膠輪客車制動盤的結(jié)構(gòu)設(shè)計及材料選擇

杜建華，鹿峰凱，翟 翚

（南京中車浦鎮(zhèn)海泰制動設(shè)備有限公司，江蘇 南京 211800）

0 引言

膠輪客車是一種采用單軌導(dǎo)向，膠輪走行的新型交通工具，是有軌電車的一種，其制動系統(tǒng)采用電氣混合制動方式，電制動優(yōu)先，電制動不足時進行氣制動補充；電制動失效時，可以采用純空氣制動。

膠輪客車具有爬坡能力強 （最大可達13%的坡道），制動減速度大等優(yōu)點，能良好地適應(yīng)城市復(fù)雜線路。但膠輪客車在具有優(yōu)越爬坡能力同時，也面臨著長大坡道下坡問題。車輛在長大坡道上下坡時，必須施加制動以抑制車輛速度的增加，以確保車輛運行的安全。

本文針對膠輪客車在長大坡道下坡過程中制動盤的熱特性進行分析，并從結(jié)構(gòu)設(shè)計及材料選擇上提高制動盤性能，以適應(yīng)車輛長大坡道的運營需求。

1 膠輪客車坡道制動特性

制動系統(tǒng)設(shè)計成功與否的關(guān)鍵，在于制動時采用什么方式將巨大的動能轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌芰坎⑻幚淼簟ｉL大坡道因巨大勢能的存在，對制動系統(tǒng)設(shè)計提出更為苛刻的要求。

1.1 假設(shè)工況

膠輪客車采用電制動和摩擦制動混合制動方式，電制動優(yōu)先，電制動不足或者電制動失效時，采用摩擦制動進行補充。電制動完全失效，抑速制動全有摩擦制動承擔(dān)。

純摩擦制動時，摩擦熱能基本都被制動盤吸收，會造成制動盤的溫升，連續(xù)坡道下坡時，制動盤溫升逐漸增大，最終可能導(dǎo)致制動失效。故以純摩擦制動工況進行分析。

1.2 坡道下坡摩擦制動功率

車輛在長大坡道以恒速下坡時所需制動功率Ni為：

其中，v—車輛速度（km/h）；m—車輛總質(zhì)量（kg）；g—重力加速度；i—坡道坡度；0.997為車輛運行阻力系統(tǒng)。

車輛在下坡運行并準(zhǔn)備進站停車時，瞬時所需制動功率N為：

其中1.08—轉(zhuǎn)動慣量系數(shù)；a—車輛制動減速度。

膠輪客車的基本參數(shù)如表1所示。

表1 膠輪客車的基本參數(shù)Tab.1 Basic parameters of Rubber-tyred coach

經(jīng)計算，下坡時所需的制動功率Ni為1242kw；準(zhǔn)備進站停車時，最大瞬時制動功率N為6506kw。

制動功率越大則單位時間內(nèi)產(chǎn)熱量就越大；所有這熱量有約90%由制動盤吸收再散熱發(fā)到空氣中，這個過程中制動盤會溫升，當(dāng)溫升高到材料使用極限溫度時，制動盤磨損會加大，導(dǎo)致熱裂紋、熱斑或者剝離出現(xiàn)。故制動設(shè)計時，要對制動盤進行溫升評估和熱容量分析。

2 仿真分析

利用Abaqus仿真軟件對在長大坡道工況下的制動盤進行熱容量分析，將制動功率用另外一種形式—“熱流密度”加載進模型中進行模擬計算。

熱流密度公式為：

式中，q（t）—t時刻加載于制動盤面的熱流密度（kw/m2）；M—軸重（t）；a—制動減速度（m/s2）；n—摩擦面數(shù)；η—制動盤吸收的摩擦熱能所占的比例；R和r為摩擦面外徑和內(nèi)徑（m）。

2.1 仿真分析方法

制動盤盤體材料以HT250為例，收集獲取材料參數(shù)、車輛參數(shù)及工況，通過這些參數(shù)推導(dǎo)出熱流密度、對流換熱系數(shù)，用于加載到仿真計算的邊界條件中，見表2。

表2 HT250材料參數(shù)隨溫度變化關(guān)系表Tab.2 Material parameters variation of with temperature

利用三維造型軟件進行制動盤的實體建模，利用Abaqus進行幾何清理和網(wǎng)格劃分，并作為求解器，導(dǎo)入相關(guān)邊界條件，進行熱力耦合分析，計算并描述出工況下溫度曲線及云圖，見圖1。

圖1 制動盤的實體模型及網(wǎng)格圖Fig.1 Solid model and grid diagram of brake disc

2.2 坡道下行抑速行駛及制動停車仿真分析結(jié)果

在工況 （坡道下行，最高速度80km/h，100%摩擦制動，單個盤承擔(dān)軸重5.5t，摩擦制動理論減速度5m/s2，坡道13%，坡道長度為1.41km，加速度1.3m/s2）下，仿真分析結(jié)果如圖2、圖3所示。

圖2 溫度曲線Fig.2 Temperature curve

圖3 溫度云圖Fig.3 Temperature nephogram

由圖2、3可以看出，時速80km/h坡道下坡時，靠摩擦制動進行抑速制動，則制動盤的溫升會很大，當(dāng)運行15s，運行距離約330米時，制動盤溫度已經(jīng)上升到400℃；當(dāng)坡道運行到坡地時，理論溫度已經(jīng)超過千度，再加上緊急制動停車的會使制動盤溫升再增加約350℃。

2.3 坡道下行緊急制動停車仿真分析結(jié)果

在工況（坡道下行，最高速度80km/h，100%摩擦制動，單個盤承擔(dān)軸重5.5噸，摩擦制動理論減速度5m/s，坡道13%，加速度1.3m/s）下，仿真分析結(jié)果如圖4所示。

圖4 溫度曲線（左）及云圖（右）Fig.4 Temperature curve （left） and nephogram （right）

由上述分析結(jié)果可知，在工況下，二次緊急制動工況后，制動盤的最高溫度約為484℃，鑄鐵盤允許最高溫度為400℃，因此該制動盤在該工況下使用，已經(jīng)超過制動盤允許的最高溫度要求。

3 制動盤優(yōu)化設(shè)計

制動盤的承熱和散熱性能不足，可以通過改變材料，提高制動盤的承熱能力；通過調(diào)整散熱筋的結(jié)構(gòu)，改善制動盤的散熱性能。

3.1 制動盤材料

目前使用制動盤材料有鑄鋼、鍛鋼、灰鑄鐵、蠕墨鑄鐵、鋁合金。其中城際車、動車、高鐵多采用鑄鋼、鍛鋼；地鐵、城際車輛多采用灰鑄鐵、蠕墨鑄鐵，也有部分采用鋁合金；低地板車輛多采用灰鑄鐵。各材料的制動盤應(yīng)用速度范圍如圖5所示。

圖5 不同材料制動盤應(yīng)用速度范圍Fig.5 Different materials of brake disc application speed range

材料特性主要體現(xiàn)楊氏模量、線膨脹系數(shù)、導(dǎo)熱系數(shù)、比熱容等參數(shù)的變化；不同材料的承受溫度極限有所不同，如鑄鐵約400℃，鋼約550℃，鋁合金約為375℃，碳纖維為 1000～2000℃。

第2節(jié)分析中，制動盤溫度已經(jīng)超過400℃，故應(yīng)選用耐溫更高的材料，如可以采用鑄鋼材料。

3.2 散熱筋結(jié)構(gòu)

散熱筋的主要作用是通風(fēng)散熱，但在不制動時，由于制動盤具有泵風(fēng)特性也要消耗一部分功率，稱為泵風(fēng)功率或通風(fēng)損耗功率。泵風(fēng)功率和速度成正比關(guān)系。如圖6所示。若散熱筋的結(jié)構(gòu)設(shè)計合理，能在不加大泵風(fēng)功率的同時，達到最大的散熱效果，從而提高制動盤的性能。

圖6 某制動盤的制動功率與泵風(fēng)功率關(guān)系、散熱筋形狀與泵風(fēng)關(guān)系Fig.6 Relationship between braking power and pum p power，Relationship between heat dissipation rib shape and pum p w ind of a disc

SABWabco公司曾進行大量并得到很多數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)表明不同的散熱筋形狀及其排布對泵風(fēng)功率有很大的影響。其中混合型的相對散熱效果更優(yōu)，見圖7。

圖7 散熱筋結(jié)構(gòu)Fig.7 Radiating rib structure

4 優(yōu)化后仿真結(jié)果

優(yōu)化制動盤結(jié)構(gòu)、散熱筋，并將制動盤材料替換為鑄鋼材料后，重新計算出熱流密度、對流換熱系數(shù)，實體建模，在2.3節(jié)相同工況下進行仿真，得到的結(jié)果如圖8所示。

由上述分析結(jié)果可知，在同樣的制動工況下，二次緊急制動后制動盤的溫度最高為385℃，比優(yōu)化前溫度（480℃）要低約95℃，同時鑄鋼的耐熱溫度可達600℃，優(yōu)化后制動盤有了充裕的熱容量。

由此可見，通過結(jié)構(gòu)設(shè)計 （散熱筋）和材料選擇，可以優(yōu)化設(shè)計出適應(yīng)長大坡道工況的制動盤。

圖8 優(yōu)化后的溫度云圖Fig.8 emperature nephogram after optimization

5 結(jié)論

通過本文的分析討論，可以得出以下結(jié)論：

（1）鑄鐵材料不能滿足膠輪客車長大坡道的運營需求，可以通過將材料替換為鑄鋼材料，提高制動盤的承熱能力。

（2）通過優(yōu)化散熱筋結(jié)構(gòu)，可以提高制動盤散熱性能，降低溫升。

綜上，可以通過材料選型及結(jié)構(gòu)優(yōu)化，設(shè)計出可以滿足膠輪客車在坡道運營所需的制動盤。