列车制动盘散热特性分析及拓扑优化

针对紧急制动工况下制动盘散热问题,采用计算流体力学分析方法对某型通风式制动盘进行了散热特性研究。对制动盘内部流道速度场和对流换热等进行评估,在此基础上,采用由N-S方程与达西定律耦合成的Brinkman方程拓扑优化,实现制动盘散热能力提升的优化目标。结果表明:优化后的模型在整个制动工况中散热量提高了13.46%。

服役损伤对制动盘疲劳裂纹扩展行为的影响

制动盘是高速列车制动系统的重要元件,其复杂的服役工况会使制动盘出现多种形式的服役损伤,影响制动盘后续的可维修性和服役安全性。选取未服役制动盘和产生翘曲变形且摩擦面出现疲劳裂纹的服役后制动盘为研究对象,通过测试服役前后制动盘材料在不同温度下的拉伸力学性能,构建了受摩擦面深度和温度双参数影响的力学性能衰退模型来表征制动盘的材料损伤。通过构建不同制动工况下制动盘三维瞬态仿真模型,得到了服役后制动盘的结构变形和残余应力状态来表征制动盘的结构损伤。基于Paris理论进行制动盘疲劳裂纹扩展寿命分析,评估了服役损伤对制动盘疲劳裂纹扩展能力的影响。结果表明:长期服役后制动盘本体材料力学性能会发生衰退,从摩擦面表层至心部呈现梯度分布,近表层材料强度下降约20%,制动盘残余应力释放后会使盘体产生碟形翘曲变形。服役后制动盘的力学性能衰退使裂纹前缘的应力强度因子水平显著高于服役前制动盘,摩擦面中部裂纹沿制动盘径向的扩展速率大于沿深度方向,使裂纹深长比不断减小。与服役前制动盘相比,服役后制动盘摩擦面中部裂纹从0.5 mm扩展至70 mm的扩展寿命降低了48%。螺栓孔处疲劳裂纹扩展初期主要沿深度方向扩展,随着裂纹尺寸增加沿制动盘径向与深度扩展速率逐渐一致,服役后制动盘螺栓孔裂纹从0.5 mm扩展至50 mm的扩展寿命与服役前相比降低了29%。本文的研究方法可用于不同损伤程度的制动盘本体性能表征与失效分析,对服役后制动盘的检修维护、保障制动盘的安全运用具有工程参考价值。

轻量化高速列车制动盘材料-结构研究进展

400 km/h高速列车紧急制动的强热负荷,导致制动盘温升高、温度分布梯度大和热衰减强,已超出钢质制动盘能载极限,开发耐高温强耐磨的制动盘材料,同时提升制动盘通风散热能力成为制动技术发展瓶颈。综述高速制动盘材料从高强度铸钢和锻钢、轻量化铝基复合材料至耐高温耐磨碳陶复合材料和表面改性技术发展历程,随着碳陶复合材料的台架试验和表面改性技术的摩擦磨损试验研究的深化,表面改性轻质复合材料是制动盘材料未来发展方向。概述通风制动盘内部散热层散热筋结构形貌优化、摩擦层表面耐磨性能改善的发展现状,内部散热筋由直通道设计逐渐演化为弯曲、支柱以及分形通道,镂空结构能更好地加速空气流动提高散热;表面摩擦层引入打孔或划线,更易于摩擦粉尘的抛离从而稳定摩擦因数,保持制动效果;但复杂通风导流结构和打孔划线增加了制备工艺的难度,提出高速制动盘结构构型设计需要综合材料热力学性能、制备工艺及耐热耐磨需求,形成材料-结构-功能—体化设计理念,为实现更高速的制动盘优化设计提供参考。

车辆通风式制动盘内部通道对流换热的分析

为进一步改善车辆通风式制动盘散热效果,提升其制动性能,加强车辆行驶稳定性,本文以通风式制动盘对流换热影响要素作为切入点,明确了制动盘通道对流分析方法,基于温度与气流两方面针对车辆制动盘通道对流换热进行了试验,并按照流场分析、肋板结构优化等角度对制动盘通道换热优化方案进行了构思,最终对换热优化设计成效进行了比对和研究,力求实现车辆制动盘结构内部散热与流阻之间的有机平衡,保障车辆制动系统运行过程中的安全可靠。

高速铁路列车制动盘散热筋布置间距研究

[目的]当列车设计速度达到400 km/h等级后,车下流场环境会更加复杂,使得制动盘阻力、功率消耗加剧问题更加凸显,需要对该速度等级下列车制动盘散热筋的最优布置间距进行深入研究。[方法]基于圆柱型散热筋结构,通过有限元仿真手段建立模型,并输入了相关参数值。针对相邻两周散热筋的圆心距d周向设置了四个计算工况,针对相邻两周间的距离d径向设置了五个计算工况,分别计算不同d周向、d径向对制动盘温升、阻力及散热功率的影响,进而得到d周向及d径向的建议取值。[结果及结论]d径向=40 mm(即散热筋与制动盘边缘的距离同制动盘直径之比为0.75)时,制动盘温升达到最低值,制动盘的性能较优;散热筋直径为d周向的一半时,制动盘综合性能最优。

基于热固耦合的制动盘热变形仿真及影响分析

为了控制制动盘的温升和热变形,进一步提升汽车的安全性,舒适性和经济性,需要系统性的分析关键设计参数对性能的影响,并针对性的进行优化。汽车制动盘的热变形,是制动系统开发中的关键指标,通过控制关键设计因素,从而降低制动盘热变形,对提升制动系统性能具有重要意义。通过对制动盘热变形的影响因素进行了总结分析,以某车型通风制动盘为研究对象,基于热固耦合方法,对热变形的影响因素进行研究。结果表明,摩擦环设计、盘帽/摩擦环连接处设计、以及盘帽设计对制动盘的热变形有重要影响。

机车车辆制动盘用多功能检查器的设计

本文设计了一种铁道机车车辆制动盘用多功能检查器,该检查器可同时实现机车车辆制动盘变形量、裂纹长度和磨耗量的测量,使用此检查器可以实现机车检修员从事制动盘检修时从至少携带三种检测工具减少到一种,在检修时无须频繁更换工具,提高了工作效率,减少了工作负担,从而高效地完成机车检修计划。

基于NSGA-Ⅱ算法的制动盘通道内回流区散热优化

为提高通风式制动盘通道内回流区的对流散热性能,以通风式制动盘内部直叶片为研究对象,并基于遗传算法来进行结构优化。首先,采用最优拉丁超立方法进行数据采样,拟合响应面代理模型并验证代理模型的准确性;其次,在直叶片模型的基础上,选取3个结构参数:槽的宽度、槽的倾斜角度和叶片数量为优化变量,以质量流量和对流换热系数最大为目标,对制动盘内部进行优化设计,得到Pareto最优解;最后,比较优化前后两种制动盘通道内流体流动和散热效果。结果表明:优化后的槽叶片有效削弱了通道内的回流区域,使气流分布更加均匀;相较于直叶片制动盘,槽叶片制动盘的泵送质量流量能力提高了12%,通道内散热率提高了5.6%,总体散热高了9%。

制动盘黑斑缺陷的成因分析与防止措施

介绍了实心制动盘和通风制动盘铸件的结构,铸件在加工后发现在制动面根部出现黑斑缺陷,其外观形貌和出现部位类似,仅通过宏观形貌很难区分。利用EVO18钨丝灯扫描电镜、OXFORD电制冷能谱、ZEISS金相显微镜对缺陷的微观形貌进行检验对比,发现两种缺陷存在明显差别,结合形成机理,认为两种缺陷分别为缩松和石墨粗大。最后通过增加冒口颈模数,增大冒口补缩通道,解决了实心制动盘的缩松问题;通过在安装面根部以及摩擦面与安装面之间铸出凹槽,减少局部热节,解决了石墨粗大问题。

基于门控循环单元的动车组制动盘温度模型构建与预测研究

文中提出了一种基于人工神经网络的动车组制动盘温度预测模型。该模型利用门控循环单元获取参数的时序特征,预测高速动车组紧急制动过程中制动盘温度变化。以某动车组制动运行试验的实测数据进行模型训练,预测不同初速度制动工况下制动盘温度变化情况。同时将预测结果与其他3种人工神经网络模型进行比较。结果表明,基于门控循环单元的制动盘温度预测模型效果显著,能有效提取数据特征,为制动盘温度预测提供了一种新的思路。

动车组碳陶(C/C-SiC)制动盘开发与特性研究

采用化学气相渗透法和反应熔体浸渗法组合工艺制备了缩比碳陶制动盘,盘体材料抗拉强度106 MPa、抗压强度355 MPa、抗弯强度195 MPa,垂直和水平方向导热系数分别为41.1、38.8 W/(m·℃),导热性与强韧性协调关系较好。匹配粉末冶金闸片开展了碳陶制动盘摩擦磨耗缩比试验,基于试验结果建立并修正了制动盘传热过程的有限元仿真模型。试验与仿真分析结果表明:碳陶制动盘的耐磨性和耐热性均较好,且对偶闸片摩擦系数稳定、磨耗量满足行业标准要求。

高速动车组制动盘疲劳寿命模型研究及应用

为掌握制动盘实际服役状态下的疲劳特性,从高速动车组铸钢制动盘材料本身的疲劳性能切入,对国内某厂家铸钢制动盘材料在不同温度、不同应力状态下进行了有限寿命疲劳试验研究,建立了制动盘材料温度—应力—疲劳寿命模型。基于研究建立的制动盘疲劳寿命模型,为制动盘在不同服役工况提供可用次数参考。以坡道线路上进行一次紧急制动工况为算例,对铸钢轴装制动盘温度和热应力进行仿真分析,获得该工况下制动盘可用次数。

列车制动盘温度演变规律试验研究

基于TM-I型缩比惯性试验机,结合红外热像仪,在制动压力0.35~0.80 MPa、制动初速度60~160 km·h~(-1)条件下,以蠕墨铸铁制动盘为参考系,试验研究铝基制动盘的温度演变规律。结果表明:在制动压力0.80 MPa条件下,制动初速度由100 km·h~(-1)增至160 km·h~(-1)时,铝基制动盘峰值温度场由均匀分布转变为多条分离的带状分布,而铸铁制动盘均有宽度约为10 mm的高温带出现;2种制动盘峰值温度均随制动压力和制动初速度的升高而升高,但在制动过程中铝基制动盘的瞬时峰值温度呈“稳步上升”型,在制动后期下降不明显,而铸铁制动盘则为先快速升高,再“锯齿形”爬升,最后有所下降;制动压力为0.65 MPa时,制动初速度由80 km·h~(-1)增至160 km·h~(-1)时,铝基制动盘径向最大温差由31℃增至56℃,最大温度梯度由1~2℃·mm~(-1)增至3~4℃·mm~(-1),而铸铁制动盘最大温差则由139℃增至233℃,最大温度梯度由7~8℃·mm~(-1)增至10~11℃·mm~(-1),均缘于铝基制动盘的硬度低,导热性能好,变形协调能力强,有利于接触面积最大化,促使制动能量均匀分布,从而降低了局部高温区的形成和温差。

基于Kriging模型与MOGA的制动盘响应面优化

针对盘式制动盘在制动过程中的热衰退现象,以Xhu-panda纯电动方程式赛车的制动盘为研究对象,根据设计要求用ANSYS建立简化制动盘CAE模型,并以制动盘厚度、通风孔直径作为设计变量,制动最高温度、制动盘最小质量为设计目标建立Kriging模型,运用多目标遗传算法(MOGA)寻求设计目标的Pareto最优解。通过对响应面优化及验证结果进行对比分析,优化前后制动最高温度最大可降低7.50%,优化效果显著。证实了响应面优化方法的可行性,并为制动盘结构设计提供一定的参考。

矿井提升机制动盘状态监测及制动系统的优化

针对提升机系统采用非闭环控制模式所存在的制动速度慢、制动冲击大、稳定性不足的问题,提出了一种新的提升机制动盘状态监测及制动系统。其利用制动盘状态监测模块实现了对制动盘状态的实时监测,为制动系统提供基础数据信息并实现了闭环调控,解决了传统控制模式只能根据预设程序制动效果差的不足。对整个系统结构、制动盘监测方案及实际应用情况进行了研究。结果表明,新的制动系统能够将提升机制动反应速度降低33.3%,将制动冲击力降低72.4%,极大提升了提升机的运行稳定性和可靠性。

高速列车制动盘热力耦合数值仿真分析

电制动失效时,盘形制动等摩擦制动产生的热负荷是影响列车运行安全的重要因素。建立典型制动盘模型,研究不同制动工况下的制动盘热力耦合,获得制动盘的温度场及应力场和不同工况下制动盘的温度分布规律,即在制动开始时,制动盘温度很快上升至最高值,随后盘温缓慢下降;受到机械应力及热应力共同影响,制动盘最大应力产生在制动盘与螺栓连接处。通过制动盘热力耦合仿真得出,制动盘的工作性能除了受散热片和材料影响之外,其螺栓连接强度也会影响制动盘性能。

某乘用车制动盘温升分析与优化设计

为了得到满足温升要求且质量轻的制动盘结构,同时也为制动盘的温升优化设计开发提供理论依据,以某乘用车通风前制动盘为研究对象,创建制动盘的单次制动温升和连续10次制动温升的有限元瞬态热仿真分析模型,将制动盘的结构参数作为制动盘温升优化分析的设计变量,建立制动盘温升响应面分析模型,采用遗传算法以制动盘的温升为约束条件,质量最小为目标,对制动盘温升分析的响应面模型进行优化。结果表明,基于响应面分析模型得到的制动盘温升优化结果具有较高的可靠度,其中优化后的制动盘单次制动温升为93.4℃,连续10次制动温升为375.9℃,同时优化后的制动盘分别基于响应面分析模型和有限元瞬态热仿真分析模型计算得到的制动盘质量、单次制动结束时的温度、第10次循环制动结束时的温度结果的误差分别为1.05%、0.48%、0.32%,误差值均在可接受范围内。

制动盘单次制动温升台架测试方法优化

针对现有的台架测试方法存在测试时间长、人为因素影响大以及参数调整不灵活等问题,研究提出自动化测试优化方法,包括自动化测试、参数优化手段,基于有限元分析模拟制动过程,以优化摩擦副接触压力分布为例,验证优化方法有效性。研究表明,优化方法对制动盘的变量改变基本在10%以内,能有效控制制动盘变量,温升台测试均方差减少90%。其中最大接触压力位于制动活塞压缩处,接触压力分布显著改善,能够以最小变量实现最佳的优化效果。可见优化方法成功提高了测试方法的准确性和效率,并提供了有效的变量优化,也为制动盘性能评估提供了可靠的数据支持。

高速列车碳陶制动盘制动性能对比研究

针对碳陶制动盘在全制动工况下制动能力不明的问题,提出了一种基于匹配参数表征的制动盘制动性能对比分析方法。分别考虑以制动减速度为特征的动力学性能,和以盘面最大温升累积为特征的热力学性能,建立适用于多种线路工况的碳陶制动盘制动性能仿真分析模型。仿真实验结果表明,在设定工况下碳陶制动盘的紧急制动距离最高可达6726 m,盘面最高温度可达941.4℃;在紧急制动模式下实施制动,盘体温升速率明显提升,对高速列车制动单元的安全性产生威胁。

动车组轮装制动盘整形修复技术研究

为节约动车组运营维护成本,实现制动盘的重复利用,开展某型动车组轮装制动盘修复技术研究。结合国内外动车组制动盘整形修复技术,同时开展了冷整形、热整形和冷热结合整形工艺验证,研究得出冷整形能显著降低制动盘的翘曲变形,但无法消除波浪变形;热整形能有效控制制动盘的波浪变形,但不能完全消除制动盘的翘曲变形;冷热结合整形工艺可有效控制制动盘的翘曲变形和波浪变形,整形后的制动盘变形量均能达到规定要求。通过多次验证最后开发出制动盘冷热结合的整形修复技术及修复工艺参数,试验结果显示,冷热结合整形修复工艺不影响制动盘的各项性能指标,修复后的制动盘满足修复技术条件的要求。