制動盤熱散逸與致阻力研究

陳磊

摘?要：制動盤為制動摩擦副中承擔(dān)熱負(fù)荷的重要部件。在制動工況時期望制動盤通風(fēng)能力越強越好，在非制動工況時制動盤通風(fēng)現(xiàn)象會引起空氣阻力，消耗牽引功率。研究了制動盤熱散逸和致阻力的計算方法，基于葉片型散熱筋結(jié)構(gòu)制動盤進行了仿真計算，得到了制動盤熱散逸和致阻力的規(guī)律，為進一步研究制動盤熱散逸和致阻力均衡匹配研究提供研究路徑。

關(guān)鍵詞：制動盤;熱散逸;空氣阻力;流場;溫度場

中圖分類號：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

任何載運工具都離不開制動系統(tǒng)，對軌道車輛而言，制動系統(tǒng)最重要的使命是要確保安全。隨著技術(shù)進步，軌道車輛采用的制動方式越來越豐富，從傳統(tǒng)純機械驅(qū)動的踏面制動、盤形制動到越來越依賴電能（機）的電阻制動、再生制動、磁軌制動、渦流制動等[1]。這些涉“電”制動方式往往由于其本身的特點，使得它們不能或難以成為軌道車輛的安全制動方式。時至今日，踏面制動或盤形制動這種摩擦制動仍是被普遍接受的軌道車輛安全制動方式，制動時通過摩擦副摩擦生熱將列車動能轉(zhuǎn)化為熱能，實現(xiàn)列車能量的轉(zhuǎn)移，產(chǎn)生列車制動減速作用[2]。摩擦副在摩擦生熱過程中會產(chǎn)生熱累積，熱累積到一定程度會產(chǎn)生熱疲勞，致使制動盤失效[3][6]。目前大多采用帶有通風(fēng)能力的加強筋制動盤，制動盤處于一定流速的流場環(huán)境中，空氣流動會帶走一部分制動熱量[7][8]。因此在制動時期望制動盤通風(fēng)能力越強越好，關(guān)于制動盤通風(fēng)能力散熱筋的設(shè)計與分析已經(jīng)有學(xué)者進行了研究[9][13]。列車非制動工況時制動盤通風(fēng)現(xiàn)象仍然存在，必定會引起空氣阻力，消耗牽引功率[14][15]。這就造成了制動工況和非制動工況對制動盤通風(fēng)能力的要求不同。基于此，本文研究了制動盤熱散逸和致阻力的計算方法，為進一步研究制動盤熱散逸和致阻力均衡匹配研究提供研究路徑。

1?制動盤熱逸散和致阻力的研究方法

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

2?制動盤泵風(fēng)效應(yīng)及致阻力仿真計算

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

2.1?制動盤模型和流場模型

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

2.2?計算方法與結(jié)果

2.2.1?對流散熱系數(shù)

制動過程中，對流換熱系數(shù)隨時間的變化曲線如圖5所示，t=43s時刻制動盤表面對流換熱系數(shù)如圖6所示。

2.2.2?散熱功率

將制動盤表面對流換熱系數(shù)變化曲線代入ABAQUS進行制動過程中制動盤溫度場計算，得到緊急制動下制動盤溫度隨時間變化曲線如圖8所示。制動盤整體散熱功率如圖9所示。t=43s時刻溫度場如圖10所示。

2.2.3?泵風(fēng)功率

在緊急制動的過程中，制動盤結(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

本文研究制動盤熱散逸和致阻力的計算方法，以葉片型散熱筋結(jié)構(gòu)制動盤進行了仿真計算，總結(jié)如下：（1）隨著制動過程的發(fā)展，對流換熱系數(shù)值逐漸減小，其CFD計算值與經(jīng)驗公式值誤差小于10%;（2）隨著速度逐漸減小，制動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。

參考文獻：

[1]饒忠.列車制動[M].第2版.北京：中國鐵道出版社，2010：912.

[2]夏寅蓀.速度達350km/h及以上的高速列車非黏著制動裝置的研究[J].城市軌道交通研究，2016，19（10）：36.

[3]王文靜，謝基龍，李強，等.鐵路列車制動盤常用材料的熱疲勞性能研究[J].機械工程材料，2005，29（02）：4058.

[4]楊月，謝基龍.高速客車SiCp/A356鋁基制動盤材料的熱疲勞裂紋形成與擴展試驗研究[J].鐵道學(xué)報，2007（05）：4347.

[5]Li?ZQ，Han?JM，Yang?ZY，et?al.The?effect?of?braking?energy?on?the?fatigue?crack?propagation?in?railway?brake?discs[J].Engineering?Failure?Analysis，2014，44：272284.

[6]Wu?SC，Zhang?SQ，Xu?ZW.Thermal?crack?growthbased?fatigue?life?prediction?due?to?braking?for?a?highspeed?railway?brake?disc[J].International?Journal?of?Fatigue，2016，87（Jun.）：359369.

[7]金星，張永恒，王良璧，等.高速列車制動盤表面對流傳熱特性[J].科學(xué)通報，2015，60（23）：22452252.

[8]任慧芳.高速列車制動盤傳熱特性及熱負(fù)荷的數(shù)值研究[D].蘭州交通大學(xué)，2019.

[9]Tirovic'?M.Energy?thrift?and?improved?performance?achieved?through?novel?railway?brake?discs[J].Applied?Energy，2009，86（3）：317324.

[10]GalindoLpez?CH，Tirovic'?M.Maximising?heat?dissipation?from?ventilated?wheelhubmounted?railway?brake?discs[J].Proceedings?of?the?Institution?of?Mechanical?Engineers，Part?F：Journal?of?Rail?and?Rapid?Transit，2012，227（3）：269285.

[11]Rajagopal?TKR，Ramachandran?R，James?M，et?al.Numerical?investigation?of?fluid?flow?and?heat?transfer?characteristics?on?the?aerodynamics?of?ventilated?disc?brake?rotor?using?CFD[J].Thermal?Science，2014，18（2）：667675.

[12]潘利科，韓建民，李志強，等.列車制動盤通風(fēng)散熱的數(shù)值仿真[J].北京交通大學(xué)學(xué)報，2015，39（01）：118124.

[13]黃晨.高速列車扇形柱直肋制動盤內(nèi)部通道傳熱特性的實驗研究[D].蘭州交通大學(xué)，2018.

[14]左建勇，羅卓軍.高速列車制動盤泵風(fēng)效應(yīng)分析[J].交通運輸工程學(xué)報，2014，14（02）：3440.

[15]Luo?ZJ，Zuo?JY.Conjugate?heat?transfer?study?on?a?ventilated?disc?of?highspeed?trains?during?braking[J].Journal?of?Mechanical?Science?and?Technology，2014，28（5）：18871897.