高速列车制动盘材料参数热敏感性分析

金文伟， 王常川， 方明刚, 黄　彪

(中车戚墅堰机车车辆工艺研究所有限公司， 江苏常州 213011)



高速列车制动盘材料参数热敏感性分析

金文伟， 王常川， 方明刚, 黄彪

(中车戚墅堰机车车辆工艺研究所有限公司， 江苏常州 213011)

阐述了制动盘材料物理性能参数及其影响因素，以及参数高温变化关系；通过将材料物理性能参数如导热系数、比热系数以及线膨胀系数等进行定量浮动变化后进行制动盘同工况条件下热机耦合仿真分析，察看制动盘温度场和热应力场变化情况，定量分析制动盘材料物理参数热敏感性程度；通过敏感性分析，为制动盘工艺优化参数提供理论依据，降低制动盘在使用过程中的温升和最高应力数值，延长使用寿命。

高速列车; 制动盘; 材料; 仿真

国内高速列车的最高运营速度可达350 km/h，如此高速列车的运营对列车制动和减速系统提出了很大的挑战，目前大部分列车减速系统一般配备为电制动和盘形基础制动叠加工作实施列车制动，而其中盘形基础制动承担着列车在失电状态下的所有制动能量，是列车运营的最终安全保障，而如此大的制动能量，除去一部分直接散失在空气中，约有80%左右的能量全是靠盘形基础制动装置中制动盘部件来吸收并散发到空气中，因此将导致制动盘出现很高的温升，承受很高的热应力，这对制动盘材料设计提出了很高的要求。

1　问题提出

目前，针对制动盘材料设计主要研究工作方向为提高制动盘材料的强度、塑性和韧性指标，如抗拉强度、屈服强度、伸长率、硬度、冲击功等，相对而言，与制动盘温升和应力关系较为密切的物理性能参数如导热系数、比热系数、热扩散率以及线膨胀系数等提升工作却鲜有研究，可以通过摸索材料这些参数的热敏感性能，通过材料工艺使其得到最佳热敏参数，降低制动盘制动过程中最高温升及应力水平，提高制动盘的使用寿命。本文将对新研制的高速列车制动盘材料热敏感性参数进行热机耦合仿真分析对比，察看该材料参数与制动盘制动温升和应力的因果关系，为材料工艺提升提供依据。

2　制动盘材料的热敏感参数分析

高速列车制动盘一般采用合金钢材料，而材料物理参数中与盘体温升和应力变化相关的参数主要有导热系数、比热系数以及热膨胀系数等，这些参数的主要影响因素有材料化学元素的组成，材料晶粒度，材料的内部元素组织结构，材料密度等，通过调整这些影响因素可能调整合金钢材料的热敏感参数值，同时配合制动盘热容量仿真结果，选取最佳材料工艺和热处理工艺。

3　制动盘热敏感参数仿真

通过调整所设计制动盘材料热敏感参数值，进行同结构同工况制动盘热容量仿真分析，对比制动盘温度及热应力场仿真结果。

3.1仿真模型的建立

(1) 仿真模型

仿真计算单元模型采用热-机械耦合单元模型，能同时得到制动盘温度和应力在制动过程中变化云图及曲线等信息；计算中采用整盘模型，为了简化模型，在此省略掉一些磨耗限标识及小的倒圆角；摩擦产生的热量以热流密度的形式施加于摩擦面上，且考虑车辆运行过程中制动盘与空气的热交换；约束的施加与实际的约束情况相同。盘体网格模型如图1。

图1　制动盘网格模型

(2) 材料模型

制动盘材料模型采用钢质制动盘材料模型，在仿真中把导热系数、比热系数以及线膨胀系数等热敏感参数以实际设计材料参数值各单独上下浮动10%设置为模拟仿真参数，其余仿真设置参数均一致。

(3) 热载荷模型

根据热流密度的定义[1]，考虑实际制动过程中存在轮轨摩擦和空气阻力等因素，列车在制动过程中有部分能量散失，因此引入转换效率概念，热流密度计算公式如下[3]：

式中q(t)为t时刻加载于制动盘面的热流密度，w/m2；M为轴重，t；a为制动减速度，m/s2；n为摩擦面数；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；η为制动盘吸收的摩擦热能所占的比例。

(4) 对流换热系数Hf[2]

对流换热系数与导热系数不同，它与材料无关，而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。根据平面散热问题的传热学理论得

式中，pr为普朗特数0.7；λα为空气导热系数0.023；L为壁面长度，m；u为空气流动速度，m/s；v为空气得运动粘度14.8e(-6)，m2/s；忽略制动盘温度周围温度变化的影响，则v、pr、λ为定值，Hf只与u和L有关。

3.2仿真分析

分别计算导热系数、比热系数以及线膨胀系数等热敏感参数单独上下浮动10%条件下，对制动盘在350 km/h初速度下紧急制动仿真过程中的温度及热应力影响情况，并与实际材料仿真结果进行对比。

(1)设计材料参数条件下仿真结果

图2(a)(b)所示材料参数为设计值时制动过程中制动盘最高温度和最大应力云图。从图中可以看出，制动盘最高温度约为590.1℃，最大应力约为304.8 MPa。

(2)热敏感参数变化仿真

依据相同的仿真方法，分别进行材料热敏感参数如导热系数、比热系数和线膨胀系数等单独向上或向下浮动10%时制动过程中制动盘的热容量仿真分析，查看制动盘温度场和热应力场的变化情况，其最终结果数据如表1所示。从结果中可以看出导热系数、比热系数变化，会导致制动盘最高温度随之变化，最大差值约36℃左右，同时导热系数、比热系数变化也会引起制动盘最大应力水平变化，最大变化约30 MPa；而线膨胀系数变化，不会引起制动盘温升变化，但会影响最大应力值，变化最大约36 MPa，达到了约12%的幅度。

图2　制动过程中最高温度及应力云图

表1　各工况下最高温度和最大应力数据

4　结　论

从制动盘敏感性仿真分析结果数据可以看出，制动盘材料物理性能如导热系数、比热系数对制动盘制动过程中温升和应力均有影响，特别是比热系数变化对温升的影响较为显著，而线膨胀系数则对温升无影响，对应力水平影响显著。因此，我们可以在材料工艺制备过程中通过改善材料微量元素成分、平衡晶粒度大小、调整材料密度等方式提升材料的比热系数，降低材料的线膨胀系数，从而降低制动盘在制动过程中的温升和应力水平，提高其寿命。

[1]曹玉璋，邱绪光.实验传热学[M].北京.国防工业出版社,1996.

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

[3]金文伟，廉超，钱坤才.制动盘材料选型仿真对比分析[J].价值工程，2013，(8)：30-31.Thermal Sensitivity Analysis of Material on Brake Disc Used on High-speed Train

JINWenwei,WANGChangchuan，FANGMinggang,HUANGBiao

(CRRC Qishuyan Institute Co., Ltd.， Changzhou 213011 Jiangsu, China)

It's expatiated that the influencing factors of physical property parameter of material used on brake discs and the relationship on parameter variation with temperature. Through quantitatively changing the physical property parameter of material such as thermal conductivity, specific heat coefficient and linear expansion coefficient, it will do the analysis and observe the changes of brake disc temperature and stress field, quantitatively analyzed physical parameters of thermal sensitivity degree of brake disc. Through sensitivity analysis, provide a theoretical basis to reduce the temperature and stress of brake disc and prolong the service life.

train; brake disc; material; analysis

1008-7842 (2016) 04-0022-02

��)男，高级工程师(

2016-02-03)

U270.35

Adoi:10.3969/j.issn.1008-7842.2016.04.05