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(tǒng)的核心部件，制動盤的可靠性對車輛的行車安全起到至關(guān)重要的作用[1]。

從車輛制動性能的穩(wěn)定性和安全性的角度，要求制動盤和制動閘片構(gòu)成的制動摩擦副給出的摩擦力是穩(wěn)定的。給出穩(wěn)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(fā)生變化。制動盤表面溫度和盈利的分布關(guān)系到制動盤的壽命，而制動閘片的結(jié)構(gòu)是影響制動盤表面溫度和盈利的關(guān)鍵因素，在盤形制動中，制動盤及閘片的結(jié)構(gòu)與材料均對制動盤溫度場和應(yīng)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(xiàn)局部溫度和溫度梯度過高的現(xiàn)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(wěn)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(wěn)定性。這兩方面的因素都制約了制動性能穩(wěn)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(yīng)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(jié)構(gòu)。改進型1制動盤在原型制動盤的基礎(chǔ)上改進散熱筋的結(jié)構(gòu)，改進型2制動盤不僅改進散熱筋，而且在制動盤內(nèi)布置熱管，以改善制動盤的溫度均勻性。

1 制動盤的結(jié)構(gòu)

制動盤的結(jié)構(gòu)，尤其是散熱筋的結(jié)構(gòu)對制動盤的散熱特性具有重要影響。制動盤的結(jié)構(gòu)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(chǔ)上，增加布置了熱管，如圖1（c）所示。

圖1 制動盤結(jié)構(gòu)

2 數(shù)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(shù)值仿真計算?？諝饬鲃邮褂胟-ε雙方程湍流模型。

計算中進行如下假設(shè)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(shè)和簡化的基礎(chǔ)上，在直角坐標系下建立矢量形式的流體連續(xù)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(shù)，Pa·s（μeff=μ+μt，μ為分子粘性系數(shù)，Pa·s；μt為湍動粘度，N·s/m2）。

固體結(jié)構(gòu)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(shù)，Pa·s；μt為湍動粘度，N·s/m2；σT為表面張力，N/m；qT為內(nèi)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(fā)熱功率為1 MW；（2）制動盤旋轉(zhuǎn)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(shù)值仿真計算結(jié)果

本文對走行風強迫風冷冷卻條件下，3種結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(fā)熱功率的分段函數(shù)如下[13]。

式中：q為制動盤發(fā)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(jié)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(nèi)部的熱應(yīng)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(jié)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(chǔ)上修改了散熱筋的結(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)，同時在制動盤內(nèi)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(shù)值仿真方法對穩(wěn)態(tài)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(shù)值仿真，得到如下結(jié)論。

（1）通過改進制動盤內(nèi)部的散熱筋結(jié)構(gòu)，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(nèi)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(nèi)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(tài)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℃。