Energy model based sensorless estimation method for operational temperature of braking resistor onboard metro vehicles

Purpose–This study aims to improve the availability of regenerative braking for urban metro vehicles by introducing a sensorless operational temperature estimation method for the braking resistor(BR)onboard the vehicle,which overcomes the vulnerability of having conventional temperature sensor.Design/methodology/approach–In this study,the energy model based sensorless estimation method is developed.By analyzing the structure and the convection dissipation process of the BR onboard the vehicle,the energy-based operational temperature model of the BR and its cooling domain is established.By adopting Newton’s law of cooling and the law of conservation of energy,the energy and temperature dynamic of the BR can be stated.To minimize the use of all kinds of sensors(including both thermal and electrical),a novel regenerative braking power calculation method is proposed,which involves only the voltage of DC traction network and the duty cycle of the chopping circuit;both of them are available for the traction control unit(TCU)of the vehicle.By utilizing a real-time iterative calculation and updating the parameter of the energy model,the operational temperature of the BR can be obtained and monitored in a sensorless manner.Findings–In this study,a sensorless estimation/monitoring method of the operational temperature of BR is proposed.The results show that it is possible to utilize the existing electrical sensors that is mandatory for the traction unit’s operation to estimate the operational temperature of BR,instead of adding dedicated thermal sensors.The results also validate the effectiveness of the proposal is acceptable for the engineering practical.Originality/value–The proposal of this study provides novel concepts for the sensorless operational temperature monitoring of BR onboard rolling stocks.The proposed method only involves quasi-global electrical variable and the internal control signal within the TCU.

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%。

城市轨道交通车辆段再生制动能量电阻吸收装置选型及散热分析

[目的]城市轨道交通车辆段再生制动能量电阻吸收装置散热量较大,为有效解决此类装置的散热问题,需对再生制动能量电阻吸收装置进行选型,并对其散热能力进行分析。[方法]通过推导得出的城市轨道交通车辆段再生制动能量的计算方法,以及车辆段内的列车运行工况,对再生制动能量电阻吸收装置的电阻值选取、选型及散热分析等方面进行了详细分析。[结果及结论]结合列车在车辆段内的实际运行工况,提出了车辆段再生制动能量电阻吸收装置中制动电阻的计算及选取方法。再生制动能量电阻吸收装置的散热量一般依据该装置峰值功率,并结合其间歇工作的特性进行估算,但该计算方法未考虑热电阻工况,其理论计算值与实际运行工况存在一定程度的偏差。提出了再生制动能量电阻吸收装置的散热功率估算方法,以及散热功率的校验方法,并提出了该装置布置方式的建议方案。

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%。

无温度传感器下地铁车辆制动电阻温度在线监测方法

[目的]为实现无温度传感器下地铁车辆制动电阻的实时温度监测,提出一种无需额外安装传感器的新型制动电阻温度估算方法。[方法]对制动电阻结构和散热过程进行分析,建立由制动电阻单元及其冷却域构成的控制体温度模型,基于能量守恒定律与牛顿冷却定律构建制动电阻单元温度及控制体内冷却空气平均温度方程组,根据制动电阻阻值与温度的关系不断更新制动电阻发热功率并迭代计算,得到制动电阻的实时温度。通过有限元热仿真得到稳态和瞬态下的制动电阻温度分布,对新型制动电阻温度估算方法进行验证。[结果及结论]基于直流牵引网电压与斩波电路占空比计算制动电阻发热功率,无需额外安装传感器,可实现对硬件的纯软件替代。该方法与制动电阻温度估算算法相结合,提高了制动电阻温度估算的可靠性。新型制动电阻温度估算方法得到的制动电阻温度与基于Fluent软件的热仿真结果基本一致,其相对误差在可接受范围内,证明了该估算方法的有效性。制动电阻温度实时估算方法可实现制动电阻温度在线监测,并根据实时监测的制动电阻温度值调节地铁车辆电制动力指令值,提高牵引传动系统的可靠性及安全性。

高速列车制动盘设计中若干问题的研究现状

高速列车制动盘是列车制动系统的核心工作零件,通过制动盘与制动闸片间的摩擦接触将动能转化为热能以实现紧急制动,进而保证列车安全,因此制动盘的性能直接影响列车的制动效果。随着列车提速,制动过程需要吸收更多的能量,从而导致制动盘温度快速升高甚至超出材料的安全使用范围,这将使现有制动盘设计无法满足工程需求,因此必须研制性能更优的制动盘产品。制动盘的设计是一个系统性问题,涉及制动盘的材料、结构、成形方法、热处理等多方面内容且各因素互相影响。其中,新材料的研发是制动盘研究的重要内容,其发展方向为工程陶瓷基复合材料和复合纤维基材料,但材料自身缺陷及制备工艺不成熟导致其仍处于实验室阶段,而工业生产中多使用铸钢和锻钢。目前对制动盘的结构设计仅考虑了结构成形性,导致其结构设计冗余、散热能力有限,本文在结构设计部分重点介绍了制动盘散热特性和应力分布两方面的研究,并分析了现有研究方法的特点和存在的问题,指出试验-仿真方法对新型制动盘的设计及性能评估意义重大。在制备工艺方面,表面强化、增材制造等新技术的引入增大了制动盘的设计自由度,有利于产品性能的提升。本文从材料性能、结构设计和制备工艺三个重要方面详细阐述了制动盘的研究现状,对高速列车制动盘的研究内容和发展方向进行了展望,为制动盘的精细化、轻量化设计提供了研究思路和理论支持。

软制动能量再生助力及其散热管理系统

为提高矿用宽体车动力性能和液压系统温度管理水平,优化了液压系统设计。优化后的液压系统安装在某矿用宽体车上,与常规设计手段下为提高整车动力性能搭载更大流量发动机的同型号车型在矿区完成了满载驳运对比试验。同时利用AMESim和AVL Cruise对液压系统建立了物理模型,在经典工况下仿真了该系统各模块的动态特性以及整车的动力性能。仿真和试验结果均表明:该系统在重载下坡运输过程中可实现软制动,能量再生模块可提高整车动力性指标,与选用大流量发动机的同型号整车相近,但综合油耗降低约17%;能量再生模块能有效吸收轮边冲击以及液压系统模块切换瞬间压力冲击;液压系统中的热管理模块可实现矿用宽体车在-5~45℃的环境温度下作业,使系统热平衡温度保持在70±5℃,在极寒作业过程中使用箱体辅助加热作业提高了驳运效率,同时使液压系统能量利用率提高了19%。

碳陶盘式制动器散热特性台架实验分析与数值仿真研究

制动器的散热能力与乘用车的行车制动性能关联紧密,其中高性能车型在激烈驾驶过程中对制动器的散热能力有更高的需求。本文针对某型碳陶通风盘式制动器总成开展台架实验,并通过对制动盘降温工况中冷却系数的计算,提出了一种表示对流及辐射综合换热的通用拟合关系式,对定量描述制动器的散热性能具有重要参考价值。随后,对该制动器模型进行计算流体力学(computational fluid dynamics,CFD)仿真,探讨了不同变量对该型制动器散热特性的影响,揭示了防尘罩对制动器散热的影响机制。结果表明:对于制动盘初始表面平均温度500℃且无防尘罩遮挡的降温工况,对流换热占总换热量的75%以上,其中制动盘外表面的对流换热起主导作用;此外,当制动盘受防尘罩遮挡时,贴近防尘罩一侧制动盘表面空气温度升高以及制动盘通风道内质量流率的下降使其散热能力显著降低。本文分析结果对制动器散热导流通道的优化设计具有重要指导意义。

正交各向异性C/SiC的非光滑制动盘热力耦合仿真分析

利用有限元软件Abaqus建立了不同凹坑结构简化的三维制动器模型,并结合热力耦合相关理论和正交试验法,探究了凹坑的深度h0、直径D0、圆周方向相邻凹坑间隔度数e及类型Ty对制动盘温度及应力的影响机制;在此基础上,研究分析了不同非光滑表面形态制动盘的温度场及应力场,并探究了在最优组合下,紧急制动过程中不同制动初速度及压力下的非光滑制动盘温度随半径的影响规律。结果表明,通过正交试验法得到的凹坑深度h0为5 mm、直径D0为8 mm、圆周方向相邻凹坑间隔度数e为20°的正方形凹坑制动盘温度及应力最小,为最优组合。其中,正方形凹坑制动盘具有最好的散热性能。随着制动初速度和压力的增大,该制动盘面的温度逐渐增加,制动盘的最高温度均出现在制动盘半径136 mm处。

车用水冷式磁流变制动器性能及温升效应研究

针对现有磁流变制动器在制动过程中内部温度急剧升高的问题,提出并设计了一种具有水冷散热功能的车用磁流变制动器,该制动器设有4副制动片,提高了磁场利用率,显著增强了制动器输出力矩,并在制动器内部设有多条冷却流道,对制动过程中产生的温升效应有着很好的抑制作用。阐述了车用水冷式磁流变制动器的结构和工作原理,建立了制动器输出力矩数学模型。采用有限元法对制动器进行电磁场仿真,分析了不同条件下各工作面的磁感应强度分布规律,并对制动过程中的制动器进行热流耦合仿真,分析其在不同条件下的温升效应。结果表明,当外加电流为1 A时,所设计的磁流变制动器输出总力矩可达240 N·m,并且水冷散热结构对制动器整体温升效应有着很好的抑制作用。

制动盘设计及流热固耦合分析

在中国大学生电动方程式汽车大赛中,需要车手进行多次制动,制动系统的抗热衰退能力直接影响赛车的稳定性和车手的生命安全。以大赛规则为背景设计了制动盘,通过有限元软件ANSYS对制动盘进行拓扑优化;建立多物理场耦合模型,并对制动盘的温度场进行仿真分析。结果表明:在赛车紧急制动时,摩擦块与制动盘表面接触产生局部高温,最高温度为190.6℃且高温区呈条带状分布;优化后的制动盘,其最高温度较旧方案降低11.1%,质量降低19.08%。

双线圈多筒式磁流变制动器散热方式对比分析

针对磁流变制动器工作时内部热量积聚而导致温度升高,从而影响磁流变液的工作性能,甚至导致制动器失效,采用有限元法对磁流变制动器的温度分布进行仿真。首先探究热量来源,建立温度场分析模型,对不同条件下的散热情况进行模拟,分析制动器的散热情况。结果表明,在稳态滑差生热功率为23.4 W时,自然风冷下,磁流变液的最高温度为130℃;强制风冷下,风速分别设置为0.25 m/s、0.5 m/s、0.75 m/s、1.0 m/s时,磁流变液的温度分别为96℃、71℃、60.7℃、54.8℃;强制水冷下,流率为30 ml/min、60 ml/min、90 ml/min、120 ml/min时,磁流变液的温度分别为35.2℃、31.1℃、29.6℃、28.8℃。当制动器在瞬态滑差生热功率为75.4 W下运行时长为1250 s时,三种工况下磁流变液温度最低分别为:130℃,97.5℃,38.3℃;且在强制水冷下流率120 ml/min时,制动器运行到1250 s,趋近稳态。研究结果为磁流变装置的散热方式设计提供了理论参考。

一种矿用车辆制动器的散热系统

矿用机械中常用到湿式制动器的摩擦生热机理及热量传导理论,分析动片及静片摩擦生热机理,探究其能量转换关系。在制动器采用散热系统强制散热的情况下,对系统存在高压及散热流量不均问题进行分析,针对温度对湿式制动器性能的影响,设计一种节流分流阀控的制动器散热系统。该系统可以在保证制动器承压安全的前提下,对制动器进行强制散热,且保证每个制动器通过的流量分配均匀,同时运用AMESim仿真软件对所设计的散热系统进行仿真分析,仿真结果验证了设计的节流分流阀控的制动器散热系统的正确性,有效地解决制动器高温的问题。

机械系统摩擦动力学研究进展

摩擦环节对机械系统动力学行为有重要、甚至可能是关键的影响.深入研究摩擦及摩擦动力学特点,对于解决机械系统中摩擦带来的不利影响,发挥其有利作用,是非常重要的.本文介绍和评述了机械系统摩擦动力学的研究进展,包括常用的摩擦模型及其特性,摩擦系统自激振动、强迫振动和摩擦振动控制等.除理论研究方法之外,重点讨论了制动噪声振动、摩擦耗能和多领域摩擦振动控制等摩擦动力学的应用研究.

风电主轴盘形制动器温度场的数值模拟

制动摩擦热对摩擦副的摩擦学特性有着重要影响。根据制动摩擦热分析理论,建立了风电主轴盘式制动器摩擦副的有限元模型,并模拟了风电制动过程的三维瞬态温度场,获得了风电主轴制动器紧急制动工况下的温度场分布。结果分析表明,制动盘表面温度场呈非对称分布,且温度高和温度低的区域区别显著,摩擦副径向、轴向和周向上存在较大的温度梯度并预测了制动盘可能存在安全隐患的部位。得到风电主轴单次制动120 s内的摩擦副热量产生与耗散曲线,预测了单次制动后摩擦副恢复常温所需时间。

减压环在被动柔性防护网中的耗能作用研究

基于落石防护措施受力系统的复杂性及不同系统参数研究的有效性角度考虑,数值方法正成为研究被动柔性防护网动态受力行为的重要手段。为研究被动柔性防护网中的减压环在落石冲击作用下的耗能及缓冲作用,以实际被动柔性防护网为原型,建立含减压环及不含减压环的两种被动柔性防护网有限元模型,基于ANSYS/LSDYNA分析两种防护网在不同冲击能量及冲击位置下的动力响应。研究结果表明:减压环可增强被动柔性防护网的柔性、改善作用部位的性能,同时能显著地提高被动柔性防护网的耗能能力。同时,数值结果的对比分析为下一步试验设计以校正有限元模型和研究实体构件受力特征提供了参考依据。

采煤机用制动器散热方式研究

多盘制动器在制动过程中,将大部分动能通过制动摩擦转化为热能,致使摩擦副表面温度过高。因而制动器的破坏形式以摩擦片的烧损和热翘曲为主。为了延长制动器的使用寿命,必须解决制动器散热问题。从外因散热和内因散热的角度总结了井下制动器现有散热方法,并指出一些不足。针对湿式多盘制动器提出了改进散热的具体方法和措施,用有限元分析方法对改进方案进行Abaqus仿真验证,这对提高其制动性能和使用寿命有非常重要意义。

加速度变化率对汽车制动器磨损特性的影响

为了避免加速度变化率过大引起车辆急动而造成安全事故,分析了加速度变化率与汽车制动器比能量耗散率的关系,讨论了加速度变化率对汽车制动器摩擦衬片磨损特性的影响,建立了用加速度变化率表示的汽车比能量耗散率计算公式及二者的关系曲线,并计算出轻型、中型、重型3类客车中吨位最大车型的加速度变化率的最高许用参考值。参考该值可以保证行车安全,并延长制动器的使用寿命。

采煤机湿式多盘制动器的散热问题

摩擦温升对湿式多盘制动器的制动性能及使用寿命影响很大 ,本文分析了湿式多盘制动器摩擦散热机理及影响其散热的因素 ,结合采煤机的特点 ,提出了改善采煤机湿式多盘制动器散热性能的一些方法和措施。