列车盘式制动器热流固耦合性能分析与研究

冯光旭

中车长春轨道客车股份有限公司

列车盘式制动器热流固耦合性能分析与研究

冯光旭

中车长春轨道客车股份有限公司

基于传统的热-固耦合的分析研究，本文旨在探讨热-流-固耦合性能分析。在加入流场属性分析并修正以后所得出的计算结果中，节点温度的峰值相比热-固耦合有所减小且更符合热功率趋势，说明利用传统经验公式所计算出来的结果相对保守。所以为了进一步对制动盘进行优化与性能提升，热流固耦合分析要相对来说更具指导意义。

热流固耦合；制动盘

1　制动盘的热分布

车辆施加机械制动后，热流在制动盘与闸片的接触面产生，随即接触面的温度开始升高。但随着制动盘的转动，接触区域不断变化，进而制动盘摩擦面热量分布区域由制动施加时的接触区随着制动盘旋转的第一周内扩展至整个盘面(圆周接触区)。随着制动过程的持续，制动盘上的热区域由圆周接触区扩展至整个制动盘面。同时，热区温度继续升高，并在圆周方向上温度趋于稳定。后期将使用实车的试验数据，如速度曲线、制动力曲线、制动减速度曲线、闸片摩擦系数曲线以及闸片压力对分析结果进行修正，完成热计算基础。

虽然高速旋转的制动盘不仅要承受热应力，还要承受离心应力、振动载荷和闸片的压力。但是通过分析上述结论可以得出，制动盘温度越高的区域应力也越高，显然热应力对制动盘应力贡献最大。

根据热应力的计算方程： ，其表达了温度与热应力的线性关系，但上述结果并未按照线性规律发展而来，所以可以得出一个重要结论：即温度场和应力场会相互影响、双向耦合，并非温度-应力单方面影响。即，温度场的作用下结构场区域会产生变形，造成摩擦接触面变化；进而，结构场的变形也会作用到温度场产的变化。

2　动态流场分析

通过得到制动盘环境流场发展历程3D云图。制动盘的环境流场经历了一个发展范围逐渐扩大，尾迹愈发不规则的湍流流动过程，不过由于湍流已得到充分发展，尾迹的范围不再扩展。尽管其流动速度的幅值不稳定，内流体团速度矢量随机无规律变化，但是热流体的总体轨迹依然可以从周围环境流体中分辨出来。其间热场与流体场的相互影响非常剧烈，且尾迹几何状态依然随时间随机无规律地，类似湍流形态的不断变化，如下图1：

图1

3　对流换热系数修正后的热固耦合分析

参照摩擦面上温度随时间变化的曲线，在摩擦局域内，绝对温度经历了一个初始急剧上升、随后逐渐上升以、然后逐渐下降的过程以及最后区域稳态的过程，这一过程与客观事实相符，因为制动热功率起初急剧上升到较高水平，随后进入平稳下降过程，最后降低。实际上，在整个制动过程中，制动盘的表面温度先是处于环境温度之下(或基本与环境温度相同)，制动盘的旋转角速度为最大值，摩擦区域线速度为最大值。所以制动热功率在初始时刻最大，相应的流场速度对对流换热系数的影响在此刻亦为最大，流场对热场能量散失贡献也最大；随着制动进程，制动盘转速慢慢下降，因此产热功率逐渐下降；流场速度也随之下降，故而散热速度下降。基于上述定性分析，可以预测的是制动盘表面的节点温度会在某一时刻达到极值，随后逐渐下降区域稳定，与分析的趋势相符。连续制动或变级位制动的情况暂未考虑。

与上文的温度时间历程曲线相比，在对对流换热系数进行修正之后，曲线出现了峰值，随后温度有所降低。而且在制动的过程中各个点的温度在经由初始时刻的环境温度之后开始逐渐上升，需要注意的是实际上各个节点温度的增加速度并不一致，这就造成了节点温度的差异越来越大，较为符合实际情况。随着制动过程的继续进行，各个节点的温度又趋于一致，这是符合以往制动热容量测试数据的。这说明在经修正后的模型能够更为准确地反映温度随时间变化的过程，以及最后稳态，因此经过计算机辅助分析计算得出的对流换热系数要更具应用价值。

4　依托试验测试数据对比与修正

在最初以一个等效制动盘以及流场模型基础上，将以往的试验测试数据作为主要边界条件，可以得到相对准确的分析结果。比如，制动闸片的摩擦系并非常数，而是随着制动过程变化，因此实际输出制动力也在变化，如图2：

图2 曲线1为实际输出制动力

因此，在完成通用化、模块化分析工具后，还需要大量试验数据为支撑。不仅需要更多实测试验数据作为边界来完善耦合计算时等效边界条件参数设定，用以不断优化经验公式和分析工具；而且更需要大量的车下空气动力学试验、制动盘热容量试验数据来修正分析计算结果，使之提高精度接近真实情况。

5　结语

由于轨道客车的转向架结构布置相对固定，因此可以将制动盘相应基础制动装置和制动盘的对流环境用等效模型表达，同时基于上述对制动盘的热流固耦合性能分析和计算的理论方法，获得通用化、模块化的分析计算工具。与试验测试数据分析、比对以及边界条件修正后，能够实现快速、高精度的制动盘热容量性能分析计算。在未来产品开发过程中，即可应用此工具来快速且相对精地分析出制动盘的热流固耦合性能，从而验证制动系统热容量是否满足要求。以达到缩短研发周期，降低研发成本的目的。