制动盘热散逸与致阻力研究

陈磊

摘 要：制动盘为制动摩擦副中承担热负荷的重要部件。在制动工况时期望制动盘通风能力越强越好，在非制动工况时制动盘通风现象会引起空气阻力，消耗牵引功率。研究了制动盘热散逸和致阻力的计算方法，基于叶片型散热筋结构制动盘进行了仿真计算，得到了制动盘热散逸和致阻力的规律，为进一步研究制动盘热散逸和致阻力均衡匹配研究提供研究路径。

关键词：制动盘;热散逸;空气阻力;流场;温度场

中图分类号：U270.35

Abstract：Disc is the key component bearing the thermal load which is expected for a better ventilating ability during braking.Whereas，the ventilation causes air resistance and consumes traction power in other time.The calculation method of thermal dissipation and air resistance for the disc are researched in this study.A simulation was conducted based on the vanetype brake disc and the conclusions about the thermal dissipation and air resistance were obtained，which provide an approach for the investigation of the match between the thermal dissipation and air resistance.

Keywords：brake disc;thermal dissipation;air resistance;flow field;temperature field

任何載运工具都离不开制动系统，对轨道车辆而言，制动系统最重要的使命是要确保安全。随着技术进步，轨道车辆采用的制动方式越来越丰富，从传统纯机械驱动的踏面制动、盘形制动到越来越依赖电能（机）的电阻制动、再生制动、磁轨制动、涡流制动等[1]。这些涉“电”制动方式往往由于其本身的特点，使得它们不能或难以成为轨道车辆的安全制动方式。时至今日，踏面制动或盘形制动这种摩擦制动仍是被普遍接受的轨道车辆安全制动方式，制动时通过摩擦副摩擦生热将列车动能转化为热能，实现列车能量的转移，产生列车制动减速作用[2]。摩擦副在摩擦生热过程中会产生热累积，热累积到一定程度会产生热疲劳，致使制动盘失效[3][6]。目前大多采用带有通风能力的加强筋制动盘，制动盘处于一定流速的流场环境中，空气流动会带走一部分制动热量[7][8]。因此在制动时期望制动盘通风能力越强越好，关于制动盘通风能力散热筋的设计与分析已经有学者进行了研究[9][13]。列车非制动工况时制动盘通风现象仍然存在，必定会引起空气阻力，消耗牵引功率[14][15]。这就造成了制动工况和非制动工况对制动盘通风能力的要求不同。基于此，本文研究了制动盘热散逸和致阻力的计算方法，为进一步研究制动盘热散逸和致阻力均衡匹配研究提供研究路径。

1 制动盘热逸散和致阻力的研究方法

高速流场环境对制动提出了制动温度低，散热效果好的要求。然而在提高制动盘热逸散效果的同时，也会相应地增加了非制动工况制动盘产生的阻力。表征制动盘的热累积效应可采用制动温度，表征制动盘的热逸散效应可采用对流散热系数或者散热功率。制动盘产生的阻力采用泵风功率来表征。本论文旨在通过计算和仿真来研究高速流场作用下制动盘的热累积和热逸散效应，图1是研究的技术路线。基于给定的高速制动盘模型，分别建立制动盘的流场计算模型和有限元热容计算模型，通过计算得出泵风功耗、散热功率和制动温度。得出高速流场作用下制动盘的热累积和致阻力效应规律。

2 制动盘泵风效应及致阻力仿真计算

以叶片型散热筋结构制动盘（φ640×110mm）为对象，研究其制动工况下泵风功率和散热功率的变化规律。其速度随时间变化规律为：

2.1 制动盘模型和流场模型

制动盘参数如下表所示。制动盘三维模型如图2所示。制动盘散热筋结构如图3所示。制动盘流场模型如图4所示。

2.2 计算方法与结果

2.2.1 对流散热系数

制动过程中，对流换热系数随时间的变化曲线如图5所示，t=43s时刻制动盘表面对流换热系数如图6所示。

2.2.2 散热功率

将制动盘表面对流换热系数变化曲线代入ABAQUS进行制动过程中制动盘温度场计算，得到紧急制动下制动盘温度随时间变化曲线如图8所示。制动盘整体散热功率如图9所示。t=43s时刻温度场如图10所示。

2.2.3 泵风功率

在紧急制动的过程中，制动盘结构受到的风阻力与速度成二次关系，泵风功率与速度呈三次关系，制动盘泵风功率随速度变化的关系如图11所示。

3 结语

本文研究制动盘热散逸和致阻力的计算方法，以叶片型散热筋结构制动盘进行了仿真计算，总结如下：（1）随着制动过程的发展，对流换热系数值逐渐减小，其CFD计算值与经验公式值误差小于10%;（2）随着速度逐渐减小，制动盘表面温度逐渐增加;（3）随着速度逐渐减小，泵风功率逐渐减小;散热功率呈现出先上升后下降的趋势。

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