新型磁浮式轨道巡检车制动盘温度场及热应力场分析

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电力机车与城轨车辆

ElectricLocomotives＆MassTransitVehiclesVol.34No.5Sep.20th，2011

研究开发

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新型磁浮式轨道巡检车制动盘

温度场及热应力场分析

韩江，吴萌岭，王勇，刘睿

（同济大学铁道与城市轨道交通研究院，上海

摘

200092）

要：采用ANSYS10.0有限元软件，建立了制动盘三维对称循环有限元模型，对实心、开通风槽和开

通风槽及散热孔3种不同结构类型的灰铸铁材料的制动盘进行温度场和热应力场的分析。计算比较制动初速度为60km/h时紧急制动情况下不同结构类型制动盘的热力学特性。仿真结果表明：3种不同结构的制动盘温度分布趋势和应力分布趋势基本相同，摩擦面上温度和应力最大，而且3种结构都能够满足制动盘材料性能和制动效能的要求，但是开通风槽及散热孔的制动盘在制动7.8s时盘体到达最高温度84.5℃，在7.5s时靠近散热孔的摩擦面上产生最大等效应力109MPa，制动效能最佳。建议选择开通风槽及散热孔的制动盘为巡检车的制动盘。

关键词：制动盘；有限元法；温度场；应力场；磁浮式轨道巡检车中图分类号：U216．3

文献标识码：A

文章编号：1672－1187（2011）05－0013－05

Temperaturefieldandthermalstressfieldanalysisof

brakediscformaglevtrackinspectiontrain

HANJiang，WUMeng-ling，WANGYong，LIURui

（RailwayandUrbanRailTrafficAcademy，TongjiUniversity，Shanghai200092，China）

Abstract：BasedonthefiniteelementanalysissoftwareANSYS10.0，acoupledthermo-mechanicalthree-dimensionalmodelofbrakediscisbuilt.Transienttemperaturefieldandstressfieldofthreedifferentstructuresofbrakediscs（solid，ventilatingslotandventilatingslot&vent）aresimulatedandanalyzed.Itaimstoanalyzethethermodynamicscharacteristicsofthreedifferentstructuresofbrakediscsintheemergencyconditionofthevelocity-60km/h.Stimulationresultsshowthatthedistributiontendenciesoftemperatureandstressarenearlythesame，thehighesttemperatureandmaximumstressappearonthefrictionsurfaces，andthesethreestructuresareabletosatisfythedemandofthematerialcapabilityandbrakingefficiency，buttheventilatingslot&ventbrakediscapproachesthehighesttemperature84.5℃at7.8sandthemaximumMisesstress109MPaonthefrictionsurfaceneartheventat7.5s，soitpossessesthebestbrakingefficiency.FEMpredictionsareapplicabletochoosingtheventilatingslot&ventbrakediscformaglevtrackinspectiontrain.

Keywords：brakedisc；finiteelementmethod；temperaturefield；stressfield；maglevtrackinspectiontrain

0引言

磁浮式轨道巡检车的功能是保证高速磁悬浮车实

和依靠制动盘制动的自走行模式。本文主要研究巡检车在自走行模式时60km/h初速度紧急制动情况下制动盘的温度场及应力场。

制动盘的瞬态温度场过去一般采用试验手段获得[1]。随着计算机的发展和有限元商业软件的推广应

现安全运行而进行日常检查和简单维修。该车具有两种运行模式：依靠轨道涡流进行制动的悬浮运行模式

收稿日期：2011－01－05作者简介：韩

江，在读硕士研究生，从事列车制动系统研究。

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电力机车与城轨车辆·2011年第5期

用，对瞬态温度场和热应力场的模拟计算越来越多。文献[2]在2006年就利用有限元软件对高速列车的制动盘模型进行了温度场和热应力场的计算分析，并与试验台上的试验结果进行了对比。文献[3]和[4]则将制动盘简化成二维模型，由于散热孔和通风槽对制动盘散热效果的影响，热量在制动盘内部的瞬态传导情况等一些重要因素在二维模型上无法体现，因此其数值结果对指导实际设计意义不大。本文根据制动盘的三维循环对称性，利用ANSYS软件对实心、开通风槽和开通风槽及散热孔3种不同结构类型的灰铸铁材料的制动盘进行了温度场和热应力场的分析，研究制动初速度为60km/h时紧急制动情况下不同结构类型制动盘的热力学特性，为磁浮式巡检车制动盘的选型提供理论依据。

式中：n—每个悬浮架上实际参与的摩擦面数，因每个悬浮架装配4个制动盘，而每个盘体与2个闸片发生摩擦，故n=8；S—参与摩擦的制动盘面积，即闸片在制动盘上划过的圆环面积，S=π（R2-r2），R和r分别为闸片与盘面摩擦的环形区域的外径和内径，m；a—制动减速度，m/s2。

1.2对流换热系数

对流换热系数与材料无关，取决于流体流动状态、

流体物理性质、壁面温度以及壁面的几何形状。将制动盘表面的对流换热简化为平面散热，根据平面散热问题的传热学理论[6]：

−uL?

H?0.6??

?−?

ÁÂÃ

󰀁ÂÄÅ

PrÁ（3）

L

而对于孔壁处的散热系数，需采用迪图斯-贝尔特修正

1制动盘的参数选择

由于真实的制动过程极其复杂，有限元分析难以

公式进行计算：

󰀁uLÂÃÄ

H−0.023()ÁPrÁ−Å?Æ?Ç（4）

L?式中：Pr—普朗特常数；λa—空气导热系数，W/（m·K）；

对其过程进行完全仿真，考虑到计算成本及实际条件，对有限元计算模型进行如下假设：1）制动盘与闸片接触面为理想平面；2）制动过程中，摩擦系数保持不变；

L—壁面长度，m；u—空气流动，m/s；λ—空气的运动黏

度，m2/s；流体加热时，n=4；εt—温差系数；εr—弯管修正系数；ε1—管长修正系数。

忽略制动盘温度变化对周围温度的影响，则γ、Pr和λa为定值，H只与u和L有关。由于旋转中制动盘周围流场的运动状态复杂，因此空气流速须按不同位置分别确定[5]。

3）由一定初速度开始施加不变的制动力，使制动盘匀

减速制动，直至停止。实际制动过程中，由于存在轮轨摩擦、空气阻力等因素，巡检车的动能只能有一部分转化为热能，部分热量被闸片吸收，所以制动盘摩擦环的输入热量必须考虑动能转化为摩擦热能的转化率以及制动盘吸收的热量占总摩擦热能的百分比。综合考虑，取制动盘吸收的热量占总动能的90%[5]。本文利用三维模型，结合摩擦学、传热学、流场动力学等多门学科，充分考虑空气流动和散热结构对制动盘散热的具体影响，对制动盘在整个制动过程中的瞬态温度与热应力分布进行模拟。热传递方式有热传导、热对流和热辐射

1.3黑度

对于辐射换热，根据斯蒂芬-玻尔兹曼定律，制动

盘与周围空气的辐射换热服从[6]：

Q=εFσ0（T4-T04）

·体辐射常数，其值为5.67×10-8W/（m2K4）。

在本算例中，查手册得ε

铸铁

（5）

式中：Q—辐射换热量；F—面积；ε—表面黑度；σ0—黑

3种。1.1

热载荷计算

制动盘温度场分析中的热载荷为热流密度，加载于制动盘面与闸片摩擦的接触面上。根据能量折算法和能量守恒定律，假设制动过程中巡检车动能的90％为制动盘的热能，且制动过程为匀减速，则制动过程中

＝0.21，并认为在整个

制动过程中ε不变。

以上分析确定了温度场计算中的主要参数。由于有限元分析的是巡检车低速紧急制动，制动盘材料参数随温度变化不大，因此其它参数按常温定值处理，具体数值见表1。

表1制动盘热分析和结构分析的相关材料参数

闸片与制动盘摩擦产生的热量为

1灰铸铁材料ÁÁ

QÂ−−E??M(vÄ?vÁ)（1）ÁÃ

255导热系数λ/W··m-1℃-1

式中：E—动能，J；M—巡检车的质量，kg；v0、v1—列车1.2线膨胀系数a/10-5·℃-1

制动的初、末速度，m/s。

比热容C/J··kg-1℃-14601200000.277100

弹性模量E/MPa根据热流密度的定义，热流密度q（t）可表示为[5]：

dQÂ泊松比μMaÁt−MvÄaÁÃ

（）2/0.9qÂS???ÁÃ

密度ρ/kg·m-3dtnp(RÁ?rÁ)

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韩江等·新型磁浮式轨道巡检车制动盘温度场及热应力场分析·2011年第5期

2制动盘温度场计算

新型磁浮式轨道巡检车为单节车辆，双端司机室

结构的制动盘在不同时刻达到制动最高温度。实心制动盘制动10s时，盘体温度达到最高117℃，温度分布如图4所示；开通风槽制动盘制动9.1s时，盘体达到制动过程中的最高温度92.3℃，温度分布如图5所示；开通风槽及散热孔的制动盘在制动7.8s时，盘体到达最高温度84.5℃，温度分布如图6所示。同时由最高温度时刻的温度分布可以看出，3种材料制动盘的温度分布基本一致，制动过程中最高温度均出现在制动盘表面。由于通风槽和散热孔处有对流散热，使得该处的温度比其他部位的温度低。

控制，车上配备2台空气压缩机及相应的压缩空气处理单元，共有4个悬浮架，每个悬浮架上安装8个轮盘式基础制动装置。该制动盘为轮装式整动盘，由

12个螺栓紧固于轮毂上。本文采用统一的有限元模型

（见图1～图3）来进行热分析和结构分析，热模型和结构模型之间不需要作数据转换处理，既减少了计算量又提高了计算精度。

图1实心制动盘有限元模型

图4实心制动盘10s时的温度分布

图2开通风槽制动盘有限元模型

图5开通风槽制动盘9.1s时的温度分布

图3开通风槽及散热孔制动盘有限元模型

为提高计算精度，采用六面体和五面体的solid70热单元进行划分。在模型上施加热流密度和对流散热，便可进行有限元热场分析。文中计算比较3种不同结构的制动盘在相同的使用条件下的温度与热应力特性。

紧急制动工况下制动初速度为60km/h，制动距离

图6

开通风槽及散热孔制动盘7.8s时的温度分布

图7为3种不同结构的制动盘最高温度随时间的变化曲线。制动开始后温度逐渐升高，在不同时刻到达最高温度后逐渐下降，说明制动开始时制动盘吸收的

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138.9m，整个过程持续16.7s。通过分析可得3种不同

电力机车与城轨车辆·2011年第5期

热量大于其散发到空气中的热量，制动盘内产生热量积聚，制动盘温度逐渐升高；当制动进行到一定程度后，制动盘吸收的热量小于散发到空气中的热量，制动盘内热量逐渐减少，制动盘温度逐渐降低。

由图7中3根不同的曲线可以看出，在制动过程中，虽然温度上升或下降的趋势基本一致，但它们温升及冷却的速度、到达最高温度的时间却各不相同。3种结构的制动盘在制动过程中出现的最高温度都能满足材料性能和制动性能的要求。相比较而言，实心制动盘的温升较大，摩擦面温度最高，性能比其他2种结构稍差；开通风槽和既开通风槽又开散热孔的制动盘的温升和最高温度相差7.8℃。因此，从制动盘的温度计算过程和减轻盘体重量来看，既开通风槽又开散热孔的制动盘最适合。

结合制动盘最大等效应力分布曲线图14得到，实心制动盘在制动10s时，摩擦面上达到最大等效应力

137MPa；开通风槽制动盘在9.3s时，靠近通风槽的摩

擦面上产生最大等效应力110MPa；开通风槽及散热孔制动盘在7.5s时，靠近散热孔的摩擦面上产生最大等效应力109MPa。

图8实心制动盘最大等效应力分布

图7制动过程中摩擦面上最高温度分布曲线图

3制动盘应力场分析

制动盘除受热膨胀引起热应力外，还存在由于旋

图9开通风槽制动盘最大等效应力分布

转离心力（振动载荷以及压装载荷等作用产生的应力），这些因素对制动盘总应力的影响远不及热应力。所以，在结构分析中仅考虑热应力。

将温度场分析模型中的solid70热单元转化为sol-

id185结构分析单元，并将热分析结果文件中的节点温度

值作为载荷施加到制动盘结构分析模型上进行求解。热应力是由于节点温度的升高，制动盘内不均匀膨胀受到约束而产生的应力，其计算公式为[5]：

σ=αE（T-T0）

模量，MPa；T0—初始温度，℃，T—某时刻温度，℃。

（6）

图10开通风槽及散热孔制动盘最大等效应力分布

式中：σ—热应力，MPa；α—线膨胀系数，℃-1；E—弹性

由图8至图10可知，制动盘上应力分布趋势基本相同，摩擦面处的应力比较大。制动过程中，由于温度升高不均匀及连接螺栓的约束，使得制动盘两侧的应力分布不对称，有螺栓固定的一侧应力比较大，如图11～图14所示。同时，由于结构的不同，使得制动盘中产生的最大等效应力值以及最大应力位置也各不相同。

-16-图11

实心制动盘剖面最大等效应力分布

韩江等·新型磁浮式轨道巡检车制动盘温度场及热应力场分析·2011年第5期

结构差异的应力集中与温度差的热应力集中差不多，这样使得第二、三结构的制动盘的最大等效应力相差不大。而实心制动盘的温度比较高，散热不好，使得产生的热应力比较大，其他两种结构制动盘产生的最大等效应力比较小且相差不大，但这3种结构的最大等效应力都没有超过灰铸铁的屈服强度235MPa，能够满足该工作条件下制动性能的要求。故从应力场的计算过程来看，开通风槽的制动盘和既开通风槽又开散热孔的制动盘是可选的结构。

图12

开通风槽制动盘剖面最大等效应力分布

4结束语

由温度场和应力场的分析可知，这3种不同结构的

制动盘温度分布趋势和应力分布趋势基本相同，摩擦面上温度和应力最大，而且3种结构都能够满足制动盘材料性能和制动效能的要求，但是开通风槽及散热孔的制动盘在制动7.8s时盘体到达最高温度84.5℃，在7.5s时靠近散热孔的摩擦面上产生最大等效应力

109MPa，制动效能最佳。最后，综合考虑材料性能、制

动性能、加工工艺、制动盘的重量以及有限元分析等，

图13

开通风槽及散热孔制动盘剖面最大等效应力分布

我们选择既开通风槽又开散热孔的结构作为新型磁浮式轨道巡检车制动盘的结构。

参考文献：

[1][2]

庄光山，王成国，王海庆，等.盘形制动摩擦表面温升研究[J].机械工程学报，2003，39（2）：150-154.

陈德玲，张建武，周平，等.高速轮轨列车制动盘热应力有限元研究[J].铁道学报，2006，28（2）：39-43.

[3]吴萌岭.准高速客车制动盘温度场及热应力的计算与分析（上）[J].铁道

车辆，1995，33（9）：6-8.

图14制动盘最大等效应力分布曲线图

[4]吴萌岭.准高速客车制动盘温度场及热应力的计算与分析（下）[J].铁道

车辆，1995，33（10）：35-38.

从制动盘最大等效应力分布可说明，虽然第三种结构的制动盘比第二种结构的最高温度低，但是第三种结构制动盘开了通风槽和散热孔，引起了应力集中，

[5]丁群，谢基龙.基于三维模型的制动盘温度场和应力场计算[J].铁道

学报，2002，24（6）：34-38.

[6]苏亚欣.传热学[M].武汉：华中科技大学出版社，2009.

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