【《高速列车制动盘及制动闸片机械特性分析》9600字】

高速列车制动盘及制动闸片机械特性分析目录TOC\o"1-3"\h\u2580高速列车制动盘及制动闸片机械特性分析 185561.1制动盘及制动闸片概述 183751.2热分析相关理论 2269591.3热分析边界条件计算 4145451.4制动盘热效应仿真结果与分析 762381.4.1温度场仿真结果与分析 9291021.4.2应力场仿真结果与分析 1159581.5制动闸片热效应仿真结果与分析 1314281.1.1温度场仿真结果与分析 146041.1.2应力场仿真结果与分析 16179491.6热效应对制动性能的影响 17227831.6.1材料参数变化 1883411.6.2制动盘疲劳寿命 181.1制动盘及制动闸片概述列车的制动方式经历了由最初的闸瓦制动到制动性能更为优越的盘形制动的发展。闸瓦制动与盘形制动作用的共同原理都是通过摩擦将列车的动能转化为热能散发掉，不同之处在于，闸瓦制动是利用闸瓦压紧车轮踏面让二者摩擦，而盘形制动则是利用制动夹钳装置让制动闸片夹紧与轮对同步旋转的制动盘产生摩擦。由此可以看出，相较于闸瓦制动，盘形制动具备以下几个方面的优势：可以大幅程度上减少车轮热膨胀负荷和踏面擦伤；可以根据不同环境下的制动要求确定最适合于当前工况的制动摩擦副；制动时产生的噪声能够降低到最小且不会影响运行的平稳性。因此，对高速动车组而言采用盘形制动装置是更为理想的选择。现如今我国的国产CRH系列高速动车组及350km/h时速等级的“复兴号”动车组也都采用性能更为优越的盘形制动装置。从结构上看，350km/h高速动车组制动装置的传动部分为减少空间的占用而选择采用紧凑型的杠杆式制动夹钳机构。制动时，制动缸的输出压力带动杠杆，制动夹钳使安装在一端的闸片夹紧制动盘从而产生制动作用；缓解时，制动缸内压强降低，在缓解弹簧的作用下，闸片离开制动盘。按照制动盘安装的位置不同可分为轮盘式和轴盘式两种，350km/h高速动车组采用八动八拖16节车厢编组，采用双摩擦面的制动盘，动力转向架上两车轴均为动力轴，采用轮盘式结构，每轴上装有两个轮盘式制动盘，拖车转向架上，两车轴均为非动力车轴，采用轴盘式结构，每轴上装有三个轴盘式制动盘。从材料上看，在世界各国高速动车组长期的发展过程中研制出了适用于各种不同工况的制动材料。主要是优化制动盘和制动闸片摩擦副的材料，可以显著提升高速动车组的制动性能。由于列车轻量化的需要，制动盘材料经历了从普通铸铁、普通铸钢、低合金铸铁到低合金锻钢、特殊合金铸钢、铸铁-铸钢组合材料、铝合金基复合材料和C/C纤维复合材料的发展。总体来说目前通常采用的制动盘材料大致可分为两个大类，即铁系金属材料和复合材料。随着制动盘材料的不断发展，制动闸片的材料也在相继优化和更新。目前通常采用的制动闸片材料大致可分为四种：烧结材料、合成材料、陶瓷基复合材料和C/C纤维组合材料。1.2热分析相关理论根据能量守恒和能量转化的定律，高速动车组在制动工况下，制动盘与制动闸片组成一组摩擦副，在其摩擦过程中列车的机械能会转化为热能。转化来的热能让制动盘积累大量热量产生高温，在与空气的温度差的影响下，热量会往空气散发。因此，动车组上装备的制动盘和闸片的结构具备快速散热的特性且材料必须具备高度的耐热度。因为如果这些热量难以快速扩散，在受到不均匀温度场和热应力的循环作用下，就会使得制动盘上温度快速提高，热应力激增，产生热裂纹从而导致制动盘和制动闸片失效，限制制动效果，产生安全隐患影响列车的运行安全。高速动车组制动盘和制动闸片的良好性能对列车极为关键，其影响因素主要是二者温度场和应力场的分布，这样的热效应分析可以为改进制动盘和闸片的材料及结构从而提升列车运行的制动性能与安全性提供可靠的数据支撑。因此，如何准确确定制动盘和闸片摩擦表面的温度场和应力场分布，对研究制动盘及制动闸片摩擦副的失效机理以确保高速列车安全运行至关重要。为此就很有必要在本章研究和分析制动盘闸片这组摩擦副在制动时所呈现的热效应，这也是评价350km/h高速动车组制动系统机械特性最为关键的性能指标。在本章中，研究方法主要是以350km/h高速动车组拖车轴盘式制动盘与月牙形横槽式制动闸片作为分析对象，基于ANSYS软件模拟研究制动盘和闸片在制动过程中不同时刻下的温度场和应力场分布结果，获得二者的热效应分析结果作为评价该部分装置机械特性的可靠依据。在对350km/h高速动车组制动时制动盘与闸片这组摩擦件产生的热效应进行分析前，首先需要涉及到传热学经典理论，此处有必要将本文可能运用到的相关基础理论作简要阐述，以便为后续仿真分析做好准备。热量从系统的一部分传到另一部分或由一个系统传到另一个系统的现象叫传热，这里主要对热传递的三种基本方式进行阐述。1.热传导如果两个相接触的物体温度不同，就会在这两者之间产生热量的传递。同理，如果在一个单独的物体内部存在着温差，那么热量同样会在物体内部传递达到一个动态平衡状态。传递的方向是由温度较高者传向温度较低者，这样的过程就叫做热传导。在该过程中，宏观物质间不必发生位置的移动，只要存在温度的差别，就会导致热传导的发生。换言之，只要介质内部或者介质之间存在温差，就会发生热传导现象。这种热传导现象实质上就是由于温度梯度的存在而引起的内能交换。2.热对流热对流又称对流传热。热传导是针对任何物体均会发生，而热对流则需要有流体的参与。固体在进行热交换时，也会与其周围的流体发生作用，主要是在不同温度流体的作用下发生的热量传递。这样的热量传递形式就是热对流。其实质上同样是由于温度梯度的存在而发生的流体质点的相互移动，在质点的传播位移中达到一种动态的热平衡。在实际的热对流过程中，又包含自由对流和强制对流两种形式。3.热辐射现代热力学发现，一切温度高于绝对零度的物体都能向外界以电磁波的形式辐射能量。换言之，事实上任何存在的物体都能产生热辐射现象，并且自身温度越高这种效应就越明显。由于电磁波的传播不需要任何介质，即热辐射过程不需要任何辅助传播介质，这就使热辐射在真空中成为了唯一存在的传热形式。对于单个对象而言，辐射的电磁能量和接收的电磁能量之差值就是传热的有效值，即净传热。1.3热分析边界条件计算熟悉了相关的热分析基础理论后就需要对热分析所需的数据进行计算，这里主要需要确定制动盘和闸片的结构及材料相关参数。350km/h高速动车组制动盘采用含有散热加强筋结构的锻钢制动盘，制动闸片采用月牙形横槽式散热槽闸片。对350km/h高速动车组的制动盘和闸片的结构和材料相关数据参数列出表5-1和5-2所示，以便为后续仿真计算工作做相关准备。表5-1制动盘及闸片结构参数部件内径/mm外径/mm厚度/mm制动盘35069023闸片34068014表5-2制动盘及闸片材料参数部件材料名称弹性模量/Gpa泊松比密度/(kg·m-3)比热容/(J·(kg·C)-1)导热系数线膨胀系数/10-6制动盘25Cr2MoV2100.3784046041.51.3闸片铜基粉末冶金1030.285000560203.5本文选择紧急制动工况为分析环境，主要原因有两点：一方面，相较于常用制动工况，在紧急制动工况下，制动盘的温度将达到最大值，制动闸片的表面温度也将从常温急剧上升到几百摄氏度，并产生很大的温度梯度，由此产生相较于常用制动工况高出不小的热应力。另一方面，由于紧急制动工况下对制动部件的要求更为严格，温度的急剧升高也将导致材料性能也发生变化从而影响制动性能。因此主要机械部件的性能在紧急制动过程中也将更加显著地影响制动性能，故本文将取350km/h的高速动车组的一次紧急制动过程作为典型来计算分析制动盘的相关性能，考察制动盘和闸片的温度场以及应力场的分布变化情况，得到评价该高速动车组制动系统机械特性的关键指标数据。首先需要对制动初速度为350km/h的高速动车组的制动减速度为和制动时间进行确定。以350km/h速度等级的“复兴号”动车组为对象，查阅《铁路技术管理规程》等相关资料可知，350km/h高速动车组紧急制动的平均减速度为0.8~1.0m/s2，紧急制动时限制距离为6500m。紧急制动过程中，制动初速度为v0=350km/h，这里计算时取紧急制动平均减速度为1m/s2。由速度位移公式v02−vt2=2as计算紧急制动距离，由公式vt=v0−at计算紧急制动时间。代入制动初速度v本文所涉及到的热载荷主要存在两类，需要计算这两者的边界：第一类为列车在制动过程中制动盘与空气互相流动并且互相交换能量的对流换热边界，第而类为制动盘与闸片在相互摩擦的时间段内所生成的热流密度边界。而对于其中热辐射所产生的干扰则太过微小，可以忽略，从而简化分析。1.对流换热边界由于列车在制动时，制动盘周围的空气来流复杂，其对流换热过程可以视为强迫对流换热。这种强迫对流换热又需要由流动雷诺系数Re判断空气的流动状态是湍流状态还是层流状态。根据传热学经典理论，可以知道湍流α=0.036P层流α=0.664R横掠单管对流传热流体强迫对流换热系数方程如式5-3所示。α=CR根据格里森公式，对强迫对流换热系数方程如式5-4所示。α=CR式中，PrRef为雷诺系数，其计算式为Ref=μ∞Lλα为空气导热系数，取2.59×10-2C,n为常数，根据雷诺系数Re将紧急制动工况下制动盘表面的对流换热简化为平面散热，由平面的散热学理论可得对流换热系数如式5-5和5-6所示。制动盘α1制动闸片α22.热流密度边界在整个紧急制动过程中，动能不断向内能转化，一直到制动过程结束动能完全转化为内能。为减小分析难度程度，在制动盘温度场分析过程中，摩擦生热的热流密度通常采用能量折算法进行计算。采用能量折算法，即假设利用热流密度将动车组的动能全部加载到制动盘的摩擦环上从而代替由动能转化而成的热能。也就是假设紧急制动过程中350km/h高速动车组的动能全部转化为制动盘的摩擦热能，并且假设制动盘产生的摩擦热能均匀分布在摩擦面上，这种假设满足能量转化和能量守恒定律，且能够简化计算。制动盘与闸片摩擦产生的热量Q的计算公式如式5-7所示。Q=W=1式中，M为平均每个受制动的轴盘式制动盘承受的重量，kg；v0vt为列车制动t350km/h高速动车组的拖车转向架上两车轴均为非动力车轴，采用轴盘式结构，每轴上装有4个轴盘式制动盘。一般350km/h高速动车组的转向架轴重P≤16.5t，这里取其轴重为16.5t进行计算分析。则M=P3如前所述，采用能量折算法，假设制动盘盘体和闸片摩擦产生的热量在摩擦环的径向和周向上均匀分布，根据热力学中对热流密度的定义即可得到制动盘摩擦面上热流密度q与制动时间t之间的关系如式5-9所示。q(t)=dQAdt式中，A为t时间内制动闸片扫过的摩擦环面积，m2。根据350km/h高速动车组制动盘的相关数据，制动盘的摩擦环外径R1=340mm，摩擦环内径RA=π(R12因为制动盘与制动闸片的材料不同，所以二者的密度、比热容、导热系数、泊松比等均不相同，再考虑到实际制动过程中空气阻力、轮轨粘着等多方面因素的影响，使得高速动车组的动能不可能完全转化为制动盘的内能。这其中存在一个表示热能转化率的传递效率系数，这个系数的大小是一个不能定量的值，经列车运行长期的实践验证，只有列车只有80％～90％的动能能够转化为制动盘的内能。故本文选取该传递效率系数为0.85。假设350km/h高速动车组列车的紧急制动为匀减速制动过程，如前所述本文中紧急制动平均减速度为1m/s2，由于制动盘和闸片为一组摩擦副，故二者热流密度表达式相同。紧急制动工况下制动盘摩擦面的热流密度随时间变化的公式如式5-11所示。q(t)=dQAdt=η1.4制动盘热效应仿真结果与分析如前所述，本文将针对350km/h高速动车组在进行一次紧急制动过程中制动盘和制动闸片的温度场以及应力场的分布变化情况来计算分析制动盘及闸片的相关性能。考虑到高速动车组的制动过程是一个由复杂的多物理耦合过程形成的制动过程，其中包含多种繁琐的影响因素，如材料系数中比热容、弹性模量、泊松比、导热系数和线胀系数作为温度的函数在实际制动过程中不再是恒定不变的常量，给仿真过程带来了不小难度；对制动盘及闸片温度场分布的确定这个问题也是一个非稳态温度场问题，影响因素也相当复杂。因此为了更好地分析制动盘及闸片在制动过程中温度场应力场的分布，有必要对仿真过程做出适当的简化，前文有所涉及，这里再系统归纳提出假设如下：（1）高速动车组是在平坦笔直的道路上进行紧急制动；（2）整个制动过程为匀减速，且制动减速度为lm/s2；（3）制动过程开始时的空气温度为22℃；（4）制动仿真过程中，制动盘盘体材料的物理性能不随温度的升高而变化，恒定为初始设定值；（5）整个制动过程中只考虑两种传热方式，即热流和对流传热，忽略热辐射带来的影响；（6）制动闸片与制动盘的摩擦面平滑且严格均匀接触，无热量集中；（7）热流密度系数和对流换热系数在制动盘的两个摩擦面上均相等。对制动盘热效应分析做出上述适当假设即相关准备工作后，就需要对其进行建模。350km/h速度等级的“复兴号”高速动车组制动轴盘实际模型如图5-1所示，这里参考按照其实际结构对整体和各个组件建立三维实体模型如图5-2所示。图5-1350km/h高速动车组制动轴盘实际模型图5-2350km/h高速动车组制动轴盘三维模型1.4.1温度场仿真结果与分析将上述建立的制动盘三维模型导入到ANSYS软件中进行有限元分析，得到制动盘温度场分布仿真云图和不同时刻制动盘面最高温度随时间变化曲线分别如图5-3和5-4所示。图5-3制动盘温度场仿真结果图5-4制动盘面最高温度随时间变化曲线根据以上ANSYS软件的仿真分析结果，结合温度云图和不同时刻制动盘面最高温度随时间变化曲线，从中可以看出，在持续97.22秒的制动过程中，制动盘在制动开始瞬间盘体表面温度迅速上升，并在第70.2秒时达到峰值494.244℃。整个制动轴盘盘面温度分布呈环形，摩擦环部分面向轴孔，温度呈现下降趋势，越接近轴孔位置，温度越低，轴孔温度一直维持着低温状态。从细节上看，制动轴盘摩擦表面在制动时的温度基本呈环状分布，温度最高的部分出现在闸片与制动盘相摩擦产生的摩擦环内，这个结果符合实际情况，这种摩擦作用正是制动盘温度急剧上升的直接原因。并且温度最低的地方出现在内环轴孔处，这是由于制动盘在制动过程中的温度主要沿轴盘的厚度方向进行传播，因而轴孔的温度并不会出现明显的上升，而是在整个过程中始终维持着相对非常低温的状态几乎不变。在这之间，在摩擦环与轴孔的交界处温度出现过渡环，整个温度场沿盘面圆周方向分布趋势近乎一致，但是由于散热筋的存在，其良好的散热功能会使随后在散热筋之间的摩擦环面边缘的温度分布出现波动，并且散热筋之间的温度高于散热筋对应面积的温度。通过350km/h高速动车组制动盘在紧急制动工况下温度场分布进行有限元分析，能够清楚地了解制动盘在整个制动过程中所能达到的最高温度及其出现的时间和位置。该仿真结果不仅清楚地反映了制动盘的关键机械特性，更有助于预测盘体的热损伤敏感区，和优化制动盘的结构设计并开发制动盘新型材料以延长制动盘寿命。1.4.2应力场仿真结果与分析确定了制动盘盘面温度在制动过程中的分布后，还需要确定这个过程中产生的应力场分布情况。ANSYS软件提供了一种间接耦合分析方法，即将得到的制动盘的温度场瞬态节点分析结果作为温度载荷耦合到结构模型上，求解出制动盘的应力场。值得指出的是，制动过程中的制动盘除了受到热膨胀引起的热应力外，由于轮轨粘着、钢轨不平顺、装配因素、制动盘空间结构等多方面因素的存在，还会受到旋转离心力、振动载荷以及压装载荷等作用产生的应力，但是这些应力效果对制动盘应力场影响的总效应都远不及热应力一个因素的单独作用，因此在结构分析中完全可以将这些影响忽略，仅考虑热应力，从而简化分析仿真过程。将得到的制动盘温度场分析结果作为温度载荷耦合到制动盘结构上分析仿真可得到制动盘应力场仿真结果如图5-5所示。图5-5制动盘应力场仿真结果以上应力场仿真分析结果反映了温度最大时刻制动盘所受热应力分布的情况，从中可以看出，当温度达到峰值时刻制动盘承受了68.5Mpa的热应力。并且从应力云图中可以看出，此时最大应力出现的地方依然集中于摩擦环部分及其附近区域，这是由于高温使盘面产生热膨胀，闸片与制动盘摩擦的部位温度最高，热膨胀效应最强，该处也最易出现热疲劳裂纹。热量在短时间内传递不到散热筋板，两处的温度差使得热应力集中于盘面上摩擦环部位的散热筋板侧。且热应力会显示出从摩擦半径沿径向到制动盘的两侧减小的趋势。由于制动盘的非摩擦位置受温度的影响较小，因此制动盘的非摩擦区域中的热应力改变非常微小，并且比在摩擦区域的热应力的变化小得多。值得指出的是，这样的应力分布情况几乎贯穿整个制动过程，但是在数值上68.5Mpa的热应力远没有达到制动盘整个持续97.22秒的制动过程中所承受最大热应力，温度达到峰值的时刻和应力达到峰值的时刻并没有同时发生。这是因为当应力开始降低时，此时温度甚至尚未达到最大值。这是由于温度场的分布并非影响热应力的大小的唯一因素，制动盘的空间结构等也会密切影响热应力分布。1.5制动闸片热效应仿真结果与分析制动闸片与制动盘作为盘形制动中的一组摩擦副，不能单独着重于制动盘的温度场及应力场分布一方面，而忽略了在制动过程中对闸片热效应的分析。虽然制动盘的温度场应力场分布能在很大程度上反映其机械特性尤其是热机械特性，为预测盘体的热损伤敏感区，优化制动盘的结构设计并开发制动盘新型材料延长制动盘寿命提供了可靠的数据支撑，但是闸片的热效应同样是反映二者机械特性的重要方面之一，同样具有较大的研究意义。这是因为制动过程中闸片与制动盘摩擦产生大量热能，温度急剧上升，闸片受热膨胀产生热应力，受到这种不均匀温度和热应力循环作用，当热应力超过材料的强度极限的时候，就容易使其摩擦面局部区域产生热疲劳损伤，产生热疲劳和热裂纹，甚至最终导致闸片失效。如果只是针对闸片材料性能进行实验探究的话，将不能对闸片内部的应力情况、失效机理作出明确的判断。闸片作为制动系统中的易损件如果不加以分析其热效应，单独只研究材料参数，就会导致闸片频繁失效频繁更换并且材料优化相对盲目。因此，对制动闸片进行温度场及应力场分布的分析也具有相当重要的意义。本节对闸片热效应的研究方法与制动盘类似。同样是利用ANSYS软件计算出闸片的温度场，并利用间接耦合的分析方法将得到的温度场瞬态节点分析结果作为温度载荷耦合到结构模型上，求解出闸片的应力场。同样参考350km/h速度等级的“复兴号”高速动车组，其闸片由两片外径为690mm的月牙形横槽式散热槽铜基粉末冶金制动闸片组成，其实际结构如图5-6所示。图5-6350km/h高速动车组制动闸片实际结构由于两片闸片相互对称，这里在不影响分析结果准确性的情况下，为了简化分析过程，本节并非对整个闸片进行建模，而是选取实际工作过程中闸片靠近中心的温度较高且热效应明显、典型的闸片作为研究对象按照其实际结构建立三维实体模型如图5-7所示。图5-7制动闸片三维实体模型1.1.1温度场仿真结果与分析将上述建立的制动闸片三维模型导入到ANSYS软件中进行有限元分析。如前所述，这里同样针对350km/h高速动车组在进行一次紧急制动过程中闸片的温度场及应力场的分布变化情况来计算分析其热效应。一般来说，紧急制动工况下闸片的摩擦面温度可以从常温急剧上升到几百摄氏度，并且这个温度要高于制动盘所能达到的最高温。这种超高的温度梯度会产生热应力从而影响闸片的机械特性和制动性能。经ANSYS软件分析仿真得到制动闸片温度场分布仿真云图和不同时刻制动闸片摩擦面最高温度随时间变化曲线分别如图5-8和5-9所示。图5-8制动闸片温度场仿真结果图5-9制动闸片摩擦面最高温度随时间变化曲线根据以上ANSYS软件的仿真分析结果，结合温度云图和不同时刻制动闸片摩擦面最高温度随时间变化曲线，从中可以看出，在持续97.22秒的制动过程中，制动闸片摩擦面的温度急剧上升，在制动后第68.9秒时达到峰值716.957℃，这个温度要高过制动盘所能达到的最高温，符合实际工作情况。从图中可以清楚地得到闸片在制动过程中的温度场分布情况。制动过程中闸片的表面温度成面状分布。这是由于闸片与制动盘的摩擦作用在短时间内产生了大量的热，使中心温度最高并向四周传递。且闸片温度在上下边缘部分处于最低值，这是因为闸片的上下边缘部分可以与空气产生对流换热，散热条件较好，而侧面则没有这种散热作用。1.1.2应力场仿真结果与分析与制动盘应力场的分析方法一样，将制动闸片的温度场分析结果作为温度载荷耦合到闸片结构上通过ANSYS软件求解，可以得到制动闸片的应力场仿真结果如图5-10所示。图5-10制动闸片应力场仿真结果同制动盘的应力场仿真结果一样，以上应力场仿真分析结果反映了温度最大时刻制动闸片所受热应力分布的情况，并且同理，对闸片而言温度达到峰值的时刻和应力达到峰值的时刻也没有同时发生。从应力云图中可以看出，闸片的整体应力在摩擦面上摩擦面呈面状分布。随着制动的继续进行，整个闸片应力继续升高变成带状。闸片的最大应力发生在闸片两侧，这是因为闸片两侧没有空气对流和辐射散热作用，散热条件差，温度梯度大，热膨胀效应大，故受到的热应力也相对较大，闸片的热疲劳裂纹也都大多出现在此处。1.6热效应对制动性能的影响经上述对350km/h高速动车组的制动盘和制动闸片在整个制动过程中温度场及应力场分布的热效应分析之后，可以从摩擦件热机械特性方面清晰地反映其制动系统的关键机械特性，从而帮助分析和探究列车制动性能与热效应之间的影响因素。这种热效应对制动性能的影响主要体现在制动盘闸片摩擦系