一種基于熱管的制動盤散熱優化的數值仿真研究

袁 磊，李 康，閻 凱，蔡 歡，閆春霆

（中車大連機車研究所有限公司，遼寧大連 116000）

0 引言

制動盤是車輛制動系統的核心部件，制動盤的可靠性對車輛的行車安全起到至關重要的作用[1]。

從車輛制動性能的穩定性和安全性的角度，要求制動盤和制動閘片構成的制動摩擦副給出的摩擦力是穩定的。給出穩定的摩擦力的前題，一是制動材料的力學性能對溫度變化不敏感，二是摩擦副的接觸面不發生變化。制動盤表面溫度和盈利的分布關系到制動盤的壽命，而制動閘片的結構是影響制動盤表面溫度和盈利的關鍵因素，在盤形制動中，制動盤及閘片的結構與材料均對制動盤溫度場和應力場有顯著的影響[2-4]。

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

因此，改進盤面溫度分布均勻程度，達到降低峰值溫度的目的，就成為提高制動性能可靠性和制動盤壽命的一個重要方向[8-10]。

有研究表明，熱管具有改善溫度均勻性的效果[11-12]。本文提出兩種改進制動盤散熱效果的結構。改進型1制動盤在原型制動盤的基礎上改進散熱筋的結構，改進型2制動盤不僅改進散熱筋，而且在制動盤內布置熱管，以改善制動盤的溫度均勻性。

1 制動盤的結構

制動盤的結構，尤其是散熱筋的結構對制動盤的散熱特性具有重要影響。制動盤的結構示意圖如圖1所示。由圖可知，原型制動盤采用圓柱形散熱筋，如圖1（a）所示；改進型1制動盤采用長條形、菱形柱、三角柱組合式散熱筋，如圖1（b）所示；改進型2制動盤在改進型1制動盤的基礎上，增加布置了熱管，如圖1（c）所示。

圖1 制動盤結構

2 數值仿真計算方法

本文采用計算流體動力學計算方法，對制動盤的散熱特性進行數值仿真計算。空氣流動使用k-ε雙方程湍流模型。

計算中進行如下假設和簡化：

（1）空氣流動為不可壓流體流動；

（2）不考慮溫度變化引起的空氣密度變化；

（3）制動盤為各相同性固體。

在此假設和簡化的基礎上，在直角坐標系下建立矢量形式的流體連續性方程和動量方程如下：

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

固體結構遵守能量守恒方程：

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

空氣能量方程：

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

計算初始條件為各部件及空氣溫度為40℃。計算邊界條件為：（1）制動盤摩擦面發熱功率為1 MW；（2）制動盤旋轉速度為2 306 r/min；（3）強迫風冷，走行風速為111 m/s。

當制動盤最高溫度變化值小于0.001℃時，停止計算。

3 數值仿真計算結果

本文對走行風強迫風冷冷卻條件下，3種結構形式的制動盤的溫度特性進行了仿真計算。

制動盤面的溫度分布如圖2所示。從圖中可以看到，與原型制動盤相比，改進型1制動盤的最高溫度下降32℃，改進型2制動盤的最高溫度下降75℃。通過改進散熱筋的結構形狀可以降低制動盤的最高溫度，但降低效果有限；通過在制動盤中布置熱管可以進一步降低制動盤的最高溫度。

圖2 制動盤溫度分布

對于初始速度為320 km/h的高速列車制動過程，本文對原型制動盤和改進型2制動盤進行了熱仿真。制動盤發熱功率的分段函數如下[13]。

式中：q為制動盤發熱功率；t為時間；r為制動盤半徑。

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

圖3 320 km/h制動工況下制動盤最高溫度隨時間的變化

4 結束語

為改善高速列車制動盤的散熱效果，本文提出了兩種改進型制動盤。改進型1制動盤在原型制動盤的基礎上修改了散熱筋的結構，改善了制動盤的通風散熱效果；改進型2制動盤不僅改進了散熱筋的結構，同時在制動盤內部布置了熱管，改善通風散熱效果的同時，也改善了制動盤的溫度均勻性。并且使用數值仿真方法對穩態工況時制動盤的溫度分布和320 km/h制動工況下制動盤最高溫度隨時間的變化進行了仿真。通過數值仿真，得到如下結論。

（1）通過改進制動盤內部的散熱筋結構，可以改善制動盤的散熱效果，降低制動盤的最高溫度。

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

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

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

（5）在初始速度320 km/h時的瞬態制動工況下，不同時刻，兩種改進型制動盤的最高溫度均比原型制動盤低；與原型制動盤相比，改進型1制動盤的最高溫度下降約80℃，改進型2制動盤的最高溫度下降約130℃。