李衛(wèi)強(qiáng)，杜建華，王李程

（南京中車浦鎮(zhèn)海泰制動(dòng)設(shè)備有限公司，江蘇 南京 211800）

0 引言

山區(qū)路況普遍存在各種坡道情況，國家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于坡道過大的路面上車輛行駛速度和連續(xù)長度都有明確的限制。車輛在長大坡道下坡時(shí)，如果不施加制動(dòng)力，車輛的勢(shì)能就會(huì)使車輛的速度逐漸提高，甚至?xí)^允許的車輛最大運(yùn)行速度，造成一定安全隱患。所以車輛在山區(qū)運(yùn)營時(shí)，必須施加制動(dòng)以抑制車速增大[1，2]。單軌膠輪客車采用電制動(dòng)和摩擦制動(dòng)混合制動(dòng)方式，電制動(dòng)優(yōu)先，當(dāng)電制動(dòng)不足或者電制動(dòng)失效時(shí)，采用摩擦制動(dòng)進(jìn)行補(bǔ)充。

摩擦制動(dòng)采用制動(dòng)氣室+制動(dòng)盤的基礎(chǔ)制動(dòng)方案，制動(dòng)功率越大，則動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮艿哪芰υ酱?，即單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的熱量就越大。大約90%的熱量被制動(dòng)盤吸收，再由制動(dòng)盤散發(fā)到空氣中，這個(gè)過程中制動(dòng)盤溫升會(huì)很大，當(dāng)溫度超過材料使用極限溫度時(shí)，制動(dòng)盤磨損會(huì)加大，導(dǎo)致熱裂紋、熱斑或者剝離，最終導(dǎo)致制動(dòng)盤破壞失效。同時(shí)，溫度過高時(shí)制動(dòng)閘片與制動(dòng)盤之間的摩擦系數(shù)會(huì)銳減，嚴(yán)重時(shí)會(huì)喪失制動(dòng)能力，后果嚴(yán)重。

本文根據(jù)某山區(qū)線路，從峰頂?shù)椒逑碌穆肪€一路下坡，考慮最惡劣工況，采用純摩擦制動(dòng)來保持運(yùn)行速度，采用ANSYS分析軟件進(jìn)行制動(dòng)盤熱分析，依據(jù)計(jì)算結(jié)果，提出合理的限速、停站次數(shù)、停站時(shí)間、制動(dòng)盤材料，最終提出滿足制動(dòng)溫升要求的制動(dòng)盤設(shè)計(jì)及運(yùn)行停站策略。

1 基本參數(shù)及制動(dòng)工況

1.1 車輛基本信息

車輛基本信息見表1。

表1 車輛基本參數(shù)

1.2 現(xiàn)有制動(dòng)盤結(jié)構(gòu)模型

單軌膠輪制動(dòng)盤盤體如圖1，具有以下特征：

（1）制動(dòng)盤采用蠕墨鑄鐵材料，制動(dòng)盤的熱負(fù)荷應(yīng)滿足摩擦面的最高溫升低于400℃的使用要求。

（2）制動(dòng)盤采用鑄鋼材料，制動(dòng)盤的熱負(fù)荷應(yīng)滿足摩擦面的最高溫升低于600℃的使用要求。

（3）制動(dòng)盤的主要接口尺寸：外徑Ф430mm內(nèi)徑Ф256mm，盤體高度 45mm，盤轂和盤體采用一體化的設(shè)計(jì)，材料相同。

圖1 單軌膠輪制動(dòng)盤結(jié)構(gòu)模型

1.3 運(yùn)行線路信息

單軌膠輪客車運(yùn)行路線為某觀光線路，根據(jù)平縱面圖，對(duì)線路信息進(jìn)行了分析，具體信息見表2。

表2 運(yùn)行路線信息

2 仿真分析

2.1 制動(dòng)盤熱-機(jī)耦合計(jì)算參數(shù)

車輛軸重11t；每軸2個(gè)制動(dòng)盤；制動(dòng)盤半徑215mm；制動(dòng)減速度為5m/s2；制動(dòng)半徑：171.5mm；閘片摩擦面的寬度84mm。

2.2 熱負(fù)荷的計(jì)算（熱流密度）

制動(dòng)時(shí)，列車從初始速度開始達(dá)到靜止?fàn)顟B(tài)，將動(dòng)能轉(zhuǎn)化為熱能，熱能主要積聚在制動(dòng)盤和閘片中，然后隨流動(dòng)的空氣帶走。熱流密度的大小取決于摩擦功的大小，定義為摩擦功率法。

假設(shè)列車在制動(dòng)ts后，制動(dòng)速度減為v（t），此刻，單個(gè)制動(dòng)盤具有的熱能為Q（t），列車單個(gè)軸重M具有的動(dòng)能為Mv2（t）/2，設(shè)每軸裝有n個(gè)制動(dòng)盤，單個(gè)制動(dòng)盤應(yīng)承擔(dān)的列車制動(dòng)能E（t）為：

列車在制動(dòng)t+△ts后，制動(dòng)速度減為 v（t+△t），此刻，單個(gè)制動(dòng)盤具有的熱能為 Q（t+△t），列車單個(gè)軸重具有的動(dòng)能為Mv2（t+△t）/2，單個(gè)制動(dòng)盤應(yīng)承擔(dān)的列車制動(dòng)能E（t+△t）可表示為：

假設(shè)列車減少的動(dòng)能全部轉(zhuǎn)化為制動(dòng)盤的熱能，閘片不吸熱，則根據(jù)能量守恒定律下式成立，E（t）=E（t+△t），即：

兩邊同時(shí)除以非零量△t

式中：a減速為負(fù)值，加速為正值；p（t）—熱生成率。

又：v（t）=v0+at，v0—制動(dòng)初速度，p（t）=-Ma（v0+at）/n

考慮制動(dòng)盤的高轉(zhuǎn)速，假設(shè)在其旋轉(zhuǎn)一周范圍內(nèi)，摩擦面上的熱載荷均布，由熱流密度的定義，有：

其中，M—軸重；η—制動(dòng)盤的熱吸收率；n—每軸制動(dòng)盤數(shù)量；A—制動(dòng)盤摩擦面面積；v0—制動(dòng)初速度；a—制動(dòng)減速度[3]。

2.3 制動(dòng)盤和閘片材料材料

模擬計(jì)算中共涉及4種材料，即蠕墨鑄鐵、合成閘片材料、鑄鋼材料和粉末冶金閘片材料，不同材料的相關(guān)計(jì)算參數(shù)分別見表3～表6。

表3 鑄鐵材料的性能參數(shù)

表4 合成材料的性能參數(shù)

表5 鑄鋼材料的性能參數(shù)

表6 粉末冶金閘片材料的力學(xué)及物理性能

2.4 對(duì)流換熱系數(shù)

流體與固體表面因?yàn)橄鄬?duì)流動(dòng)而進(jìn)行的熱交換過程，稱為對(duì)流換熱。對(duì)流換熱系數(shù)的確定應(yīng)該考慮空氣流動(dòng)的影響，流動(dòng)空氣的對(duì)流換熱系數(shù)要明顯高于靜止?fàn)顟B(tài)下的對(duì)流換熱系數(shù)，制動(dòng)盤在靜止空氣中的對(duì)流換熱系數(shù)為 30 W/（m2·K），列車制動(dòng)過程中，制動(dòng)盤與空氣為強(qiáng)制對(duì)流換熱。一般來說，由一固體傳給一流體介質(zhì)的單位時(shí)間上的平均熱流量為：

式中：h—流體介質(zhì)對(duì)固體邊界的平均換熱系數(shù)；A—傳熱面積；Tw—固體邊界溫度；Tf—流體的溫度。

可見，對(duì)流換熱系數(shù)越大，對(duì)流換熱過程越強(qiáng)烈，在相同的溫差下，單位面積上交換的熱量越多。因此，研究對(duì)流換熱的目的就是要計(jì)算對(duì)流換熱系數(shù)h。從已有的表達(dá)式：h=f（ρ，υ，μ，λ，cp，L），可以清楚地看出，對(duì)流換熱系數(shù)除了與流動(dòng)狀態(tài)有關(guān)外，還取決于流動(dòng)速度、流體的性質(zhì)（導(dǎo)熱系數(shù)、粘度系數(shù)、密度、比熱）以及固體結(jié)構(gòu)的幾何尺寸。

在計(jì)算分析中，制動(dòng)盤與空氣的相對(duì)運(yùn)動(dòng)近似簡(jiǎn)化為盤型零件的散熱模型，設(shè)換熱系數(shù)為hf，則有：

式中：l—制動(dòng)盤的特征長度，即所求點(diǎn)處的圓周周長，l=2πR。 流體 Re的按下式計(jì)算：

取 Pr=0.701，λ=2.67×102，υ=16×106，得到：hf=0.785ω0.5，其中，ω—圓盤運(yùn)動(dòng)角速度。

3 溫度場(chǎng)模擬結(jié)果分析

3.1 模型簡(jiǎn)化及網(wǎng)格劃分

對(duì)單軌膠輪制動(dòng)盤進(jìn)行有限元分析之前，為提高模擬效率，在保證溫度場(chǎng)模擬精度的前提下，對(duì)模型進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化處理。針對(duì)制動(dòng)盤盤體去除非結(jié)構(gòu)性細(xì)節(jié)特征，如磨耗限標(biāo)識(shí)，散熱筋與摩擦環(huán)連接處的圓角以及其它一些細(xì)部結(jié)構(gòu)。而盤體與盤轂連接處圓角等關(guān)鍵結(jié)構(gòu)特性則得以保留，簡(jiǎn)化后制動(dòng)盤模型如圖2所示。

圖2 制動(dòng)盤建行模型

圖3 網(wǎng)絡(luò)劃分

本報(bào)告利用有限元軟件ANSYS構(gòu)建了熱機(jī)耦合分析模型，并按照制動(dòng)工況及路線規(guī)劃設(shè)置6種方案詳見表7運(yùn)營方案，對(duì)單軌膠輪客車用制動(dòng)盤熱容量進(jìn)行了分析。模擬分析中網(wǎng)格的單元類型取Solid70（熱分析），網(wǎng)格劃分采用六面體網(wǎng)格，考慮到溫度的不均勻性，對(duì)于溫度變化劇烈的區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化。網(wǎng)格劃分的結(jié)果如圖3所示。溫度場(chǎng)模擬結(jié)果分述如下。

表7 運(yùn)營方案

3.2 仿真分析結(jié)果

按照表8的運(yùn)營方案，仿真結(jié)果如圖4～圖9所示。

不同方案下的溫度場(chǎng)仿真結(jié)果匯如表8所示。

圖4 方案1時(shí)間與溫度歷程曲線

圖5 方案2時(shí)間與溫度歷程曲線

圖6 方案3時(shí)間與溫度歷程曲線

圖7 方案4時(shí)間與溫度歷程曲線

圖8 方案5時(shí)間與溫度歷程曲線

圖9 方案6時(shí)間與溫度歷程曲線

4 結(jié)論

本報(bào)告基于有限元仿真技術(shù)，對(duì)某路線下客車用制動(dòng)盤進(jìn)行了熱容量評(píng)估，并考慮限速策略，制動(dòng)盤材料，停站坡段，停站時(shí)間等因素的影響，提出了滿足線路制動(dòng)熱負(fù)荷要求的單軌膠輪客車運(yùn)行策略。本報(bào)告中模擬的結(jié)果分述如下：

（1）分析結(jié)果表明：從山頂起始站到山底終點(diǎn)站運(yùn)營速度80km/h，摩擦面峰值溫度可達(dá)1409℃。

（2）通過限速可以降低制動(dòng)盤運(yùn)行過程中的峰值溫度。

（3）運(yùn)營途中，停站時(shí)間越長，制動(dòng)盤表面峰值溫度降低的越明顯。

（4）各運(yùn)營方案制動(dòng)盤仿真結(jié)果溫度始終高于400℃，建議采用鑄鋼制動(dòng)盤+粉末冶金閘片的基礎(chǔ)制動(dòng)組合。

基于模擬結(jié)論，針對(duì)該線路運(yùn)行要求，建議實(shí)施方案為：從山頂起始站到山底終點(diǎn)站，限速30km/h，選取15號(hào)坡段和20號(hào)坡段作為停站坡段，停站時(shí)間設(shè)定10min。終點(diǎn)采用緊急制動(dòng)停車。

圖10 方案10制動(dòng)盤溫度分布云圖

表8 不同方案下的溫度場(chǎng)模擬結(jié)果匯總