)盤的溫差，降低制動(dòng)盤的最高溫度。

（3）在走行風(fēng)111 m/s條件下，通過改進(jìn)制動(dòng)盤的散熱筋，與原型制動(dòng)盤相比，改進(jìn)型1制動(dòng)盤的最高溫度可以降低32℃。

（4）在走行風(fēng)111 ms條件下，通過改進(jìn)型制動(dòng)盤的散熱筋，同時(shí)在制動(dòng)盤內(nèi)布置熱管，與原型制動(dòng)盤相比，改進(jìn)型2制動(dòng)盤的最高溫度下降75℃。

（5）在初始速度320 km/h時(shí)的瞬態(tài)制動(dòng)工況下，不同時(shí)刻，兩種改進(jìn)型制動(dòng)盤的最高溫度均比原型制動(dòng)盤低；與原型制動(dòng)盤相比，改進(jìn)型1制動(dòng)盤的最高溫度下降約80℃，改進(jìn)型2制動(dòng)盤的最高溫度下降約130℃。