闸片结构对制动盘温度场及应力场的影响.pdf

年 月 第 卷 第 期 润滑与密封 基金项目 辽宁省教育厅计划项目 收稿日期 作者简介 李宝良 工学博士 教授 主要从事摩擦 学与机械设计研究工作 闸片结构对制动盘温度场及应力场的影响 李宝良 郑广生 王国顺 大连交通大学机械工程学院 辽宁大连 摘要 以高速动车制动盘系统为研究对象 提出表征制动盘表面温度场变化的结构因子 应用有限元软件分别对 种不同形状和 种不同排布方式的闸片结构进行热 机耦合分析 通过有限元分析结果验证结构因子可用于制动盘温 度场及应力场变化的预测 结果表明 对于不同形状和不同排布方式闸片的结构因子均可以表征闸片的温度场和应力 场的变化趋势 通过调整闸片排布方式进而改善制动盘的温度场分布和应力场分布 制动盘上的热分布和应力分布相 互影响 而热变化对制动块应力变化影响很小 关键词 制动盘 闸片 温度场 结构因子 中图分类号 文献标志码 文章编号 高速列车具有速度快 惯性大的特点 在制动过 程中 列车动能的变化很大 列车必须装备一种在电 气化制动失效的情况下也能在安全距离内保证列车停 车的制动系统 摩擦制动是列车制动方式中最为普遍 的制动方式 根据摩擦位置的不同摩擦制动分为闸瓦 制动和盘形制动 种方式 闸瓦制动主要应用在普通 铁路机车车辆上 而盘形制动主要应用在高速列车 上 盘形制动主要作用在车轮或者轴盘的侧面 具有 摩擦面积大 制动性能比较稳定且具有较强的承载热 的能力 所以通常将盘式制动作为高速列车的首选制 动方式 随着列车速度的提高 制动盘表面的温度和应力 增加 因此产生的热疲劳失效成为制约制动盘寿命的 主要原因 在制动过程中 闸片结构直接影响制 动盘表面温度分布 而制动盘表面温度分布直接影响 着制动盘的使用寿命 因此 研究制动盘温度和热 应力的分布规律与闸片结构的相互关系 是提高列车 制动安全性和制动盘使用寿命的主要手段 本文作者依据盘形制动摩擦副在摩擦过程中热量 产生和分布的特点 研究闸片结构对制动盘热量分布 的影响 同时利用有限元分析软件 参照高 速列车制动盘和制动闸片的实际尺寸 构建闸片与 制动盘的热 机耦合模型 对摩擦过程进行数值模拟 分析闸片结构与制动盘的温度场和应力场的相互关系 闸片结构 闸片结构因子的表征方式 列车的制动过程就是将列车的动能转换成内能 而在这个过程中 主要是通过闸片和制动盘的摩擦过 程来完成 为了研究摩擦生热过程 用热流密度进行 度量 取摩擦面上一点为研究对象 该点的瞬时热流密 度为 式中 表示制动盘摩擦面上某点瞬时热流密度 表示摩擦功转换为热能的效率 表示制动盘与闸片 之间的摩擦因数 表示闸片对制动盘的正压力 表示该点的线速度 表示制动盘的角速度 表示 该点的摩擦半径 表示制动单位时间 内该点滑 动距离 在闸片与制动盘的摩擦过程中即为摩擦弧 长 为闸片与制动盘的接触面积即摩擦面积 由公式 可以得出 摩擦热流密度与摩擦半 径 摩擦半径所对应的弧长 成正比 与闸片摩擦 面积 成反比 可以用结构因子 来表示制动盘在制 动过程中同一时刻不同摩擦半径的热生成情况 即 式中 表示闸片的结构因子 表示摩擦半径 表示摩擦弧长 表示摩擦面积 根据列车闸片规定 单侧闸片的摩擦面积为 文中仿真的摩擦面积为单侧的 即 摩擦面积 为 以 块圆形闸片为例 如 图 所示 图 结构因子示意图 摩擦半径 范围内为摩擦区域 把这 一区域径向间隔均匀划分成 等份 即在这一径向 距离有 个点 以制动盘圆心为圆心 制动盘圆心 到这些点为半径做圆 与闸片相交得到摩擦弧 标出 这些圆在闸片上的摩擦弧长 摩擦半径 摩擦总弧长 分别求出不同摩 擦半径处的摩擦总弧长 然后把摩擦总弧长代入公式 即可以求所有摩擦半径处的结构因子 由于制动闸片的结构因子与制动闸片的摩擦接触 面积 摩擦半径和摩擦半径所对应的摩擦弧长有关 制动块的形状和排布方式都会对摩擦半径所对应的弧 长有影响 闸片结构因子对制动盘温度场影响的预测 制动块形状不同 排布相同时的结构因子 由公式 计算得出如图 所示的闸片的结构因 子 将结构因子与摩擦半径的关系绘成曲线如图 所示 图 相同排布的圆形 正三角形和正六边形闸片 由于需要探讨径向间距对分析结果的影响 与 和 所取摩擦半径不同 其他的模型径向距 离均取 等份 由图 可以看出 制动块的形状对 结构因子的影响比较明显 其中图 的结构因 子最大值最小 节点温度最大值也最小 图 相同排布的圆形 正三角形 正六边形闸片 的结构因子曲线 润滑与密封第 卷 制动块形状相同 排布不同时的结构因子 由公式 计算得出图 所示的闸片的结构因 子 得出圆柱形闸片排布方式不同时的结构因子与摩 擦半径的关系曲线如图 所示 图 不同排布方式的圆形闸片 由图 可以看出 对于形状相同 排布方式不同 的闸片 其结构因子与摩擦半径曲线图差异比较大 图 中的最大结构因子比图 中 的最大结构因子值小 说明图 的最高温度最 小 排布方式最合理 图 不同排布方式的圆形闸片的结构因子曲线 模型的建立 制动块和制动盘几何参数如表 所示 表 制动盘与制动块几何参数 制动盘尺寸 制动块尺寸 内径 外径 厚度 车轮 半径 圆柱 体半径 六边形 柱体 边长 三角柱 体边长 柱体 高度 闸片 材 料 是 粉 末 冶 金 材 料 制 动 盘 材 料 是 闸片和制动盘材料性能 参数如表 所示 表 材料性能参数 项目制动盘闸片 密度 热传导系数 比热容 热膨胀系数 弹性模量 泊松比 在模拟计算过程中 考虑到盘体结构及热载荷的 对称性 计算模型简化为制动盘的一个摩擦面和由 个制动块结构的闸片组成的单面摩擦副 计算模型相 当于摩擦面积为实际摩擦副的 因此在模拟计算 中得到的是实际摩擦副一半温度场 利用 中热 机耦合部分计算摩擦生成的热量 个制动块 与制动盘的网格划分及相互关系如图 所示 图 闸片与制动盘的相互关系模型 年第 期李宝良等 闸片结构对制动盘温度场及应力场的影响 温度场分析 温度场仿真参数设定 在仿真计算中 接触方式选择面 面接触 摩擦 因数选用罚函数 切向摩擦方式选用罚函数 法向接 触选用硬接触 设定动车以 做匀减速制动 制动 加速度 车轮半径为 得到制 动初始角速度 制动压强 环 境温度设定为 形状不同 排布相似的闸片温度场 对于图 所示的形状不同 排布方式相似的 种 闸片组成的制动盘 通过仿真计算得出制动盘上表面 及闸片下表面温度场云图如图 所示 制动盘上表面 和闸片下表面的温度场均呈环状分布 且温度分布情 况基本一致 即相同摩擦半径处的温度相等 对于不 同形状情况制动盘表面的最高温度对应的摩擦半径不 同 温度分布情况也不同 图 制动块形状不同排布相似的制动盘与闸片的温度场云图 取摩擦半径与摩擦弧相交的 个节点温度 得 出如图 所示的温度与摩擦半径曲线图 图 最高温度为 图 最高温度为 图 最高温度为 通过对比可以得出当 闸片为圆柱组成时制动盘表面温度最低 图 制动块形状不同排布相似制动盘节点温度曲线图 由图 可以看出 对于任意形状闸片的制动 盘 其节点温度和结构因子随着摩擦半径的变化趋势 基本一致 形状相同 排布不同的闸片温度场 对图 所示的 种不同的排布方式的圆形制动块 组成的制动盘进行温度场分析 得出温度云图如图 所示 将仿真计算得出的制动盘 个结点温度与摩 擦半径的关系绘成曲线图 如图 所示 图 制动块形状相同排布不同的制动盘与闸片温度场云图 润滑与密封第 卷 图 制动块形状相同排布不同时制动盘结点温度曲线图 可以看出 图 中制动盘结点最高温度为 比图 中的最高温度 都低 且图 中制动盘的温度波动也比图 中 的 小 在 这 种 排 布 方 式 中 图 所示的结构最为合理 应力场分析 形状不同 排布相似的闸片应力场 通过仿真计算得出如图 所示的形状不同 排布 相似的闸片制动盘上表面和制动块下表面的应力云图 如图 所示 图 制动块形状不同排布相似时制动盘与闸片应力云图 由图 可看出 在制动盘上应力呈环状分布 制 动块形状不同 在制动盘上应力分布情况也不同 闸 片上的应力分布与制动盘上的应力分布关系不明显 说明温度变化对制动块应力影响很小 制动块应力主 要反映的是机械应力 将仿真计算结果绘制出如图 所示的制动盘上的应力值与摩擦半径对应关系曲线 图 制动块形状不同排布相似时制动盘应力曲线 年第 期李宝良等 闸片结构对制动盘温度场及应力场的影响 形状相同 排布不同的闸片应力场 通过仿真计算得出如图 所示的形状相同 排布 不同的闸片制动盘上表面的应力云图 如图 所示 图 制动块形状相同排布不同时制动盘应力云图 由图 可以看出 在制动盘上应力呈环状分布 制动块形状不同 在制动盘上应力分布情况也不同 将制动盘上的应力值与摩擦半径对应关系绘成曲 线如图 所示 图 制动块形状相同排布不同时制动盘应力曲线 对比图 中的 结构应力与摩擦半 径曲线与图 中 结构对应的结构因子曲 线 可以看出其趋势基本一致 制动盘的温度场和应力场是通过热 机耦合一起 进行计算的 它们的计算结果之间存在着影响 即应 力场影响温度场 温度场也影响应力场 因此 在有 限元分析时 制动盘上的应力分布程度受到制动盘表 面的温度场的影响 且他们之间的作用是促进的 即 随着温度增加 应力也在增加 而且随着制动盘应力 的增加 制动盘的温度也增加 结论 基于制动块空间分布特征与制动盘表面热量 分布的关系 提出了考虑闸片摩擦半径 摩擦弧长和 摩擦面积等因素的结构因子 制动盘表面的温度变化规律与闸片结构因子 的变化规律相吻合 通过调整闸片排布方式能够改善 制动盘的温度场分布和应力场分布 制动盘上的应力分布和热分布相互影响 应力随着温度升高而增加 温度随应力的增加而增 加 而热变化对制动块应力变化影响很小 制动块应 力主要反映的是机械应力 参考文献 蒋红晖 王丽君 苟国庆 等 高速列车关键耐磨零部件中的 先进表面工程技术 电焊机 王红英 李志军 莫守形 等 高速列车制动盘失效分析及材 料研究的进展 焊接 孙超 高飞 符蓉 等 制动闸片结构特征的表征方法研究 铁道机车车辆 李和平 林祜亭 高速列车基础制动系统的设计研究 中 国铁道科学 农万华 高飞 符蓉 等 摩擦块形状对制动盘摩擦温度及热 应力分布的影响 润滑与密封 下转第 页 润滑与密封第 卷 擦副在磨合阶段和稳定磨损阶段的磨损失重 共混羟基硅酸镁 纳米复合材料在摩擦热 化学 力化学作用以及表面吸附和渗碳作用下在 钢表面形成了主要由 组成的自补偿膜层 该膜层具有良 好的减摩与磨损补偿效果 含 量为 的共混羟基硅酸镁 复合 纳米粉体在 钢表面所形成的自补偿膜层的减摩机 制为铁氧化物 软金属 和石墨态 等的低剪切应 力和硬相纳米 的微滚珠效应协同作用 参考文献 周平安 金属磨损自补偿材料的功能特点和应用前景 中 国表面工程 杨鹤 金元生 山下一彦 修复剂应用于滑 动轴承的模拟试验研究 润滑与密封 齐效文 杨育林 范兵利 羟基硅酸镁粉体添加剂含量对金 属表面自修复膜生成的影响及机制 润滑与密封 陈文刚 高玉周