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%。

踏面与盘式两种制动模式温度分布特征的模拟分析

探究1∶1踏面制动与缩比盘式制动得到的温度场存在偏差的原因,有利于提高利用缩比制动模式评价制动摩擦副热负荷能力的精度。基于TM-I型缩比车辆制动试验台和1∶1制动试验台,采用ADINA有限元软件,在制动压力10、15、20 kN和初速度60、80、105 km/h条件下,模拟计算2种制动模式的温度场,并分析影响2种制动模式温度偏差的因素。结果表明:1∶1踏面制动模式和缩比盘式制动模式得到的温度存在明显差别,踏面制动的温度均高于缩比盘式制动的温度;2种制动模式的温度差别随压力的变化不明显,但随制动初速度增加而明显加大;踏面制动由于摩擦面积集中,散热程度不良,随初速度从60 km/h增加到105 km/h,制动温度增加幅度为56%~77%,盘式制动由于摩擦弧长沿盘半径方向的不均匀,散热面积大,制动温度随初速度增加幅度为32%~44%。

摩擦-消音片结构对盘式制动器尖叫噪声的影响研究

针对某汽车盘式制动器存在制动尖叫噪声问题,研究了不同倒角结构的摩擦片、不同阻尼层厚度的消音片,以及两者匹配对制动尖叫噪声的影响,并通过台架试验分别对研究得到的最佳匹配方案和原方案进行噪声测试。研究结果表明,5种不同倒角结构摩擦片中,对称结构的倒角优于不对称结构,不对称结构的倒角解决频率较为集中的单处噪声效果较好,其中,对称直倒角结构降噪效果最好,但易诱发新的噪声;消音片阻尼层厚度逐渐增大时尖叫噪声发生的倾向性呈现先减小后增大的趋势;摩擦片与消音片的合理匹配能有效改善尖叫噪声,对称倒角和不对称倒角结构的摩擦片分别匹配消音片时的降噪趋势相反,其中对称斜倒角结构的摩擦片与阻尼层厚度为0.28 mm的消音片匹配时降噪效果最好,噪声发生度比原方案降低了97.98%。

盘式制动器温度场的分析研究

针对制动器温度场的研究分析,建立额定起重量32 T的钳盘式制动器三维模型,同时在Workbench中添加制动器材料的各个参数,设置摩擦副间的接触关系,施加制动盘和制动衬片载荷、约束,对制动器制动过程产生的温度场进行仿真。使用LM算法建立包括时间、摩擦因数、制动压力、初始转速的多元非线性数学模型,通过Matlab进行回归分析。最终拟合结果和有限元仿真结果吻合,验证了起重机制动器温度模型的正确性。

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。

制动工况对盘式刹车片磨损量的影响

刹车片是制动系统中最关键的安全零件之一,在保障驾驶员行车安全中起着至关重要的作用,不同的制动工况对刹车片磨损量有不同的影响。为了探究制动工况对盘式刹车片磨损量的影响,利用Ansys Workbench仿真软件,基于Archard磨损模型建立刹车片的磨损仿真模型,并通过APDL命令流添加Archard磨损命令,实现对刹车片的磨损仿真,分析了计算刹车片的磨损量。搭建刹车片摩擦磨损试验台,并随机选取5组不同的制动工况进行刹车片磨损试验,对比分析试验结果与仿真结果,验证了仿真模型的正确性。研究结果表明,在设定的参数范围内,制动压力对刹车片磨损量的影响比制动初速度的影响小;在没有外界热源的干预下,刹车片表面温度对磨损量的单独影响比制动初速度、制动压力等其他参数对刹车片磨损量的综合影响更小。

试验环境的盘式制动器NVH特性研究

文中采用多体动力学和声学边界元等数值方法,研究某盘式制动器试验条件下的NVH(Noise,Vibration,Harshness)特性。首先,建立试验环境的制动器刚柔耦合模型,从结构、激励源和传递路径3个方面分析制动NVH特性影响因素;然后,运用声学边界元法仿真得到制动振动辐射的噪声,并与台架试验结果进行比较。结果表明:制动盘第2~5阶轴向模态,支架第2~3阶轴向模态,以及制动钳和连接板第1阶轴向模态等模态固有频率与台架试验噪声频率较接近,可能引起共振而产生制动噪声;在不影响制动性能的前提下,改变制动盘与摩擦衬片阻尼系数能改善制动NVH特性;悬架螺旋弹簧下端振动大,减振器与衬套对振动具有显著衰减作用;由仿真声压级云图发现,制动盘与摩擦片接触部位声压级最大,且随频率增加呈先增后减趋势,与台架试验对应测点的噪声结果进行直接比较,两者趋势一致。

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。

飞机刹车盘动片损伤程度及更换需求智能评估算法

飞机刹车盘动片损伤超标将直接威胁飞行安全。为解决人工经验的刹车盘动片损伤程度评估存在检测效率低、主观性强等问题,提出一种基于图像分割的飞机刹车盘动片损伤程度及更换需求智能评估算法。首先,分析刹车盘动片损伤分类及特征信息;然后,基于U-Net模型语义分割刹车盘动片损伤图像数据集,构建刹车盘动片损伤区域面积占比量化分析模型和脱落区域最大径向宽度计算模型;最后,使用Cessna525刹车盘动片图像数据验证模型。结果表明:U-Net模型对刹车盘动片损伤类型的图像分割效果良好,平均精确率、平均召回率、平均像素准确率与平均交并比(IoU)分别为90.75%、91.25%、90.25%与87.25%。刹车盘损伤程度评估结果与经验丰富的机务工程师评估结论基本一致,且评估结果客观准确、可视化程度高,证明所提算法的合理性和可行性。

高支柱起落架走步振动与稳定性分析

为改善装备碳陶刹车盘的高支柱起落架走步振动问题,对走步规律进行了深入分析。阐述走步机理,碳陶刹车盘摩擦特性引起的负斜率刹车力矩会向起落架航向系统引入负阻尼,引起走步振动的发散。基于3自由度走步动力学方程,开展了刹车力矩参数、起落架结构参数以及机身初始速度对走步振动的影响研究,定义了走步振动发散的临界状态,并提出刹车压力随刹车动静盘相对转速减小的走步控制策略。仿真结果表明:刹车盘摩擦系数负斜率绝对值的减小,刹车压力的降低,支柱刚度和阻尼的增大都可增加走步系统的稳定性,刹车盘摩擦的最小值提高至0.186可确保飞机以任意速度刹车走步稳定;刹车压力下降的斜率随刹车速度的不同而改变,飞机从144 km/h开始刹车,刹车压力降低24.7%可使走步振动收敛,轮轴航向加速度峰值降低77.23%。

多功能全液压动力头式履带钻机的研发

目前,市场上全液压动力头式履带钻机虽生产厂家较多,但产品功能都比较单一,只能适应常规水井钻井施工、工程钻孔施工或常规勘查钻井施工不能满足用户对于可施工多种钻孔的多功能全液压动力头式履带钻机的需求。我中心根据水井钻井施工、工程钻孔施工和勘查钻井施工特点,研发了带动力头变速箱的多功能全液压动力头式履带钻机,实现了一台钻机满足多种钻孔施工的需求。本文介绍了多功能全液压动力头式履带钻机ST400B的总体结构和主要优点,尤其是动力头旋转水封可调偏心轮结构、以及动力头刹车盘和浮动轴所采用的特有技术。

激光熔覆工艺对CoCrMo钴基合金涂层组织与性能的影响

目的以激光熔覆技术在制动盘表面制备CoCrMo钴基涂层,提高其摩擦面的力学性能。方法以24CrNiMo钢为基体,CoCrMo合金粉末为涂层材料,研究了工艺参数对熔宽、熔高、熔深和稀释率的影响规律。通过组织和性能测试,分析不同工艺参数下涂层的组织、拉伸性能和耐磨损性能等。结果稀释率随着激光功率和扫描速度的增加而增大,但随送粉速度的增加而减小。熔宽和熔高分别随激光功率和送粉速度的增加而增大,但随扫描速度的增加而减小。涂层物相主要由γ-Co、Ni-Cr-Co-Mo和少量的ε-Co相组成。显微硬度随着激光功率和送粉率的增加而增大,但随着扫描速度增加而减小,最大值约为304HV0.2。抗拉强度和伸长率随着激光功率的增加而增大,但随送粉速率的增加而减小,而随扫描速度的增加先增大而减小。抗拉强度和伸长率最大值分别达到了(1202±60)MPa和(17.4±1.3)%。激光功率和送粉率较高或扫描速度较低时,具有良好的耐磨性,但耐磨性提高不显著,磨损机理为磨粒磨损和黏着磨损。结论激光熔覆工艺对熔宽、熔高和稀释率影响显著,但对涂层微观组织影响不明显。优化激光熔覆工艺参数可以有效提高熔覆层的硬度和拉伸性能,但对耐磨性的影响较小。

C/SiC材质盘式制动器热-机耦合特性分析

为了探究新型C/SiC材料用作小型汽车盘式制动器不同载荷条件下的温度和应力特性,文中通过ABAQUS软件建立了C/SiC制动盘的三维热-机耦合模型,对不同初始速度和制动压力下的紧急制动进行了模拟仿真研究,并与传统的HT250制动盘进行了对比。结果表明:制动片对C/SiC制动盘产生周期脉冲压力,制动过程中摩擦生热造成制动盘温度周期升降,产生正弦波动的热应力,脉冲压力和正弦波动的热应力二者耦合造成制动盘Mises应力、径向应力和周向应力呈现出周期“脉冲”和“正弦”波动变化。在制动减速度为5.56 m/s2、初始速度为60 km/h条件下,C/SiC制动盘在制动摩擦区峰值温度最高为137.3℃,峰值Mises应力、径向应力和周向应力远远小于材料强度。制动盘芯部的非摩擦区域节点承受周期波动的拉应力,是容易发生疲劳失效的关键位置。随着制动减速度的提高,C/SiC比HT250材质制动盘温升更高,但应力峰值的增幅小,具有更强的抗热衰退性能,满足紧急制动的要求。

高速列车盘形制动器热-结构耦合方法研究

盘形制动器热负荷计算是高速列车制动盘研发设计的关键环节,其计算结果是列车运行参数配置的依据。开发合适的计算方法建立计算精度高、工况适用性广的热-结构耦合计算模型是盘形制动器热负荷计算的关键问题。针对动车组用轴装制动盘制动过程,充分考虑制动闸片和制动盘的几何特性、运动特性和载荷工况,提出位移梯度循环法,基于ABAQUS软件建立盘形制动器摩擦副三维瞬态传热有限元模型,运用位移梯度循环法推导出热流加载式,用以计算制动过程中产生的摩擦热流,解决摩擦作用沿制动盘周向差异造成的耦合结果偏差。运用位移梯度循环法对制动盘进行热-结构耦合分析,并将仿真结果与试验数据、现场调研成果进行对比,通过仿真与试验结果的峰值温度误差率、相关性系数等统计学指标及现场调研观测结果评定该模型的计算精度及工况适用性。研究结果表明:基于位移梯度循环法的热-结构耦合模型可有效模拟制动盘在制动过程中温度变化规律且具有良好的重复性与稳定性,结构场分析出的制动盘热裂纹失效易发位置与该型号制动盘装车运用情况相符。研究成果可有效模拟高速列车在制动时制动盘的热-结构耦合过程,尤其在大轴重下的持续制动或间隔制动工况下,制动时间越长,计算精度越高。

橡胶含量对匹配铝基制动盘的橡胶基摩擦材料性能的影响

为研制与铝基复合材料制动盘匹配良好的合成闸片,以丁腈橡胶为主要黏结剂,通过半湿法密炼工艺制备橡胶基摩擦材料,研究不同丁腈橡胶含量对摩擦材料力学性能和摩擦磨损性能的影响规律,并探究摩擦材料磨损机制。研究结果显示,在质量分数5%~13%范围内,随着橡胶质量分数的增加,摩擦材料的硬度、压缩强度和冲击强度呈先增大后减小的趋势,而压缩模量呈逐渐下降的趋势;当橡胶质量分数为11%时,摩擦材料的冲击强度达到最大值;随着橡胶质量分数的增加,摩擦因数和磨损率均呈现先降低后升高的趋势,在橡胶质量分数为11%时,摩擦材料的磨耗量达到最低值。在较低的橡胶含量下,摩擦材料的磨损机制主要是磨粒磨损和黏着磨损,其中黏着磨损占主导地位,随着橡胶含量的增加,摩擦材料的主要磨损方式转变为磨粒磨损。橡胶质量分数为11%时,摩擦材料的材料各项性能优异,最为适合与铝基制动盘匹配。研究结果为开发高性能的橡胶基摩擦材料以满足铝基制动盘的要求提供了参考。

不同参数下的摩托车制动器啸叫复特征值研究

摩托车制动器的啸叫问题经常困扰着驾驶员,影响驾驶舒适性和制动性能。采用有限元模拟方法对摩托车盘式制动器在不同制动压力、摩擦系数、转速和温度下的啸叫特征进行了复特征值分析,通过对比分析,探讨了不同条件对制动器啸叫特征的影响及其对驾驶舒适性的影响程度。

基于ANSYS的岸桥盘式制动器可靠性研究

为研究海港岸桥主起升环节的液压盘式制动器在工作过程中受到制动力的应力应变状况以及力学性能,首先建立盘式制动器的三维模型,然后根据有限元原理,运用有限元分析软件ANSYS Workbench对其进行静应力分析,得到制动器主要零部件应力、变形情况和应力、变形云图以及其主要部件的应力大小,并对出现应力集中的地方进行优化改进。同时提出增大制动臂底处连轴半径的方法,将原来的连轴半径由30 mm增大到35 mm并对其进行同条件下分析验证,为此盘式制动器的优化设计及动力学分析提供理论基础。通过模态分析,得出其前6阶固有频率和振型,通过计算分析得到结果验证该制动器在制动过程中不会发生共振,结构安全可靠,能满足实际工作要求。

基于PID的液压盘式刹车系统的优化与仿真

以提高液压盘式刹车系统的稳定为目标,提出一种具有PID反馈环节的自适应控制系统。阐述液压盘式刹车系统的基本结构与参数;构建液压盘式刹车系统的数学模型,以单神经网络算法为基础,完成PID控制环节的优化设计;利用AMESim软件,以传感器、电磁比例换向阀、PID控制环节为核心构建自适应控制系统的仿真模型并进行仿真分析。结果证明:PID控制系统提高了液压盘式刹车系统的响应速度与稳定性。

基于复模态分析的某盘式制动器制动尖叫与试验

为了解决某乘用车台架制动噪声匹配满足客户的CAE仿真分析及台架试验要求以及CAE仿真与试验的吻合性,建立了一种制动器带半悬架总成的复特征值CAE仿真模型,此仿真模型的接触边界通过实际接触状态建立连接并建立摩擦耦合模型,仿真分析提取了不稳定模态振型以及耦合前的振型,揭示出有尖叫倾向的不稳定模态是由子结构未耦合时的多阶振动模态叠加而成,分析提取了不稳定模态下各个子零部件的应变能,从应变能中分析出各个子零部件贡献的大小,提取了不满足客户要求的不稳定模态下各子零部件的应变能,揭示出此不稳定模态下支架的应变能最大其在此不稳定模态中的贡献最大,对支架进行结构优化,在支架副梁的两端增加配重质量块,将优化后的支架再次替换原状态支架进行复模态分析,CAE分析结果表明,所有的负阻尼比均小于2%,满足客户设计目标。将优化后的支架实物替换原状态支架进行台架试验,试验结果零噪声,满足设计要求。通过试验与CAE仿真分析对比结果,表明该复模态分析方法能较好地指导制动噪声的分析与解决,有一定的指导作用。

轮装制动盘螺栓载荷测试及有限元分析

制动盘螺栓对于确保高速动车组制动可靠性和运行安全性非常重要。本研究使用高速动车组制动盘螺栓载荷测试技术,对中国客运专线的轮装制动盘螺栓载荷进行线路测试,获得制动盘螺栓载荷动态时间历程。螺栓载荷包括拉伸载荷、径向弯矩和周向弯矩。通过建立轮装制动盘车轮结构有限元模型,模拟仿真在有轮轨接触下车轮高速旋转过程中螺栓受载情况,并与试验结果进行对照。结果表明,拉伸载荷、径向弯矩和周向弯矩与列车运行速度密切相关。运行速度越大,螺栓载荷的变化越大,且这些载荷随着车轮转动呈周期性变化。同时,各载荷信号上还存在由轮轨激扰引起的小波形。有限元仿真结果表明螺栓杆上各个截面的径向弯矩大小和方向并不一致。车轮内外结构的不对称性将导致螺栓杆上左侧截面的弯矩大于右侧截面的弯矩。