动车组轮装制动盘热力耦合有限元仿真分析.pdf
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1、第 36 卷第 4 期2023 年 10 月镇江高专学报Journal of Zhenjiang CollegeVol.36 No.4Oct.,2023动车组轮装制动盘热力耦合有限元仿真分析赵 飞(镇江高等专科学校 电气与信息(交通)学院,江苏 镇江 212028)摘 要:通过对城际动车组轮装制动盘盘体的热力耦合分析,得到制动盘盘体温度和应力在坡道连续 2 次紧急制动和全线路模拟工况下的变化规律,验证制动盘结构和材料的合理性。关键词:制动盘;热力耦合;有限元中图分类号:U260.13文献标志码:A文章编号:1008-8148(2023)04-0071-04收稿日期:2021-11-23基金项目
2、:江苏省高职院校教师专业带头人高端研修项目(苏高职培函20239 号)作者简介:赵 飞(1981),男,辽宁凤城人,高级工程师,硕士,主要从事制动和传动技术研究。设计轨道交通车辆盘式制动系统时,为验证设计结构和选用材料的合理性,热力耦合分析至关重要。车辆制动时,会瞬时产生大量的热,容易使制动盘和制动闸片产生热应力。借助有限元软件进行热力耦合分析,可通过计算找到车辆在坡道连续 2 次紧急制动工况、全线路模拟工况下制动盘温度和应力在制动过程中的变化规律,便于设计阶段验证结构和材料。盘式制动系统总体结构如图 1 所示。图 1 盘式制动系统总体结构图1 制动盘结构 为某线路城际动车组设计的制动盘结构,
3、盘体采用轮装结构形式,螺栓孔布置在盘面中间,径向设计有散热筋及传递制动力矩的传力销,组装时通过12 套螺栓紧固件及 6 个定位销连接在车轮两侧。利用三维造型软件 PRO/E 进行制动盘实体的三维结构造型,如图 2 所示。图 2 制动盘盘体三维结构造型图2 盘体有限元模型1)盘体材料性能参数。根据设计经验,制动盘盘体材料选用铸造合金钢,其中,材料抗拉强度1 050 MPa,屈服极限900 MPa。2)网格划分及加载。为同时得到制动盘温度和应力在制动过程中随时间的变化规律,需要在坡道连续 2 次紧急制动和全线路模拟工况下考核制动盘是否满足温度和应力要求,其材料是否满足使用要求。采用热力耦合方法,计
4、算中采用 1/2 盘体模型,省略不影响计算精度的小倒角,同时采用四节点热耦合四面体单元 C3D4T 进行网格划分。制动中摩擦产生的热量以热流密度形式施加于制动盘摩擦面,同时考虑车辆在运行中制动盘与空气的热交换,使仿真施加约束与车辆实际约束情况一致1-4。173 载荷计算1)热流密度。热流密度计算公式为q(t)=1 000Mav-Ma2tn(R2-r2),(1)式(1)中,q(t)为施加于轮装制动盘盘体在时间 t 时的热流密度(kWm-2),M 为车辆轴重(t),a 为车辆制动时的减速度(ms-2),n 为轮装制动盘盘面的摩擦面数,R 和 r 分别为制动闸片与轮装制动盘盘面摩擦的环形区域的外径(
5、m)和内径(m),为轮装制动盘吸收的摩擦热能所占比例5-7。2)对流换热系数。对流换热系数与导热系数不同,它与材料无关,取决于流体流动状态、流体物理性质、壁面温度、壁面几何形状8-10。由平面散热问题的传热学理论得对流换热系数Hf=0.664uLv-2p-3raL,(2)式(2)中,普朗特数 pr=0.7,空气导热系数 a=0.023 Wm-1K-1,L 为壁面长度(m),u为空气流动速 度(m s-1),空 气 运 动 黏 度 v=14.8 10-6m2s-1,忽略制动盘周围温度变化的影响,则v,pr,a为定值,Hf只与 u和 L 有关。4 温度场计算结果4.1 坡道连续 2 次紧急制动(工
6、况 1)根据表 1 参数计算轮装制动盘热流密度和热交换系数,并进行相应的求解设置,对制动盘盘体进行热力耦合仿真分析。表 1 坡道连续 2 次紧急制动工况计算参数参数名称参数值制动初速度/kmh-1140坡度/%3初始温度/20轴重/t16.5紧急制动减速度/ms-21.12图 3图 9 分别为制动盘盘体盘面、背面及加强筋部位的温度分布云图。制动过程中,第 1 次制动开始时制动盘的盘面温度上升较快,大约在 30 s达到最高,为 185.2,而后再加速,在此过程中盘面与空气对流换热及盘体内部进行热传导,故制动盘热量均匀化而最高温度逐渐下降,直到 140.7,然后,在此基础上开始第 2 次制动,与第
7、 1 次制动相似,开始时盘面温度急剧上升,大约在 30 s 达到最高,为 298.6,随后逐渐下降。直到制动结束温度基本稳定在 261.7。开始制动时因热量来不及传递,盘面温度成面状分布,整个摩擦面温度都比较高。随着制动力的增加制动盘进行热传导且与空气进行热交换,整个盘体温度趋于稳定。图3 工况1 第1 次制动温度达到最高时温度分布云图(盘面)图4 工况1 第1 次制动温度达到最高时温度分布云图(背面)图 5 工况 1 第 2 次制动开始前温度分布云图图6 工况1 第2 次制动温度达到最高时温度分布云图(盘面)27图7 工况1 第2 次制动温度达到最高时温度分布云图(背面)图 8 工况 1 制
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