制动盘材料选型仿真对比分析

　　0引言

　　国内高速铁路已经进入了高速发展的时期，随着郑西、京沪、武广等高速铁路线和五大城际客运铁路线路等竣工投入使用，国内对时速250公里及以上高速动车组的需求量也日益增大；因此时速250公里及以上动车组是我国现阶段引进和研发的重要项目。随着高动车组速度的不断提高，很大程度上节省了国内两地间的旅行时间，使得全国范围内很多城市之间能做到当天到当天回；然而由于运行速度的提高，对高速列车旅行的安全性要求也不断提高，也越来越受到大众的关注；列车安全性问题中，盘形基础制动系统的好坏是能否保证列车按要求停车的最终保障，而制动盘是其中最为关键的零部件之一，承担着制动过程中产生热能量的80%～90%，因此，制动盘耐温性能和摩擦性能的好坏，决定着列车运行的最终安全。现高速动车组制动盘基本全采用国外进口，按国家铁路部门要求急需进行国产化研制。

　　本文设计了一种高速动车组用制动盘结构，分析了1#和2#两种材料的材料性能，通过利用ANSYS对1#和2#两种材料盘体制动过程温度场、热应力场情况的仿真对比分析，确认适合用于高速列车制动盘的材料，为制动盘的顺利研发奠定理论基础。

　　1制动盘结构和材料参数

　　1.1结构设计图1为设计的制动盘三维结构，该制动盘做了通风结构设计，主要有盘体摩擦面和各种不同结构和作用的散热筋，主要保证盘体制动时的通风散热效果，降低盘体制动过程中的温升。

　　1.2材料选型本文设计了1#和2#两种制动盘盘体材料，分别对两种盘体材料物理特性参数进行试验分析。图2为两种材料的导热系数随温度变化曲线。图3为两种材料线膨胀系数随温度变化曲线。

　　2热分析仿真模型建立

　　2.1结构模型考虑到制动盘在制动过程中受力对称，而且制动盘的结构为中心对称，故采用整个模型的1/12进行计算，这样可以减少计算量，在边界上施加对称边界条件进行计算，扇形区的两个截面采用耦合结点进行处理，这样处理之后与整个盘体的模型等效，而单元数减低为原先的1/12，大大降低了计算成本。划分后的有限元计算模型如图4所示。

　　2.2热载荷条件根据传热学理论，对于无内热源的各向同性材料，其热传导方程为式如下：[1]

　　■+■+■=■■

　　式中，T为温度，（K）；t为时间，（s）；ρ为材料质量密度，（kg/m3）；C材料比热容，（J/（kg·K））；λ为材料导热系数（W/（m·K））。由能量折算法确定制动盘的热流密度[2]：根据能量守恒定律，从能量的角度分析列车的制动过程。假设列车动能全部转化为制动盘的热能，则制动过程中闸瓦与制动盘摩擦产生的热量可由如下公式表示：Q（t）=W=■Mv■■-v■■

　　式中，v0列车初速度，vt为列车制动过车过程中某一时刻速度，t为总制动时间，W为列车动能，M为列车质量。

　　根据热流密度的定义，热流密度q和摩擦热量Q可表出如下：q（t）=■/S

　　式中，S为参与摩擦的制动盘面积，即闸片在制动盘上划过的圆环面积S=πR■-r■。

　　考虑到实际制动过程中，由于存在轮轨摩擦和空气阻力等因素，列车动能只能有一部分转化为热能，又有一部分热量被闸片吸收；因此，引入转换效率概念η，可得热流密度q与时间t的函数关系如下：q（t）=-η■

　　式中，q（t）为t时刻加载于制动盘面的热流密度，（kW/m2）；M为列车质量，（kg）；a为制动加速度，（m/s2）；v0为制动初速度，（m/s）；n为每根轴上装配的制动盘个数；R和r分别为闸片与盘面摩擦的环形区域的外径和内径，（m）。