高速列车“中华之星”制动盘温度场及热应力

高速列车“中华之星”制动盘温度场及热应力 高速列车“中华之星”制动盘温度场及热应 力 第27卷第1期 2006年1月 兵工 ACTAARMAMENTARII Vol_27No.1 Jan.2006 高速列车"中华之星"制动盘温度场及热应力 赵文清 (北京大学力学与工程科学系.北京100871) 摘要:在制动实验室1:1动态实验台上对实物进行实验研究的基础上,基于非线性有限元分 析软件MSC.Patran和MSC.Marc对270km/h高速列车"中华之星"制动系统的制动盘温度场及 其热应力的分布规律进行了计算机仿真,仿真结果与现场测试结果基本吻合,反映了制动盘温度场 及其热应力的分布规律,并揭示了影响制动盘温度场及其热应力分布的主要因素,制动盘在制动实 验台上的实验和实际装车运行实验表明,它能满足实际使用要求. 关键词:热学;高速列车;制动盘;计算机仿真;温度场;热应力 中图分类号:U260.351文献标志码:A文章编号:10001093(2006)01—0132—05 TemperatureFieldandThermalStressofBrake PlateforanExpress ZHAOWen—qing (MechanicsandEngineeringScienceDepartmentofPekingUniversity,Bering100871,Chi na) Abstract:Thetemperaturefieldandthermalstressofbrakeplatefor270km/hhigh— speedtrainwere studiedbyuseofMSC.PatranandMSC.Marconthebasisofexperimentalresearchtorealbrake plate.Thecomputersimulationoftemperaturefieldandthermalstressofbrakeplatewasstudiedwhen braked.Amathematicalmodelontemperaturefieldandthermalstressofbrakeplatewasestablished onthebasisoftheoryandexperimentalresearch.Thesimulationresultisconformedtotheexperimen— taltestoutcome.Thesimulationresultreflectsthedistributionlawoftemperaturefieldandthermal stressofrealbrakeplate.Themainfactorwhichinfluencesthetemperaturefieldandthermalstressof brakeplateisrevealed.Itisprovedbytheexperimentofbrakeinthetestplatformandthefieldwork ofhigh— speedtrainthatthebrakeplateusedforhighspeedtraincansatisfytheneedofpracticaluse. Keywords:thermology;express;brakeplate;computersimulation;temperaturefield;thermalstress 国内外高速列车基础制动系统均采用盘形制动 装置.我国研制的270km/h高速列车"中华之星" 基础制动采用了合金锻钢制动盘与粉末冶金闸片组 成摩擦副的技术 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 【1J.由于动力车制动盘产生 的摩擦热负荷远较拖车为大,易于加快其热损伤的 疲劳破坏,为提高制动盘的使用寿命,本文对制动盘 温度场及其热应力的分布规律进行了研究,以期对 动力车的合理制动参数提供依据. 收稿日期:2005—02—20 1问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 的提出 1.1理论分析及数学模型的建立 1)不考虑制动过程中的其它能量损失,认为制 动功全部转化为摩擦热;2)认为热流的分布与制动 盘的半径呈线性递增关系,并指向摩擦表面法线方 向I2;3)制动闸片为铜基粉末冶金摩擦 材料 关于××同志的政审材料调查表环保先进个人材料国家普通话测试材料农民专业合作社注销四查四问剖析材料 ,导 热性较好;4)摩擦偶件在摩擦表面应满足温度连续 第1期高速列车"中华之星"制动盘温度场及热应力133 性条件和热流守恒条件;5)制动过程中,闸片摩擦面 边界条件应以热流边界为主.圆周边界条件应为对 流换热边界条件;6)制动过程中,热流密度,热对流 边界条件及热辐射散热条件同时施加于制动盘同一 表面;7)制动过程中,热流密度,热对流边界条件及 热辐射散热条件均随制动盘温度,高速列车的运行 速度及其制动时间而发生动态变化;8)制动器各个 零部件,即闸片,制动盘,盘毂等材料的导热系数和 比热将随温度发生变化;9)将制动盘与闸片集成于 一 体并将它们看成为面与面接触问题,由接触摩擦 而生热,热分配由非线性有限元分析软件MSC. Marc自动实施,它们为弹性体,建立柔体一柔体接 触对. 制动盘的瞬态温度分布可归结为求解无内热源 的三维温度场问题.该三维温度场满足如下非稳态 导热微分方程: t- 3t . (1) 制动盘在柱坐标下t的拉普拉斯算子Vt, vz嘉十+翥+亳,c2 式中:为导热系数(W/m??);P为密度(kg/m3);C 为比热(J/kg??);r为时间(s);z为厚度(m);r为 径向尺寸(m);t为温度(?). 该热平衡方程的边界条件为:1)已知某些边界 上的温度条件;2)已知某些边界上的热流密度;3)已 知某些边界上的对流和辐射条件l1J. 1.2温度场有限元分析方法 温度场有限元分析方法的核心为:将复杂结构 离散成互不重叠的形状简单的单元.在单元局域内 选取近似函数进行插值,然后叠加成控制方程,确定 温度场.由此得到的非稳态热传导微分方程(1)式 为制动盘的瞬态温度场方程,根据单元平衡控制方 程进行扩展,并依据节点号进行装配,得到总体平衡 方程,求解该方程组.从而得到该制动盘的瞬态温度 场,由瞬态温度场确定其相应的热应力. 2制动盘温度场与热应力计算 根据上面有限元分析理论,应用非线性有限元 分析软件MSC.Patran和MSC.Marc,并选用其相 应模块,对高速列车动力车制动盘的温度场与热应 力分布进行计算机仿真. 2.1建模 使用UG和MSC.Patran有限元分析软件的几 何建模模块,按照高速列车动力车制动盘的实际结 构尺寸直接对其动力车制动盘进行三维实体建模, 然后采用六面体八节点实体单元对其进行分 网l1'卜43.MSC.Patran丰富而巨大的几何建模功 能与其卓有成效的分网功能是相一致的,这一点可 与ANSYS非线性有限元分析软件媲美. 2.2加载与求解 热分析模型边界条件的确定是制动盘温度场分 析的关键所在.本文采用理论推导与试验分析相结 合的方法,确定有限元分析的边界条件.制动盘初 始的表面温度既可由试验测定,也可根据制动盘周 围环境中的空气温度而确定.制动盘圆周面及盘毂 圆周面模拟为气体横掠圆管[1],根据高速列车的车 速,盘体与盘毂的温度确定其侧面散热系数,其侧面 散热系数随高速列车的车速,盘侧与盘毂侧面温度 的变化而呈动态变化;制动盘盘面及盘毂表面模拟 为气体横掠平板口],也可根据高速列车的车速,盘 表面温度,盘毂表面温度,从而确定其表面散热系 数,其表面散热系数也随高速列车的车速,盘面温 度,盘毂表面温度的变化而呈动态变化.制动盘整 个表面的散热系数由制动盘表面对流换热系数和制 动盘表面辐射换热系数组成[1].MSC.Marc可根 据制动盘表面的黑度e值确定制动盘辐射换热系 数,从而确定其散热量.在摩擦盘的温升过程中,散 热系数不是一个定值,而是随着散热边界条件的改 变以及摩擦盘的温度变化而发生不断的改变.严格 地讲,摩擦盘的物性参数不是常数,但为丁计算上的 方便,把摩擦盘的密度看作常数,而把摩擦盘材料的 导热系数和比热容看作随温度变化的函数,但要对 其作近似处理J.它的算例如下:动力车制动缸压 力为P1=480kPa与制动缸压力为P2= 360kPa分别进行计算比较.列车空走时间3s,空 走距离225rn.制动闸片扫过制动盘的接触表面积 A.:0.4969IT1;制动盘密度P.=7820kg/m;制动 盘比热.(462,470)J/kg??;制动盘导热系数 = (26,38)W/m??;制动盘黑度,:0.5,0.6; 制动闸片与制动盘的摩擦系数厂=0.31;热膨胀系 数n.=(1.1,1.4)?10,,动力车制动缸压力为P1一= 480kPaH't,制动减速度n=1.0006m/s;制动时间 f=75s;制动距离S=2811in;每盘制动力Bn= 9.9kN;每盘制动力矩M=5197.5MN?ITI;流入到 制动盘接触表面的瞬时热流为中=15065×(75一 t)MW_1J.动力车制动缸压力为P2=360kPa 时,制动减速度n=0.8802m/s2;制动时间r= 134兵工第27卷 85s;制动距离s=3195m;每盘制动力Bo= 5.1425kN;每盘制动力矩M=2700MN-m;流入 到制动盘接触表面的瞬时热流为=7826(75— 0.88t)MW[. 3制动盘温度场与热应力分布规律 根据算出的制动盘热效应参数及高速列车的制 动时间r=75s和r=85s„.应用非线性有限元分 析软件MSC.Marc,就可求解(1)式和(2)式,从而 得到制动缸压力为P1=480kPa与p2一= 360kPa2种方案的温度场与热应力的分布规律. 制动缸压力Pl?m=480kPa时,温度场的分布见图 1所示. 图1制动缸压力Pl一=480kPa时, 制动盘温度场分布 Fig.1Temperaturefielddistributionat声1一480kPa 由图1可知,制动缸压力为P1=480kPa时, 车轴处最高温度为73?,可见盘与毂的温度对车轴 的温度影响不大.制动缸压力P2=360kPa时, 温度场的分布见图2所示. 图2制动缸压力P2一=360kPa时, 制动盘温度场分布 Fig.2Temperaturefielddistributionat户2„=360kPa 由图2可知,制动缸压力P2=360kPa时,车 轴处最高温度为54?,盘温对其影响不大. 制动时间和速度与不同状况的动力车制动盘的 温度动态变化关系曲线,见图3所示. 图3不同状况动力车制动盘的温度场 动态变化关系曲线 Fig.3Relationcurvesoftemperaturefielddistribution 图3中,曲线1表示动力车制动缸最大压力为 480kPat~的制动时间和速度与制动盘的温度动态 变化关系曲线.曲线3表示动力车制动缸最大压力 为360kPa时的制动时间和速度与制动盘温度的动 态变化关系曲线.曲线4表示动力车制动缸最大压 力在360kPa左右变化时,制动减速度从0.7m/s2到 1.1m/s2又到1.4m/s2变化时,制动时间和速度与 制动盘温度的动态变化关系曲线.曲线5表示动力 车制动缸最大压力在360kPa左右变化时,制动减 速度从0.7m/s到1.1m/s变化时,制动时间和速 度与制动盘温度的动态变化关系曲线.曲线4和曲 线5是由现场测试结果绘制的图线„1.曲线2是制 动缸最大压力为360kPa时,制动盘热流随半径呈 正比例变化时的仿真曲线图_1]. 当动力车制动缸最大压力分别为360kPa与 480kPal~,动力车制动盘的热应力分布的仿真曲线 见图4所示.曲线6与曲线7分别表示制动缸最大 压力480kPa和360kPa的热应力曲线. 制动盘厚度分别为40trim,50mm,60mm所对 应的最高温度与最高热应力曲线,见图5与图6所 示.曲线8与曲线9分别表示制动缸最大压力 480kPa和360kPa的温度曲线.曲线10与曲线11 分别表示制动缸最大压力480kPa和360kPa的热 应力曲线. 4温度场与热应力分布规律影响因素 从图3,图6可看出,270km/h高速列车动车 ?棚1吩舢 ?胡喝 L 第1期高速列车"中华之星"制动盘温度场及热应力135 图4制动缸最大压力为360kPa与480kPa热应力曲线 Fig.4Thermalstre~distributionrelativecurves 图5不同厚度的动力车制动盘所对应的最高温度 Fig.5Thehighesttemperatureaboutbrakeplates 室 R 蕞 图6不同厚度的动力车制动盘所对应的热应力曲线 Fig.6Thelargestthermalstressaboutbrakeplates 组动力车基础制动制动盘的温度场与热应力分布有 其规律性.当制动缸最大压力为480kPa时,制动 盘面的最大热应力为盯480kP自=1490MPa,它大于制 动盘的许用应力[盯]=900MPa(实际材料的实验数 据)l1],已超出其服役使用范围,制动盘盘面温度最 高.易产生较大的热应力,如果制动盘盘面局部温度 过高.就易产生热裂纹,从而影响其使用寿命_5J. 当制动缸最大压力为360kPa时,制动盘的最大热 应力为盯360kPa=872MPa,它位于制动盘内侧与盘 毂的接触处,它小于制动盘的许用应力[盯]= 900MPa,可安全服役.制动盘与其盘毂的材料不 同,制动盘为锻钢,而盘毂为球墨铸铁,这样,制动盘 与其盘毂之间的热胀冷缩程度就不尽相同,若制动 盘与其盘毂之间不采取能使制动盘自由膨胀的措 施,就极易使制动盘产生巨大的热应力,而易使其热 裂破坏,制动盘制动结束后,发出咔咔的响声,就是 制动盘产生的巨大热应力不能释放所致„1.从图5 和图6可知,增加制动盘的厚度,就可增加制动盘的 热容量,从而使盘面到制动盘中性面的温度梯度减 小,可减小整个制动盘内部的热应力.从图l,图6 可知.制动盘的热流是影响制动盘温度高低的决定 性因素.而热流的大小与制动缸压力的大小,制动 盘与其对偶闸片的摩擦系数大小,制动闸片扫过制 动盘的接触面积,列车的运行速度,制动盘与制动闸 片的挤压接触面积有关l1].由此看来采取减小制 动缸压力的措施,可明显减小制动盘的温度与热应 力.例如,在现有的技术条件下,将动力车制动缸最 大压力由原来的480kPa降为360kPa时,则可明显 降低制动盘的温度与热应力. 5结论 1)动力车制动盘温度场与热应力的仿真结果 与现场测试的动力车制动盘温度场结果在揭示影响 动力车制动盘温度场分布的主要因素方面是相一致 的,仿真结果反映了制动盘温度场与热应力的分布 规律.并揭示了影响动力车制动盘温度场与热应力 分布的主要因素. 2)通过动力车制动盘温度场与热应力分布规 律的研究表明.270km/h高速列车动车组制动缸最 大压力采用360kPa的技术方案是合理的,通过理 论分析与现场实验研究表明,该技术方案能满足 270km/h高速列车制动系统的使用要求. 参考文献(References) [1]赵文清.高速列车"中华之星"动力车制动盘温度场及热应力 的计算机仿真研究[R].北京:中国铁道科学研究院,2003. 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