高速列车刹车片偏摩现象的研究

2013-06-15阎树田邹本涛

机械与电子 2013年4期

阎树田，邹本涛，高升

（1.兰州理工大学数字制造技术与应用省部共建教育部重点实验室，甘肃兰州 730050；2.兰州理工大学机电学院，甘肃兰州 730050）

0 引言

长期以来，我国列车一直在低速状态下运行，而铁路的高速化程度是评判国家交通发达与否的一个重要标志。随着我国高速铁路的快速发展［1］，其各项性能要求也相应提高，尤其对制动性能提出了更严格的要求，制动系统中刹车片的性能好坏对列车制动效果有着非常大的影响。目前，列车的紧急制动主要是依靠车辆制动系统中的制动盘和刹车片摩擦副的摩擦实现的，而制动系统中刹车片的偏摩现象对列车制动效果有着非常大的影响，所谓偏摩现象是由于高温而引起的刹车片组会发生热降解等一系列反应，在接触界面形成转移膜，出现热衰退和氢脆现象［1］。因此，研究偏摩现象的产生对于提高刹车片的性能是必要的。

1 边界条件

1.1 边界条件的确定

根据传热学原理，边界条件的确定是热分析的前提。高速列车紧急制动时，制动盘的边界条件为:刹车片和制动盘摩擦产生的热流密度、刹车片与周围空气的对流换热。

1.2 计算参数

制动初速度为300km／h，拖车车轮半径为457.5mm，所以制动盘的制动初速度为:

ω0为拖车车轮的初始角速度，即为轴盘的初始角速度；v0为列车的初始速度。

300km／h紧急制动客车的纯空气制动作用距离限制为S＝4500 m，列车的设计制动距离取规定制动距离值的95%，制动空走时间tk＝2.5s。

列车实际制动的距离为:

假设闸片压力恒定，不随时间变化，那么平均转动角减速度为:

实际制动时间为:

制动减速度为:

1.3 热流密度

把制动盘和刹车片之间产生的摩擦热以热流密度的形式加载于刹车片上，任意时刻产生的热量为［2］:

m为每个刹车片承担的制动质量，即轴重除以盘数；v0为列车的初速度；v为列车任意时刻的行驶速度［3］。

热流密度函数为将热量Q对时间求导，由于制动盘和刹车片的材料属性不同，热量分配存在一个系数，所以这个系数不是个定值，根据前人的经验通常取这个值为0.15或者0.10，故刹车片的热流密度为:

1.4 对流换热系数

对流换热系数与物体的材料无关，它取决于空气流动状态、制动盘的几何形状，所以不同部位的换热系数也不相同，并且随着时间而变化，在自然对流散热状态下，对流系数与温度相关。在制动过程中，制动盘的圆周面和空气对流换热时，空气Re数为:

根据传热学知识可知，制动盘的对流换热系数为:

Pr为普朗特常数；λa为空气导热系数；L为壁面长度；u为空气流动速度；λ为空气的运动粘度。

a.制动盘面上u的确定。制动盘的运动是车轮随列车的平动加制动盘自身的旋转，故盘面上某点的空气流动速度u是列车行驶速度v与该点制动盘自转线速度vr的集合合成。为简化起见，假设v与vr相互垂直，则列车制动盘面上气流速度为:

秸秆等生物质原料在施加一定的外部压力的作用下，由于物料间以及物料和模辊间的相互摩擦，物料达到一定温度，再加上木质素的黏结作用，使植物体变得致密均匀，当取消外部压力后，由于纤维分子之间的相互缠绕，一般不能恢复原来的结构和形状，冷却以后强度增加，成为成型燃料[6]。

b.散热筋板处u的确定。筋板间的几何结构复杂，其空气流速难以精确计算，故以列车速度v来近似空气流速u。

2 材料特性

制动盘和刹车片的主要物理参数如表1所示［3］。

表1 制动盘和刹车片的主要物理参数

3 制动器模型的建立

在盘式制动器热结构耦合场的计算模型中有很多复杂的因素，因此，为了简化计算，对制动器的计算模型作出如下假设［4］:制动盘和刹车片的材料均匀且各向同性；制动过程中制动系统的初始温度和环境温度均为20℃；制动盘和刹车片接触面为理想平面；作用在刹车片背面的压力均匀分布；忽略材料的磨损；制动过程中制动盘无抱死且处于纯滚动状态；仅考虑热传导和热对流，而忽略热辐射。

3.1 简化模型及网格划分

盘形制动是在车轴或车轮辐板侧面安装制动盘，制动时用制动夹钳使2个刹车片紧压制动盘侧面，通过摩擦产生制动力，将列车动能转变成热能消散于大气。

在ABAQUS有限元仿真分析中，首先，需要确定单元类型，单元类型的选择关系到整个仿真过程的求解效率和求解精度等。

其次，是网格划分控制，它可以建立实体模型在划分网格中所需要的各种参数，如单元类型、中间节点位置和单元大小等。网格划分控制是整个分析中最重要的影响因素之一，因为网格划分控制的设置直接决定了生成的模型在分析求解时能否满足准确性与经济性。

网格划分如图1所示，具体步骤如下所述。

图1 网格划分模型

a.根据制动盘的实际模型结构，将相应平面分别进行分割，为后面的分块划分网格做贡献。

b.分割完成后，对所有的分割块分撒种子，其中需要注意的是分割块的公共边上的种子数要保持一致，使各节点保持重合。

c.检查节点重合情况以及网格划分是否扭曲或交叉等，确保单元划分正确。

3.2 载荷与边界条件施加

在所建立好的模型基础上进行载荷与边界条件约束以及加载，其步骤为:

a.将制动盘内侧环面定义为刚体，并在其质心处施加随时间而变化的转速ω（t）。

b.对制动盘对称剖面上的节点的轴向自由度进行约束，只保留住其转动自由度。

c.在刹车片上施加随时间变化的制动压力。

d.在制动盘的工作面和外圆侧面分别施加对流换热系数。

4 偏摩现象分析

图2 温度变化趋势

图3 接触力变化趋势

由图2和图3分析可知，刹车片进摩擦区温度高于出摩擦区温度。在一定压力条件下，磨损量与最大表面温度之间是有一定的函数关系。最大表面温度区域由于高温而引起的刹车片组会发生热降解等一系列反应，在接触界面形成转移膜，出现热衰退和氢脆现象，导致磨粒的形成，加剧刹车片磨损。因此，随着最大表面温度区域向出摩擦区转移，磨损也逐步向出摩擦区转移，在这种现象出现的同时，温度场分布还具有从外向内转移的趋势，因此，还有从外向内的磨损趋势。