基于有限元的地鐵車輛熱負荷計算分析

張 昕，孔德鵬，王超恒，宋傳云，刁有彬，張維坤

(1.中車青島四方車輛研究所有限公司 制動事業部，山東 青島 266031； 2.中車青島四方車輛研究所有限公司 市場部，山東 青島 266031)

長期以來，采用空氣制動作為地鐵車輛緊急(安全)制動一直沒有改變。由于緊急制動作用迅猛，施加了全部制動能力，因此軸制動功率高，制動過程產生的熱量大。踏面閘瓦承擔熱負荷的能力決定了地鐵車輛能否采用踏面制動形式。本文通過對某A型地鐵車輛典型制動工況的有限元熱分析計算，為最高運行速度在80 km/h及以下的地鐵車輛制動選型設計、使用維護等提供參考。

1 地鐵車輛參數及典型制動工況

1.1 地鐵車輛參數

表1為熱分析計算涉及的地鐵車輛相關參數配置表。

表1 車輛參數配置表

1.2 典型制動工況

在車輛參數確定的情況下，車輛輪徑、牽引加速度、制動減速度、停站時間等直接影響熱容量計算結果[1]。考慮可能出現的極限情況，一般按照全磨耗輪分別對施加純空氣最大常用全制動模擬運營工況及連續3次緊急制動工況進行熱計算[2]。表2為3種地鐵車輛制動計算工況。

表2 地鐵車輛制動計算工況

1.3 計算初始條件

表3為熱計算中環境溫度、平均加速度等計算初始條件。

表3 計算初始條件

1.4 運行圖

以國內某典型地鐵運行圖為計算輸入條件，單程共設置32站，相鄰兩站之間站間距均不相同，其中最長站間距為3 394 m，最短站間距為542 m，相鄰兩站之間的停站時間按照30 s計算，終點站折返時間按照120 s計算。

2 計算

2.1 計算過程設置

利用ANSYS軟件進行模擬仿真計算，計算過程做了如下假設和簡化：

(1) 制動時車輛動能完全轉化為熱能，無其他形式的能量轉化。

(2) 轉化的熱能完全由車輪吸收和散逸，不考慮閘瓦吸收熱量及散熱。

盡管有機合成閘瓦為熱的不良導體，但實際制動過程中，閘瓦磨耗產生的高溫磨屑及閘瓦自身熱散逸均會帶走制動過程中產生的部分熱量，簡化計算時將這部分熱量加載到踏面上全部由車輪吸收和散逸，因此計算出的踏面最高溫度肯定高于去除閘瓦散逸后的實際制動溫度。如果采用上述方法計算得出的踏面溫度依然在可接受范圍內，則實際的安全裕量會更大。

2.2 計算標準

TB/T 3196—2008《機車用合成閘瓦》、TB/T 2403—2010《鐵道貨車用合成閘瓦》中有關閘瓦熱容量的規定為：閘瓦在1∶1 制動動力試驗臺上進行各種規定程序試驗時，車輪踏面局部溫度不應超過400 ℃。CZJS/T 0006—2015《城市軌道交通車輛電空制動系統裝車后的試驗規則》中關于制動熱容量的要求為：“試驗應在列車超員載重(AW3)狀態下進行。試驗前切除列車電制動，列車按運行圖運行一個往返，測試踏面、閘瓦表面溫度，其表面溫度不應大于350 ℃”。因此，本文以踏面表面溫度不超過350 ℃作為判定閘瓦熱容量是否合格的標準。

3 計算結果及分析

利用三維建模軟件進行車輪的實體造型和有限元分析軟件ANSYS進行熱-機耦合仿真計算。加載時踏面為熱載荷面，兩側面為散熱面，針對特定工況確定載荷步并進行加載。

3.1 計算結果

3.1.1 工況1

工況1踏面溫升-時間曲線和車輪溫度場云圖如圖1所示。工況1計算結果顯示，本工況歷時約129 s，踏面溫度自起始溫度30 ℃升至最高224 ℃，該溫度低于踏面允許的極限溫度(350 ℃)，其中，車輪踏面溫度最高值出現在第3次緊急制動過程中。

圖1 工況1踏面溫升-時間曲線和車輪溫度場云圖

3.1.2 工況2

工況2踏面溫升-時間曲線和車輪溫度場云圖如圖2所示。工況2計算結果顯示，本工況共施加制動62次，歷時約6 835 s完成，踏面溫度自起始溫度30 ℃升至最高391 ℃，該溫度高于踏面允許的極限溫度(350 ℃)。其中，車輪踏面溫度最高值出現在施加第40次制動后的第4 301 s。

圖2 工況2踏面溫升-時間曲線和車輪溫度場云圖

3.1.3 工況3

工況3踏面溫升-時間曲線和車輪溫度場云圖如圖3所示。工況3計算結果顯示，本工況共施加制動62次，歷時約7 232 s完成，踏面溫度自起始溫度30 ℃升至最高259 ℃，該溫度低于踏面允許的極限溫度(350 ℃)。其中，車輪踏面溫度最高值出現在施加第38次制動后的第4 304 s。

圖3 工況3踏面溫升-時間曲線和車輪溫度場云圖

3.2 溫升曲線分析

(1) 施加制動過程中，列車動能持續轉化為熱能并被車輪吸收和散逸。當列車速度高于40 km/h時，熱量轉化速率高于車輪散逸的速率，因此踏面溫度逐漸升高；當列車速度低于30 km/h時，熱量轉化速率低于車輪散逸的速率，因此踏面溫度逐漸降低。

(2) 站間距越長，熱量散逸越多，單次制動后踏面溫度下降越多，當站間距足夠長時，踏面溫度會低于本次制動起始溫度。

(3) 停站時間越長，熱量散逸越多，單次制動后踏面溫度下降越多。

(4) 整個制動過程前期階段，踏面吸熱效率明顯高于踏面散熱效率，踏面溫升較快。制動過程中后期，踏面吸熱效率與散熱效率趨于平衡，踏面溫升速率明顯變緩。

3.3 溫度場云圖分析

(1) 制動產生的熱量全部集中在輪輞、輪輻部分，其中，溫度高于200 ℃的區域幾乎全部集中在輪輞部分，說明制動過程中輪輞吸收并散逸了絕大部分的熱量；

(2) 溫度梯度是由踏面向輪轂方向遞減的，制動過程中踏面上的溫度最高，車輪其他部位的溫度均比踏面位置的溫度低。

4 結論及建議

(1) 采用踏面制動、最高運行速度80

km/h及以下的A型地鐵車輛，在AW3載荷工況下連續3次施加緊急制動，踏面溫度均低于允許極限溫度(350 ℃)。

(2) 采用踏面制動、最高運行速度80 km/h及以下的A型地鐵車輛，在AW2載荷工況下每站施加純空氣最大常用制動模擬運營一個往返，踏面最高溫度達391 ℃，高于允許極限溫度(350 ℃)。

(3) 采用踏面制動、最高運行速度80 km/h及以下的A型地鐵車輛，在AW3載荷限速60 km/h工況下每站施加純空氣最大常用制動模擬運營一個往返，踏面最高溫度達259 ℃，低于允許極限溫度(350 ℃)。

(4) 制動過程中踏面上的溫度最高，出現熱損傷的概率更高，因此，建議地鐵車輛使用過程中定期進行踏面狀態檢查。

(5) 地鐵列車實際運營時，如果經常施加純空氣最大常用制動，可能會引起踏面溫度不斷升高甚至超過允許的溫度極限，容易導致踏面剝離、熱裂紋、異常磨耗等問題的發生，導致閘瓦摩擦性能減退，增加閘瓦磨耗。