高速列车刹车片偏摩现象的研究

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长期以来，我国列车-直在低速状态下运行，而铁路的高速化程度是评判国家交通发达与否的-个重要标志。随着我国高速铁路的快速发展l]，其各项性能要求也相应提高，尤其对制动性能提出了更严格的要求，制动系统中刹车片的性能好坏对列车制动效果有着非常大的影响。目前，列车的紧急制动主要是依靠车辆制动系统中的制动盘和刹车片摩收稿 日期 ：2012～11-16《机械与电子2013(4)擦副的摩擦实现的，而制动系统中刹车片的偏摩现象对列车制动效果有着非常大的影响，所谓偏摩现象是由于高温而引起的刹车片组会发生热降解等-系列反应，在接触界面形成转移膜，出现热衰退和氢脆现象 。因此，研究偏摩现象的产生对于提高刹车片的性能是必要的。

1 边界条件1.1 边界条件的确定根据传热学原理，边界条件的确定是热分析的前提 。高速列车紧急制动时，制动盘的边界条件为 ：刹车片和制动盘摩擦产生的热流密度、刹车片与周围空气的对流换热。

1.2 计算参数制动初速度为 300 km/h，拖车车轮半径为457.5 mm，所以制动盘的制动初速度为：- VO- 182 d/COO ra s - ～ 丽 ∞ 。 为拖车车轮的初始 角速度 ，即为轴盘 的初始角速度 ； 为列车的初始速度 。

300 km/h紧急制 动客车的纯空气制动作用距离限制为 S-4 500 m，列车的设计制动距离取规定制动距离值的 95 ，制动空走时间 tk-2.5 S。

列车实际制动的距离为：S 0.95S- - 4 600 m假设闸片压力恒定，不随时间变化，那么平均转动角减速度为：f 卢- 1.866 rad/sz· 73 ·列车刹车片偏摩现象的实际制动时间为 ：- 詈- 硼 .s s制动减速度为：口- - ≈o.853 m/s 了 0· 1.3 热流密度把制动盘和刹车片之间产生的摩擦热以热流密度的形式加载于刹车片上，任意时刻产生的热量为 ：Q÷×m×( - )为每个刹车片承担的制动质量，即轴重除以盘数； 。为列车的初速度； 为列车任意时刻的行驶速度 引。

热流密度函数为将热量 Q对时间求导，由于制动盘和刹车片的材料属性不同，热量分配存在-个系数，所以这个系数不是个定值，根据前人的经验通常取这个值为 0.15或者 0.10，故刹车片的热流密度为 ：q-O.15-(d Q/dt) 0.9×7n×口× (720- 日× )1.4 对流换热系数对流换热系数与物体的材料无关，它撒于空气流动状态、制动盘的几何形状，所以不同部位的换热系数也不相同，并且随着时间而变化，在自然对流散热状态下，对流系数与温度相关。在制动过程中，制动盘的圆周面和空气对流换热时，空气 Re数为：RP -根据传热学知识可知，制动盘的对流换热系数为：h -0.037×( ×L/A)。·。×Pr 。× 。/LPr为普朗特常数； 为空气导热系数；L为壁面长度；U为空气流动速度； 为空气的运动粘度。

a.制动盘面上 u的确定。制动盘的运动是车轮随列车的平动加制动盘 自身的旋转，故盘面上某点的空气流动速度 u是列车行驶速度72与该点制动盘自转线速度 的集合合成。为简化起见，假设 与7J，相互垂直，则列车制动盘面上气流速度为：M-/口。((t，·r)b.散热筋板处 的确定☆板间的几何结构复· 74 ·杂，其空气流速难以精确计算，故以列车速度 72来近似空气流速 。

2 材料特性制动盘和刹车片的主要物理参数如表 1所示 。

表 1 制动盘和刹车片的主要物理参数3 制动器模型的建立在盘式制动器热结构耦合场的计算模型中有很多复杂的因素，因此，为了简化计算，对制动器的计算模型作出如下假设 ]：制动盘和刹车片的材料均匀且各 向同性 ；制动过程 中制动系统的初始温度 和环境温度均为 2O℃；制动盘和刹车片接触面为理想平面；作用在刹车片背面的压力均匀分布i忽略材料的磨损；制动过程中制动盘无抱死且处于纯滚动状态；仅考虑热传导和热对流，而忽略热辐射。

3.1 简化模型及 网格划分盘形制动是在车轴或车轮辐板侧面安装制动盘，制动时用制动夹钳使 2个刹车片紧压制动盘侧面，通过摩擦产生制动力，将列车动能转变成热能消散于大气。

在 ABAQUS有限元仿真分析中，首先 ，需要确定单元类型，单元类型的选择关系到整个仿真过程的求解效率和求解精度等。

其次，是网格划分控制，它可以建立实体模型在划分网格中所需要的各种参数，如单元类型、中间节点位置和单元大小等。网格划分控制是整个分析中最重要的影响因素之-，因为网格划分控制的设置直接决定了生成的模型在分析求解时能否满足准确性与经济性。

在盘式制动器的计算模型中，不仅要考虑到制动盘的高速旋转，而且要考虑到接触与热结构耦合这-强非线性问题，对单元求解精度要求极高，因《机械 与电子)2013(4)