杜建華，鹿峰凱，翟 翚

（南京中車(chē)浦鎮(zhèn)海泰制動(dòng)設(shè)備有限公司，江蘇 南京 211800）

0 引言

膠輪客車(chē)是一種采用單軌導(dǎo)向，膠輪走行的新型交通工具，是有軌電車(chē)的一種，其制動(dòng)系統(tǒng)采用電氣混合制動(dòng)方式，電制動(dòng)優(yōu)先，電制動(dòng)不足時(shí)進(jìn)行氣制動(dòng)補(bǔ)充；電制動(dòng)失效時(shí)，可以采用純空氣制動(dòng)。

膠輪客車(chē)具有爬坡能力強(qiáng) （最大可達(dá)13%的坡道），制動(dòng)減速度大等優(yōu)點(diǎn)，能良好地適應(yīng)城市復(fù)雜線路。但膠輪客車(chē)在具有優(yōu)越爬坡能力同時(shí)，也面臨著長(zhǎng)大坡道下坡問(wèn)題。車(chē)輛在長(zhǎng)大坡道上下坡時(shí)，必須施加制動(dòng)以抑制車(chē)輛速度的增加，以確保車(chē)輛運(yùn)行的安全。

本文針對(duì)膠輪客車(chē)在長(zhǎng)大坡道下坡過(guò)程中制動(dòng)盤(pán)的熱特性進(jìn)行分析，并從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及材料選擇上提高制動(dòng)盤(pán)性能，以適應(yīng)車(chē)輛長(zhǎng)大坡道的運(yùn)營(yíng)需求。

1 膠輪客車(chē)坡道制動(dòng)特性

制動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)成功與否的關(guān)鍵，在于制動(dòng)時(shí)采用什么方式將巨大的動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌芰坎⑻幚淼?。長(zhǎng)大坡道因巨大勢(shì)能的存在，對(duì)制動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)提出更為苛刻的要求。

1.1 假設(shè)工況

膠輪客車(chē)采用電制動(dòng)和摩擦制動(dòng)混合制動(dòng)方式，電制動(dòng)優(yōu)先，電制動(dòng)不足或者電制動(dòng)失效時(shí)，采用摩擦制動(dòng)進(jìn)行補(bǔ)充。電制動(dòng)完全失效，抑速制動(dòng)全有摩擦制動(dòng)承擔(dān)。

純摩擦制動(dòng)時(shí)，摩擦熱能基本都被制動(dòng)盤(pán)吸收，會(huì)造成制動(dòng)盤(pán)的溫升，連續(xù)坡道下坡時(shí)，制動(dòng)盤(pán)溫升逐漸增大，最終可能導(dǎo)致制動(dòng)失效。故以純摩擦制動(dòng)工況進(jìn)行分析。

1.2 坡道下坡摩擦制動(dòng)功率

車(chē)輛在長(zhǎng)大坡道以恒速下坡時(shí)所需制動(dòng)功率Ni為：

其中，v—車(chē)輛速度（km/h）；m—車(chē)輛總質(zhì)量（kg）；g—重力加速度；i—坡道坡度；0.997為車(chē)輛運(yùn)行阻力系統(tǒng)。

車(chē)輛在下坡運(yùn)行并準(zhǔn)備進(jìn)站停車(chē)時(shí)，瞬時(shí)所需制動(dòng)功率N為：

其中1.08—轉(zhuǎn)動(dòng)慣量系數(shù)；a—車(chē)輛制動(dòng)減速度。

膠輪客車(chē)的基本參數(shù)如表1所示。

表1 膠輪客車(chē)的基本參數(shù)Tab.1 Basic parameters of Rubber-tyred coach

經(jīng)計(jì)算，下坡時(shí)所需的制動(dòng)功率Ni為1242kw；準(zhǔn)備進(jìn)站停車(chē)時(shí)，最大瞬時(shí)制動(dòng)功率N為6506kw。

制動(dòng)功率越大則單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)熱量就越大；所有這熱量有約90%由制動(dòng)盤(pán)吸收再散熱發(fā)到空氣中，這個(gè)過(guò)程中制動(dòng)盤(pán)會(huì)溫升，當(dāng)溫升高到材料使用極限溫度時(shí)，制動(dòng)盤(pán)磨損會(huì)加大，導(dǎo)致熱裂紋、熱斑或者剝離出現(xiàn)。故制動(dòng)設(shè)計(jì)時(shí)，要對(duì)制動(dòng)盤(pán)進(jìn)行溫升評(píng)估和熱容量分析。

2 仿真分析

利用Abaqus仿真軟件對(duì)在長(zhǎng)大坡道工況下的制動(dòng)盤(pán)進(jìn)行熱容量分析，將制動(dòng)功率用另外一種形式—“熱流密度”加載進(jìn)模型中進(jìn)行模擬計(jì)算。

熱流密度公式為：

式中，q（t）—t時(shí)刻加載于制動(dòng)盤(pán)面的熱流密度（kw/m2）；M—軸重（t）；a—制動(dòng)減速度（m/s2）；n—摩擦面數(shù)；η—制動(dòng)盤(pán)吸收的摩擦熱能所占的比例；R和r為摩擦面外徑和內(nèi)徑（m）。

2.1 仿真分析方法

制動(dòng)盤(pán)盤(pán)體材料以HT250為例，收集獲取材料參數(shù)、車(chē)輛參數(shù)及工況，通過(guò)這些參數(shù)推導(dǎo)出熱流密度、對(duì)流換熱系數(shù)，用于加載到仿真計(jì)算的邊界條件中，見(jiàn)表2。

表2 HT250材料參數(shù)隨溫度變化關(guān)系表Tab.2 Material parameters variation of with temperature

利用三維造型軟件進(jìn)行制動(dòng)盤(pán)的實(shí)體建模，利用Abaqus進(jìn)行幾何清理和網(wǎng)格劃分，并作為求解器，導(dǎo)入相關(guān)邊界條件，進(jìn)行熱力耦合分析，計(jì)算并描述出工況下溫度曲線及云圖，見(jiàn)圖1。

圖1 制動(dòng)盤(pán)的實(shí)體模型及網(wǎng)格圖Fig.1 Solid model and grid diagram of brake disc

2.2 坡道下行抑速行駛及制動(dòng)停車(chē)仿真分析結(jié)果

在工況 （坡道下行，最高速度80km/h，100%摩擦制動(dòng)，單個(gè)盤(pán)承擔(dān)軸重5.5t，摩擦制動(dòng)理論減速度5m/s2，坡道13%，坡道長(zhǎng)度為1.41km，加速度1.3m/s2）下，仿真分析結(jié)果如圖2、圖3所示。

圖2 溫度曲線Fig.2 Temperature curve

圖3 溫度云圖Fig.3 Temperature nephogram

由圖2、3可以看出，時(shí)速80km/h坡道下坡時(shí)，靠摩擦制動(dòng)進(jìn)行抑速制動(dòng)，則制動(dòng)盤(pán)的溫升會(huì)很大，當(dāng)運(yùn)行15s，運(yùn)行距離約330米時(shí)，制動(dòng)盤(pán)溫度已經(jīng)上升到400℃；當(dāng)坡道運(yùn)行到坡地時(shí)，理論溫度已經(jīng)超過(guò)千度，再加上緊急制動(dòng)停車(chē)的會(huì)使制動(dòng)盤(pán)溫升再增加約350℃。

2.3 坡道下行緊急制動(dòng)停車(chē)仿真分析結(jié)果

在工況（坡道下行，最高速度80km/h，100%摩擦制動(dòng)，單個(gè)盤(pán)承擔(dān)軸重5.5噸，摩擦制動(dòng)理論減速度5m/s，坡道13%，加速度1.3m/s）下，仿真分析結(jié)果如圖4所示。

圖4 溫度曲線（左）及云圖（右）Fig.4 Temperature curve （left） and nephogram （right）

由上述分析結(jié)果可知，在工況下，二次緊急制動(dòng)工況后，制動(dòng)盤(pán)的最高溫度約為484℃，鑄鐵盤(pán)允許最高溫度為400℃，因此該制動(dòng)盤(pán)在該工況下使用，已經(jīng)超過(guò)制動(dòng)盤(pán)允許的最高溫度要求。

3 制動(dòng)盤(pán)優(yōu)化設(shè)計(jì)

制動(dòng)盤(pán)的承熱和散熱性能不足，可以通過(guò)改變材料，提高制動(dòng)盤(pán)的承熱能力；通過(guò)調(diào)整散熱筋的結(jié)構(gòu)，改善制動(dòng)盤(pán)的散熱性能。

3.1 制動(dòng)盤(pán)材料

目前使用制動(dòng)盤(pán)材料有鑄鋼、鍛鋼、灰鑄鐵、蠕墨鑄鐵、鋁合金。其中城際車(chē)、動(dòng)車(chē)、高鐵多采用鑄鋼、鍛鋼；地鐵、城際車(chē)輛多采用灰鑄鐵、蠕墨鑄鐵，也有部分采用鋁合金；低地板車(chē)輛多采用灰鑄鐵。各材料的制動(dòng)盤(pán)應(yīng)用速度范圍如圖5所示。

圖5 不同材料制動(dòng)盤(pán)應(yīng)用速度范圍Fig.5 Different materials of brake disc application speed range

材料特性主要體現(xiàn)楊氏模量、線膨脹系數(shù)、導(dǎo)熱系數(shù)、比熱容等參數(shù)的變化；不同材料的承受溫度極限有所不同，如鑄鐵約400℃，鋼約550℃，鋁合金約為375℃，碳纖維為 1000～2000℃。

第2節(jié)分析中，制動(dòng)盤(pán)溫度已經(jīng)超過(guò)400℃，故應(yīng)選用耐溫更高的材料，如可以采用鑄鋼材料。

3.2 散熱筋結(jié)構(gòu)

散熱筋的主要作用是通風(fēng)散熱，但在不制動(dòng)時(shí)，由于制動(dòng)盤(pán)具有泵風(fēng)特性也要消耗一部分功率，稱(chēng)為泵風(fēng)功率或通風(fēng)損耗功率。泵風(fēng)功率和速度成正比關(guān)系。如圖6所示。若散熱筋的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，能在不加大泵風(fēng)功率的同時(shí)，達(dá)到最大的散熱效果，從而提高制動(dòng)盤(pán)的性能。

圖6 某制動(dòng)盤(pán)的制動(dòng)功率與泵風(fēng)功率關(guān)系、散熱筋形狀與泵風(fēng)關(guān)系Fig.6 Relationship between braking power and pum p power，Relationship between heat dissipation rib shape and pum p w ind of a disc

SABWabco公司曾進(jìn)行大量并得到很多數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)表明不同的散熱筋形狀及其排布對(duì)泵風(fēng)功率有很大的影響。其中混合型的相對(duì)散熱效果更優(yōu)，見(jiàn)圖7。

圖7 散熱筋結(jié)構(gòu)Fig.7 Radiating rib structure

4 優(yōu)化后仿真結(jié)果

優(yōu)化制動(dòng)盤(pán)結(jié)構(gòu)、散熱筋，并將制動(dòng)盤(pán)材料替換為鑄鋼材料后，重新計(jì)算出熱流密度、對(duì)流換熱系數(shù)，實(shí)體建模，在2.3節(jié)相同工況下進(jìn)行仿真，得到的結(jié)果如圖8所示。

由上述分析結(jié)果可知，在同樣的制動(dòng)工況下，二次緊急制動(dòng)后制動(dòng)盤(pán)的溫度最高為385℃，比優(yōu)化前溫度（480℃）要低約95℃，同時(shí)鑄鋼的耐熱溫度可達(dá)600℃，優(yōu)化后制動(dòng)盤(pán)有了充裕的熱容量。

由此可見(jiàn)，通過(guò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) （散熱筋）和材料選擇，可以?xún)?yōu)化設(shè)計(jì)出適應(yīng)長(zhǎng)大坡道工況的制動(dòng)盤(pán)。

圖8 優(yōu)化后的溫度云圖Fig.8 emperature nephogram after optimization

5 結(jié)論

通過(guò)本文的分析討論，可以得出以下結(jié)論：

（1）鑄鐵材料不能滿(mǎn)足膠輪客車(chē)長(zhǎng)大坡道的運(yùn)營(yíng)需求，可以通過(guò)將材料替換為鑄鋼材料，提高制動(dòng)盤(pán)的承熱能力。

（2）通過(guò)優(yōu)化散熱筋結(jié)構(gòu)，可以提高制動(dòng)盤(pán)散熱性能，降低溫升。

綜上，可以通過(guò)材料選型及結(jié)構(gòu)優(yōu)化，設(shè)計(jì)出可以滿(mǎn)足膠輪客車(chē)在坡道運(yùn)營(yíng)所需的制動(dòng)盤(pán)。