基于微元法的高速制动盘瞬态温度场仿真分析

高速列车制动时,制动盘摩擦表面的温度场直接影响制动盘表面磨损、相变、热裂纹及其使用寿命。以某型高速列车基础制动装置现役锻钢制动盘为研究对象,建立热载荷模型:考虑制动闸片几何形状和分布对热流密度的影响,建立了基于微元法的摩擦面热流密度计算模型;由于热辐射计算的非线性求解特性,将热辐射系数折算成等效对流换热系数,建立了对流换热模型与辐射换热模型相结合的综合换热模型。考虑到制动盘面和散热筋几何截面的突变性,建立了由盘面和散热筋六面体网格与接触部位过渡网格构成的制动盘热分析有限元模型。对高速列车在200km/h速度下紧急制动时制动盘瞬态温度场进行仿真分析。得到制动盘温度分布规律和温度变化曲线,为制动盘选材及结构优化提供相应理论参考。

面向位移及应力控制的高速重载制动盘表面细观结构优化设计

为了提升高速列车盘式制动器制动盘的表面刚度,并在减小制动振动目标下使其满足强度要求,提出了适用于高速列车制动盘表面细观结构设计的面向位移及应力的多目标优化方法。该方法通过建立制动力矩作用下制动盘表面有限元模型,并施加外侧圆周位移约束及表面全局应力约束,利用折衷规划理论建立包含位移及一阶固有频率的多目标函数,采用形貌优化技术对制动盘表面实施优化。结合机械零件可加工性对优化结果进行重构,通过结构与模态仿真分析校验了重构后具有表面细观结构特征的高速列车制动盘的性能,从而验证了所提出表面细观结构优化方法的有效性。

高速列车制动盘温度场的建模及分析

高速列车在制动过程中,制动盘在制动块的摩擦力作用下温度急剧升高,从而产生了热应力。过高的热应力往往会引起制动盘的疲劳破损,因此在设计制动盘时考虑温度场的影响非常重要。对速度为300km/h的列车在紧急制动工况下的制动盘,建立了含有局部内热源的数学模型和瞬态热传导方程。采用微分求积法,对热传导方程中的温度函数进行关于空间坐标的离散,得到了离散节点上仅含时间自变量的温度函数表示的一阶常微分方程组,然后采用龙格-库塔法求解。最后,对Mechanite Cast Iron G.C.40、AISI301、Chromium Copper Casting三种材料制造的制动盘进行分析和计算,得到了制动过程中温度随时间和沿轮轴半径的变化情况。结果表明:导热好的材料的温度沿径向分布的均匀程度好;制动过程中有动压力作用时,导热好的材料在有效摩擦区域沿径向的温度场与热流的分布规律基本一致,并逐渐趋向于稳态值。

微量合金元素对激光熔覆高速列车制动盘组织的影响

对高速列车制动盘进行表面改性提高耐磨性是制动盘发展的趋势,但激光熔覆镍基自熔性合金粉末后显微硬度过高,且随熔覆层厚度增加开裂趋势越明显。为此,研究采用微合金化技术,探索微量合金元素对熔覆层组织及性能的影响,通过依次添加不同含量的V、Ti、B、Si等合金元素,优化粉末配比,进而达到改善熔覆层目的。研究结果表明:Ti粉末晶粒细化的效果比V粉末更加明显,最佳添加量为1%;B粉末、Si粉末优化含量分别为3.5%和4.5%。熔覆试样摩擦磨损性能测试表明:优化配方的合金粉末熔覆层磨损率低,耐磨性佳,与微观组织观察、显微硬度及成形性的结果相吻合。