馮光旭

中車長(zhǎng)春軌道客車股份有限公司

列車盤(pán)式制動(dòng)器熱流固耦合性能分析與研究

馮光旭

中車長(zhǎng)春軌道客車股份有限公司

基于傳統(tǒng)的熱-固耦合的分析研究，本文旨在探討熱-流-固耦合性能分析。在加入流場(chǎng)屬性分析并修正以后所得出的計(jì)算結(jié)果中，節(jié)點(diǎn)溫度的峰值相比熱-固耦合有所減小且更符合熱功率趨勢(shì)，說(shuō)明利用傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)公式所計(jì)算出來(lái)的結(jié)果相對(duì)保守。所以為了進(jìn)一步對(duì)制動(dòng)盤(pán)進(jìn)行優(yōu)化與性能提升，熱流固耦合分析要相對(duì)來(lái)說(shuō)更具指導(dǎo)意義。

熱流固耦合；制動(dòng)盤(pán)

1　制動(dòng)盤(pán)的熱分布

車輛施加機(jī)械制動(dòng)后，熱流在制動(dòng)盤(pán)與閘片的接觸面產(chǎn)生，隨即接觸面的溫度開(kāi)始升高。但隨著制動(dòng)盤(pán)的轉(zhuǎn)動(dòng)，接觸區(qū)域不斷變化，進(jìn)而制動(dòng)盤(pán)摩擦面熱量分布區(qū)域由制動(dòng)施加時(shí)的接觸區(qū)隨著制動(dòng)盤(pán)旋轉(zhuǎn)的第一周內(nèi)擴(kuò)展至整個(gè)盤(pán)面(圓周接觸區(qū))。隨著制動(dòng)過(guò)程的持續(xù)，制動(dòng)盤(pán)上的熱區(qū)域由圓周接觸區(qū)擴(kuò)展至整個(gè)制動(dòng)盤(pán)面。同時(shí)，熱區(qū)溫度繼續(xù)升高，并在圓周方向上溫度趨于穩(wěn)定。后期將使用實(shí)車的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，如速度曲線、制動(dòng)力曲線、制動(dòng)減速度曲線、閘片摩擦系數(shù)曲線以及閘片壓力對(duì)分析結(jié)果進(jìn)行修正，完成熱計(jì)算基礎(chǔ)。

雖然高速旋轉(zhuǎn)的制動(dòng)盤(pán)不僅要承受熱應(yīng)力，還要承受離心應(yīng)力、振動(dòng)載荷和閘片的壓力。但是通過(guò)分析上述結(jié)論可以得出，制動(dòng)盤(pán)溫度越高的區(qū)域應(yīng)力也越高，顯然熱應(yīng)力對(duì)制動(dòng)盤(pán)應(yīng)力貢獻(xiàn)最大。

根據(jù)熱應(yīng)力的計(jì)算方程： ，其表達(dá)了溫度與熱應(yīng)力的線性關(guān)系，但上述結(jié)果并未按照線性規(guī)律發(fā)展而來(lái)，所以可以得出一個(gè)重要結(jié)論：即溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)會(huì)相互影響、雙向耦合，并非溫度-應(yīng)力單方面影響。即，溫度場(chǎng)的作用下結(jié)構(gòu)場(chǎng)區(qū)域會(huì)產(chǎn)生變形，造成摩擦接觸面變化；進(jìn)而，結(jié)構(gòu)場(chǎng)的變形也會(huì)作用到溫度場(chǎng)產(chǎn)的變化。

2　動(dòng)態(tài)流場(chǎng)分析

通過(guò)得到制動(dòng)盤(pán)環(huán)境流場(chǎng)發(fā)展歷程3D云圖。制動(dòng)盤(pán)的環(huán)境流場(chǎng)經(jīng)歷了一個(gè)發(fā)展范圍逐漸擴(kuò)大，尾跡愈發(fā)不規(guī)則的湍流流動(dòng)過(guò)程，不過(guò)由于湍流已得到充分發(fā)展，尾跡的范圍不再擴(kuò)展。盡管其流動(dòng)速度的幅值不穩(wěn)定，內(nèi)流體團(tuán)速度矢量隨機(jī)無(wú)規(guī)律變化，但是熱流體的總體軌跡依然可以從周圍環(huán)境流體中分辨出來(lái)。其間熱場(chǎng)與流體場(chǎng)的相互影響非常劇烈，且尾跡幾何狀態(tài)依然隨時(shí)間隨機(jī)無(wú)規(guī)律地，類似湍流形態(tài)的不斷變化，如下圖1：

圖1

3　對(duì)流換熱系數(shù)修正后的熱固耦合分析

參照摩擦面上溫度隨時(shí)間變化的曲線，在摩擦局域內(nèi)，絕對(duì)溫度經(jīng)歷了一個(gè)初始急劇上升、隨后逐漸上升以、然后逐漸下降的過(guò)程以及最后區(qū)域穩(wěn)態(tài)的過(guò)程，這一過(guò)程與客觀事實(shí)相符，因?yàn)橹苿?dòng)熱功率起初急劇上升到較高水平，隨后進(jìn)入平穩(wěn)下降過(guò)程，最后降低。實(shí)際上，在整個(gè)制動(dòng)過(guò)程中，制動(dòng)盤(pán)的表面溫度先是處于環(huán)境溫度之下(或基本與環(huán)境溫度相同)，制動(dòng)盤(pán)的旋轉(zhuǎn)角速度為最大值，摩擦區(qū)域線速度為最大值。所以制動(dòng)熱功率在初始時(shí)刻最大，相應(yīng)的流場(chǎng)速度對(duì)對(duì)流換熱系數(shù)的影響在此刻亦為最大，流場(chǎng)對(duì)熱場(chǎng)能量散失貢獻(xiàn)也最大；隨著制動(dòng)進(jìn)程，制動(dòng)盤(pán)轉(zhuǎn)速慢慢下降，因此產(chǎn)熱功率逐漸下降；流場(chǎng)速度也隨之下降，故而散熱速度下降?；谏鲜龆ㄐ苑治?，可以預(yù)測(cè)的是制動(dòng)盤(pán)表面的節(jié)點(diǎn)溫度會(huì)在某一時(shí)刻達(dá)到極值，隨后逐漸下降區(qū)域穩(wěn)定，與分析的趨勢(shì)相符。連續(xù)制動(dòng)或變級(jí)位制動(dòng)的情況暫未考慮。

與上文的溫度時(shí)間歷程曲線相比，在對(duì)對(duì)流換熱系數(shù)進(jìn)行修正之后，曲線出現(xiàn)了峰值，隨后溫度有所降低。而且在制動(dòng)的過(guò)程中各個(gè)點(diǎn)的溫度在經(jīng)由初始時(shí)刻的環(huán)境溫度之后開(kāi)始逐漸上升，需要注意的是實(shí)際上各個(gè)節(jié)點(diǎn)溫度的增加速度并不一致，這就造成了節(jié)點(diǎn)溫度的差異越來(lái)越大，較為符合實(shí)際情況。隨著制動(dòng)過(guò)程的繼續(xù)進(jìn)行，各個(gè)節(jié)點(diǎn)的溫度又趨于一致，這是符合以往制動(dòng)熱容量測(cè)試數(shù)據(jù)的。這說(shuō)明在經(jīng)修正后的模型能夠更為準(zhǔn)確地反映溫度隨時(shí)間變化的過(guò)程，以及最后穩(wěn)態(tài)，因此經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)輔助分析計(jì)算得出的對(duì)流換熱系數(shù)要更具應(yīng)用價(jià)值。

4　依托試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)比與修正

在最初以一個(gè)等效制動(dòng)盤(pán)以及流場(chǎng)模型基礎(chǔ)上，將以往的試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)作為主要邊界條件，可以得到相對(duì)準(zhǔn)確的分析結(jié)果。比如，制動(dòng)閘片的摩擦系并非常數(shù)，而是隨著制動(dòng)過(guò)程變化，因此實(shí)際輸出制動(dòng)力也在變化，如圖2：

圖2 曲線1為實(shí)際輸出制動(dòng)力

因此，在完成通用化、模塊化分析工具后，還需要大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)為支撐。不僅需要更多實(shí)測(cè)試驗(yàn)數(shù)據(jù)作為邊界來(lái)完善耦合計(jì)算時(shí)等效邊界條件參數(shù)設(shè)定，用以不斷優(yōu)化經(jīng)驗(yàn)公式和分析工具；而且更需要大量的車下空氣動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)、制動(dòng)盤(pán)熱容量試驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)修正分析計(jì)算結(jié)果，使之提高精度接近真實(shí)情況。

5　結(jié)語(yǔ)

由于軌道客車的轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)布置相對(duì)固定，因此可以將制動(dòng)盤(pán)相應(yīng)基礎(chǔ)制動(dòng)裝置和制動(dòng)盤(pán)的對(duì)流環(huán)境用等效模型表達(dá)，同時(shí)基于上述對(duì)制動(dòng)盤(pán)的熱流固耦合性能分析和計(jì)算的理論方法，獲得通用化、模塊化的分析計(jì)算工具。與試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)分析、比對(duì)以及邊界條件修正后，能夠?qū)崿F(xiàn)快速、高精度的制動(dòng)盤(pán)熱容量性能分析計(jì)算。在未來(lái)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程中，即可應(yīng)用此工具來(lái)快速且相對(duì)精地分析出制動(dòng)盤(pán)的熱流固耦合性能，從而驗(yàn)證制動(dòng)系統(tǒng)熱容量是否滿足要求。以達(dá)到縮短研發(fā)周期，降低研發(fā)成本的目的。