馮光旭

中車長春軌道客車股份有限公司

列車盤式制動器熱流固耦合性能分析與研究

馮光旭

中車長春軌道客車股份有限公司

基于傳統(tǒng)的熱-固耦合的分析研究，本文旨在探討熱-流-固耦合性能分析。在加入流場屬性分析并修正以后所得出的計算結(jié)果中，節(jié)點溫度的峰值相比熱-固耦合有所減小且更符合熱功率趨勢，說明利用傳統(tǒng)經(jīng)驗公式所計算出來的結(jié)果相對保守。所以為了進(jìn)一步對制動盤進(jìn)行優(yōu)化與性能提升，熱流固耦合分析要相對來說更具指導(dǎo)意義。

熱流固耦合；制動盤

1　制動盤的熱分布

車輛施加機械制動后，熱流在制動盤與閘片的接觸面產(chǎn)生，隨即接觸面的溫度開始升高。但隨著制動盤的轉(zhuǎn)動，接觸區(qū)域不斷變化，進(jìn)而制動盤摩擦面熱量分布區(qū)域由制動施加時的接觸區(qū)隨著制動盤旋轉(zhuǎn)的第一周內(nèi)擴展至整個盤面(圓周接觸區(qū))。隨著制動過程的持續(xù)，制動盤上的熱區(qū)域由圓周接觸區(qū)擴展至整個制動盤面。同時，熱區(qū)溫度繼續(xù)升高，并在圓周方向上溫度趨于穩(wěn)定。后期將使用實車的試驗數(shù)據(jù)，如速度曲線、制動力曲線、制動減速度曲線、閘片摩擦系數(shù)曲線以及閘片壓力對分析結(jié)果進(jìn)行修正，完成熱計算基礎(chǔ)。

雖然高速旋轉(zhuǎn)的制動盤不僅要承受熱應(yīng)力，還要承受離心應(yīng)力、振動載荷和閘片的壓力。但是通過分析上述結(jié)論可以得出，制動盤溫度越高的區(qū)域應(yīng)力也越高，顯然熱應(yīng)力對制動盤應(yīng)力貢獻(xiàn)最大。

根據(jù)熱應(yīng)力的計算方程： ，其表達(dá)了溫度與熱應(yīng)力的線性關(guān)系，但上述結(jié)果并未按照線性規(guī)律發(fā)展而來，所以可以得出一個重要結(jié)論：即溫度場和應(yīng)力場會相互影響、雙向耦合，并非溫度-應(yīng)力單方面影響。即，溫度場的作用下結(jié)構(gòu)場區(qū)域會產(chǎn)生變形，造成摩擦接觸面變化；進(jìn)而，結(jié)構(gòu)場的變形也會作用到溫度場產(chǎn)的變化。

2　動態(tài)流場分析

通過得到制動盤環(huán)境流場發(fā)展歷程3D云圖。制動盤的環(huán)境流場經(jīng)歷了一個發(fā)展范圍逐漸擴大，尾跡愈發(fā)不規(guī)則的湍流流動過程，不過由于湍流已得到充分發(fā)展，尾跡的范圍不再擴展。盡管其流動速度的幅值不穩(wěn)定，內(nèi)流體團速度矢量隨機無規(guī)律變化，但是熱流體的總體軌跡依然可以從周圍環(huán)境流體中分辨出來。其間熱場與流體場的相互影響非常劇烈，且尾跡幾何狀態(tài)依然隨時間隨機無規(guī)律地，類似湍流形態(tài)的不斷變化，如下圖1：

圖1

3　對流換熱系數(shù)修正后的熱固耦合分析

參照摩擦面上溫度隨時間變化的曲線，在摩擦局域內(nèi)，絕對溫度經(jīng)歷了一個初始急劇上升、隨后逐漸上升以、然后逐漸下降的過程以及最后區(qū)域穩(wěn)態(tài)的過程，這一過程與客觀事實相符，因為制動熱功率起初急劇上升到較高水平，隨后進(jìn)入平穩(wěn)下降過程，最后降低。實際上，在整個制動過程中，制動盤的表面溫度先是處于環(huán)境溫度之下(或基本與環(huán)境溫度相同)，制動盤的旋轉(zhuǎn)角速度為最大值，摩擦區(qū)域線速度為最大值。所以制動熱功率在初始時刻最大，相應(yīng)的流場速度對對流換熱系數(shù)的影響在此刻亦為最大，流場對熱場能量散失貢獻(xiàn)也最大；隨著制動進(jìn)程，制動盤轉(zhuǎn)速慢慢下降，因此產(chǎn)熱功率逐漸下降；流場速度也隨之下降，故而散熱速度下降?；谏鲜龆ㄐ苑治觯梢灶A(yù)測的是制動盤表面的節(jié)點溫度會在某一時刻達(dá)到極值，隨后逐漸下降區(qū)域穩(wěn)定，與分析的趨勢相符。連續(xù)制動或變級位制動的情況暫未考慮。

與上文的溫度時間歷程曲線相比，在對對流換熱系數(shù)進(jìn)行修正之后，曲線出現(xiàn)了峰值，隨后溫度有所降低。而且在制動的過程中各個點的溫度在經(jīng)由初始時刻的環(huán)境溫度之后開始逐漸上升，需要注意的是實際上各個節(jié)點溫度的增加速度并不一致，這就造成了節(jié)點溫度的差異越來越大，較為符合實際情況。隨著制動過程的繼續(xù)進(jìn)行，各個節(jié)點的溫度又趨于一致，這是符合以往制動熱容量測試數(shù)據(jù)的。這說明在經(jīng)修正后的模型能夠更為準(zhǔn)確地反映溫度隨時間變化的過程，以及最后穩(wěn)態(tài)，因此經(jīng)過計算機輔助分析計算得出的對流換熱系數(shù)要更具應(yīng)用價值。

4　依托試驗測試數(shù)據(jù)對比與修正

在最初以一個等效制動盤以及流場模型基礎(chǔ)上，將以往的試驗測試數(shù)據(jù)作為主要邊界條件，可以得到相對準(zhǔn)確的分析結(jié)果。比如，制動閘片的摩擦系并非常數(shù)，而是隨著制動過程變化，因此實際輸出制動力也在變化，如圖2：

圖2 曲線1為實際輸出制動力

因此，在完成通用化、模塊化分析工具后，還需要大量試驗數(shù)據(jù)為支撐。不僅需要更多實測試驗數(shù)據(jù)作為邊界來完善耦合計算時等效邊界條件參數(shù)設(shè)定，用以不斷優(yōu)化經(jīng)驗公式和分析工具；而且更需要大量的車下空氣動力學(xué)試驗、制動盤熱容量試驗數(shù)據(jù)來修正分析計算結(jié)果，使之提高精度接近真實情況。

5　結(jié)語

由于軌道客車的轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)布置相對固定，因此可以將制動盤相應(yīng)基礎(chǔ)制動裝置和制動盤的對流環(huán)境用等效模型表達(dá)，同時基于上述對制動盤的熱流固耦合性能分析和計算的理論方法，獲得通用化、模塊化的分析計算工具。與試驗測試數(shù)據(jù)分析、比對以及邊界條件修正后，能夠?qū)崿F(xiàn)快速、高精度的制動盤熱容量性能分析計算。在未來產(chǎn)品開發(fā)過程中，即可應(yīng)用此工具來快速且相對精地分析出制動盤的熱流固耦合性能，從而驗證制動系統(tǒng)熱容量是否滿足要求。以達(dá)到縮短研發(fā)周期，降低研發(fā)成本的目的。