基于有限元的地铁车辆热负荷计算分析

张 昕，孔德鹏，王超恒，宋传云，刁有彬，张维坤

(1.中车青岛四方车辆研究所有限公司 制动事业部，山东 青岛 266031； 2.中车青岛四方车辆研究所有限公司 市场部，山东 青岛 266031)

长期以来，采用空气制动作为地铁车辆紧急(安全)制动一直没有改变。由于紧急制动作用迅猛，施加了全部制动能力，因此轴制动功率高，制动过程产生的热量大。踏面闸瓦承担热负荷的能力决定了地铁车辆能否采用踏面制动形式。本文通过对某A型地铁车辆典型制动工况的有限元热分析计算，为最高运行速度在80 km/h及以下的地铁车辆制动选型设计、使用维护等提供参考。

1 地铁车辆参数及典型制动工况

1.1 地铁车辆参数

表1为热分析计算涉及的地铁车辆相关参数配置表。

表1 车辆参数配置表

1.2 典型制动工况

在车辆参数确定的情况下，车辆轮径、牵引加速度、制动减速度、停站时间等直接影响热容量计算结果[1]。考虑可能出现的极限情况，一般按照全磨耗轮分别对施加纯空气最大常用全制动模拟运营工况及连续3次紧急制动工况进行热计算[2]。表2为3种地铁车辆制动计算工况。

表2 地铁车辆制动计算工况

1.3 计算初始条件

表3为热计算中环境温度、平均加速度等计算初始条件。

表3 计算初始条件

1.4 运行图

以国内某典型地铁运行图为计算输入条件，单程共设置32站，相邻两站之间站间距均不相同，其中最长站间距为3 394 m，最短站间距为542 m，相邻两站之间的停站时间按照30 s计算，终点站折返时间按照120 s计算。

2 计算

2.1 计算过程设置

利用ANSYS软件进行模拟仿真计算，计算过程做了如下假设和简化：

(1) 制动时车辆动能完全转化为热能，无其他形式的能量转化。

(2) 转化的热能完全由车轮吸收和散逸，不考虑闸瓦吸收热量及散热。

尽管有机合成闸瓦为热的不良导体，但实际制动过程中，闸瓦磨耗产生的高温磨屑及闸瓦自身热散逸均会带走制动过程中产生的部分热量，简化计算时将这部分热量加载到踏面上全部由车轮吸收和散逸，因此计算出的踏面最高温度肯定高于去除闸瓦散逸后的实际制动温度。如果采用上述方法计算得出的踏面温度依然在可接受范围内，则实际的安全裕量会更大。

2.2 计算标准

TB/T 3196—2008《机车用合成闸瓦》、TB/T 2403—2010《铁道货车用合成闸瓦》中有关闸瓦热容量的规定为：闸瓦在1∶1 制动动力试验台上进行各种规定程序试验时，车轮踏面局部温度不应超过400 ℃。CZJS/T 0006—2015《城市轨道交通车辆电空制动系统装车后的试验规则》中关于制动热容量的要求为：“试验应在列车超员载重(AW3)状态下进行。试验前切除列车电制动，列车按运行图运行一个往返，测试踏面、闸瓦表面温度，其表面温度不应大于350 ℃”。因此，本文以踏面表面温度不超过350 ℃作为判定闸瓦热容量是否合格的标准。

3 计算结果及分析

利用三维建模软件进行车轮的实体造型和有限元分析软件ANSYS进行热-机耦合仿真计算。加载时踏面为热载荷面，两侧面为散热面，针对特定工况确定载荷步并进行加载。

3.1 计算结果

3.1.1 工况1

工况1踏面温升-时间曲线和车轮温度场云图如图1所示。工况1计算结果显示，本工况历时约129 s，踏面温度自起始温度30 ℃升至最高224 ℃，该温度低于踏面允许的极限温度(350 ℃)，其中，车轮踏面温度最高值出现在第3次紧急制动过程中。

图1 工况1踏面温升-时间曲线和车轮温度场云图

3.1.2 工况2

工况2踏面温升-时间曲线和车轮温度场云图如图2所示。工况2计算结果显示，本工况共施加制动62次，历时约6 835 s完成，踏面温度自起始温度30 ℃升至最高391 ℃，该温度高于踏面允许的极限温度(350 ℃)。其中，车轮踏面温度最高值出现在施加第40次制动后的第4 301 s。

图2 工况2踏面温升-时间曲线和车轮温度场云图

3.1.3 工况3

工况3踏面温升-时间曲线和车轮温度场云图如图3所示。工况3计算结果显示，本工况共施加制动62次，历时约7 232 s完成，踏面温度自起始温度30 ℃升至最高259 ℃，该温度低于踏面允许的极限温度(350 ℃)。其中，车轮踏面温度最高值出现在施加第38次制动后的第4 304 s。

图3 工况3踏面温升-时间曲线和车轮温度场云图

3.2 温升曲线分析

(1) 施加制动过程中，列车动能持续转化为热能并被车轮吸收和散逸。当列车速度高于40 km/h时，热量转化速率高于车轮散逸的速率，因此踏面温度逐渐升高；当列车速度低于30 km/h时，热量转化速率低于车轮散逸的速率，因此踏面温度逐渐降低。

(2) 站间距越长，热量散逸越多，单次制动后踏面温度下降越多，当站间距足够长时，踏面温度会低于本次制动起始温度。

(3) 停站时间越长，热量散逸越多，单次制动后踏面温度下降越多。

(4) 整个制动过程前期阶段，踏面吸热效率明显高于踏面散热效率，踏面温升较快。制动过程中后期，踏面吸热效率与散热效率趋于平衡，踏面温升速率明显变缓。

3.3 温度场云图分析

(1) 制动产生的热量全部集中在轮辋、轮辐部分，其中，温度高于200 ℃的区域几乎全部集中在轮辋部分，说明制动过程中轮辋吸收并散逸了绝大部分的热量；

(2) 温度梯度是由踏面向轮毂方向递减的，制动过程中踏面上的温度最高，车轮其他部位的温度均比踏面位置的温度低。

4 结论及建议

(1) 采用踏面制动、最高运行速度80

km/h及以下的A型地铁车辆，在AW3载荷工况下连续3次施加紧急制动，踏面温度均低于允许极限温度(350 ℃)。

(2) 采用踏面制动、最高运行速度80 km/h及以下的A型地铁车辆，在AW2载荷工况下每站施加纯空气最大常用制动模拟运营一个往返，踏面最高温度达391 ℃，高于允许极限温度(350 ℃)。

(3) 采用踏面制动、最高运行速度80 km/h及以下的A型地铁车辆，在AW3载荷限速60 km/h工况下每站施加纯空气最大常用制动模拟运营一个往返，踏面最高温度达259 ℃，低于允许极限温度(350 ℃)。

(4) 制动过程中踏面上的温度最高，出现热损伤的概率更高，因此，建议地铁车辆使用过程中定期进行踏面状态检查。

(5) 地铁列车实际运营时，如果经常施加纯空气最大常用制动，可能会引起踏面温度不断升高甚至超过允许的温度极限，容易导致踏面剥离、热裂纹、异常磨耗等问题的发生，导致闸瓦摩擦性能减退，增加闸瓦磨耗。