基于ABAQUS的车辆盘形制动系统仿真分析

朱新荣，彭俊，徐祥文

（中车南京浦镇车辆有限公司，南京 210031）

0 引言

随着高速铁路技术的发展，轨道车辆的运输效率大幅提高，促进了我国经济的发展[1]。随着列车运行速度的不断提高，对列车运行的安全性和乘客乘坐的舒适性要求也在不断提高。制动系统是保障列车稳定、安全运行的保障之一，因此对列车制动要求也不断提高[2]。在制动的过程中，制动系统会产生振动和噪声，会严重影响列车运行的安全性、列车疲劳寿命、旅客的乘坐舒适性，产生的噪声还会对铁路沿线居民造成噪声污染[3]。

李栋等[4]建立CRH2拖车盘形制动系统的摩擦耦合有限元模型，对制动过程中盘形制动系统的运行稳定性和自激振动的瞬态动力学进行分析，同时对影响盘形制动系统噪声的因素进行了研究，研究表明，随着摩擦因数、闸片弹性模量的增大，制动产生的噪声频率增大，随着制动盘弹性模量增大，制动产生的噪声频率先降低后增大。丁旺才等[5]建立了干摩擦的单自由度盘形制动系统动力学模型，计算了系统发生颤振运动的临界速度，并讨论了阻尼比、动摩擦因数及最大静摩擦因数与动摩擦因数之差对临界速度的影响。曾京[6]建立了并联的两自由度颤振模型，分析了不同制动速度、不同制动压力及不同阻尼对颤振的影响。文武[7-9]使用有限元软件建立了包括制动盘、闸片、闸片托、制动杠杆和杠杆托等部件的全尺寸铁路车辆盘形制动系统有限元模型，利用有限元复特征值方法分析制动系统摩擦噪声的技术，提高了运用有限元复特征值分析制动系统摩擦噪声的效率。

本文利用ABAQUS建立了车辆盘形制动的有限元模型。利用模态分析方法，分别对制动盘、摩擦片和盘形制动耦合系统进行模态分析。得到了制动盘、摩擦片和盘形制动系统的模态频率与振型。分析了盘形制动系统产生噪声的原因。

1 盘形制动系统模型建立及网格划分

1.1 盘形制动系统模型

盘形制动装置（如图1）主要由液压制动缸、制动闸片、制动盘、夹钳臂及连杆装置组成，其中制动闸片和制动盘是盘形制动系统最主要的组成部分。基于三维实体建模软件SolidWorks建立了盘形制动系统模型，如图2所示。完整的盘形制动系统比较复杂，为了提高计算效率，建模时可以简化盘形制动系统，只考虑由制动盘和制动闸片构成的摩擦副。制动闸片和制动盘的材料属性如表1所示。

表1 盘形制动系统材料属性

图1 盘形制动装置

图2 盘形制动系统模型

1.2 网格划分

对盘形制动系统进行有限元分析需要将盘形制动系统离散成若干个有限元单元，合理的有限元单元类型、单元形状、单元大小和单元数量是得到正确结果的前提条件。因此，为了高效、准确地求解，在划分网格的过程中需要合理选择网格的类型，设置合适的网格数量。针对盘形制动系统模型，在节省计算时间和保证计算精度的前提下，考虑在非接触区采用比较大的网格，在接触区采用比较小的网格。综合考虑上述因素，采用四面体网格对盘形制动系统进行网格划分，并将制动盘划分为26 596个单元，将制动闸片划分为53 210个单元。

2 盘式制动特性分析

将建立好的盘形制动系统导入到ABAQUS中，利用ABAQUS软件对车辆盘形制动有限元模型在约束了边界条件的情况下进行模态分析，得到各零件在边界条件下的固有振动频率，由于有限元中模态分析的本质是求矩阵，所以“阶数”就是指特征值的个数。将特征值从小到大排列就是阶次。实际的分析对象是无限维的，所以其模态具有无穷阶。但我们在分析一个系统的过程中，往往只关注对系统起主导作用的模态，忽略对系统影响比较小的模态，对制动盘、制动闸片及它们的综合模态的分析，本文只考虑其前30阶模态并对其进行分析。

2.1 制动盘模态分析

将建立好的制动盘的有限元模型导入到ABAQUS中，进行仿真分析，得到制动盘的固有频率，制动盘前30阶模态振型如表2所示。选取第10 372号节点，这个点是发生制动噪声的关键。图3给出了10 372号节点前30阶模态及其响应位移幅值曲线。从图中可以看出，第3阶、第7阶、第10阶、第16阶、第18阶、第21阶、第25阶、第27阶模态振型的响应位移比较大。尤其是第3阶模态振型的振幅达到了0.96 mm，此时对应的频率f=1146.6 Hz。如果制动盘受到外界激励的频率接近上述8个频率时，将会引起制动盘的大幅振动。

图3 节点10 372前30阶模态及其响应

表2 制动盘前30阶模态频率

图4给出了第3阶、第7阶、第10阶、第16阶、第18阶、第21阶、第25阶、第27阶模态阵型图。从图中可以看出，制动盘容易在低频阶段产生共振，并且沿着制动盘轴向发生较大变形。当列车在制动的过程中，制动盘的轴向变形会劣化制动盘与闸片之间的接触，从而影响制动效果。

2.2 制动摩擦片模态分析

将建立好的制动闸片的有限元模型导入到ABAQUS中，通过Lanczos方法提取了制动闸片的前30阶模态，制动闸片前30阶模态振型如表3所示。选取制动闸片中心出的节点48 981进行分析，节点48981前30阶模态及其响应曲线如图5所示。从图中可以看出，在第2阶、第3阶、第6阶、第12阶、第14阶、第18阶、第22阶模态处位移比较大。其中，在第2阶模态振型对应的振幅最大，达到了0.86 mm，此时对应的频率f=1.169 78×10-4Hz。当制动闸片受到的外界激励振动频率接近上述7个频率时，将会引起制动闸片的大幅振动。

表3 制动闸片的前30阶模态频率

图6给出了制动摩擦片第2阶、第3阶、第6阶、第12阶、第14阶、第18阶、第22阶模态振型。从制动摩擦片的模态振型图可以看出，制动摩擦片的边缘变形量最大。

图6 制动摩擦片模态振型

2.3 盘形制动过程综合模态分析

由于列车在制动的过程中，制动盘和制动闸片是配合后一起工作的，所以再把制动盘和闸片进行装配，对制动闸片和制动盘进行约束，限制制动盘3个方向的平移、2个方向的旋转，释放轴向转动的自由度；对制动闸片沿轴向的平动进行约束。对约束好的盘形制动系统进行模态分析。

盘形制动时，制动盘与制动闸片发生了周向共振，产生了噪声。因此，提取了盘形制动系统周向共振的频率，其前30阶模态频率如表4所示。

表4 盘形制动系统周向共振频率

图7给出了盘形制动过程中第4阶、第13阶、第14阶、第15阶、第16阶、第21阶、第29阶模态振型。从盘形制动系统的模态振型图可以看出，第29阶模态振型为制动盘与制动闸片的周向共振振型，此时制动盘与制动闸片发生周向共振，对应的共振频率为2740.9 Hz。

图7 盘形制动过程综合模态振型

3 结论

基于三维实体软件SolidWorks建立了轨道车辆盘形制动系统，并利用ABAQUS建立了车辆盘形制动的有限元模型，分别对制动盘和摩擦片进行模态分析。得到了制动盘、摩擦片和盘形制动系统的模态频率与振型。研究表明，当制动盘与制动片发生周向共振时，制动过程便会产生噪声，共振频率为2740.9 Hz。