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工程设计学报
工程设计学报  2023, Vol. 30 Issue (6): 753-762    DOI: 10.3785/j.issn.1006-754X.2023.03.103
建模、仿真、分析与决策     
轮轨激励下高速列车制动盘温度场及闸片磨损仿真分析
朱海燕1,2(),邓家超1,2,肖乾1,2,黎洁1,2,易勇1,2
1.华东交通大学 轨道交通基础设施性能监测与保障国家重点实验室，江西 南昌 330013
2.华东交通大学 载运工具与装备教育部重点实验室，江西 南昌 330013
Simulation analysis of brake disc temperature field and brake pad wear of high-speed train under wheel-rail excitation
Haiyan ZHU1,2(),Jiachao DENG1,2,Qian XIAO1,2,Jie LI1,2,Yong YI1,2
1.State Key Laboratory of Performance Monitoring and Protecting of Rail Transit Infrastructure, East China Jiaotong University, Nanchang 330013, China
2.Key Laboratory of Conveyance Equipment Ministry of Education, East China Jiaotong University, Nanchang 330013, China
 全文: PDF(5503 KB)   HTML
摘要：

为了研究轮轨激励对制动盘温度场分布及闸片表面磨损的影响，建立了高速列车动力学模型。通过动力学仿真，得出紧急制动工况下制动盘垂向和横向振动幅值；将振幅作为输入条件，导入制动盘热-机耦合有限元模型，分析有、无轮轨激励时制动盘径向、轴向和周向各节点的温度变化规律。基于制动盘热-机耦合有限元模型，结合Umeshmotion磨损子程序，对闸片表面进行ALE车轮非线性临界速度网格自适应处理，实现闸片表面磨损深度的计算，并对比分析有、无轮轨激励对闸片表面磨损深度的影响。仿真结果表明：与无轮轨激励相比，在轮轨激励下制动盘径向、轴向和周向各节点温度降低，且周向各节点在同一时刻达到最高温度，径向和轴向各节点达到最高温度的时间缩短；闸片表面径向和周向各节点的磨损深度增大，加剧了闸片表面的磨损，减少其使用寿命。研究结果可以为更加精准地预测闸片使用寿命提供一定的参考。
关键词： 高速列车;  轮轨激励;  制动盘;  热机耦合;  温度场;  磨损    
Abstract:

A high-speed train dynamics model was established to study the effect of wheel rail excitation on the temperature distribution of brake discs and the surface wear of brake pads. The vertical and lateral vibration amplitudes of the brake disc under emergency braking conditions were obtained through dynamic simulation. The amplitudes were introduced into the finite element model of the brake disc thermal-mechanical coupling established by the direct coupling method as input condition. The temperature variation law of each node in the radial, axial and circumferential of the brake disc was compared and analyzed under the condition of with or without wheel-rail excitation. The ALE (arbitrary Lagrangian-Eulerian) mesh adaptive processing was performed on the surface of the brake pad based on the finite element model of brake disc thermal-mechanical coupling, combined with Umeshmotion wear subroutine, the calculation of the surface wear depth of the brake pad was realized. The influence of with or without wheel-rail excitation on the wear depth of the surface of the brake pad was compared and analyzed. The simulation results show that compared with no wheel-rail excitation, the temperature of radial, axial and circumferential nodes of brake disc decreases under wheel-rail excitation, and the circumferential nodes reach the highest temperature at the same time, and the time for radial and axial nodes to reach the highest temperature is shortened. Under the wheel-rail excitation, the wear depth of each node in the radial and circumferential of the surface of the brake pad increases, which increases the wear of the brake pad surface and reduces the brake pad service life. The results of the research can provide some reference for more accurate prediction of the service life of the brake pad.
Key words: high-speed train    wheel-rail excitation    brake disc    thermal-mechanical coupling    temperature field    wear
收稿日期: 2023-01-10 出版日期: 2024-01-02
CLC:  U 270.35  
基金资助: 国家自然科学基金项目(52162045);江西省自然科学基金面上项目(20224BAB204040);江西省自然科学基金面上重点项目(20232ACB204022);载运工具与装备教育部重点实验室自主课题项目(KLCEZ2022-11);轨道交通运载系统全国重点实验室开放课题(RVL2403)
作者简介: 朱海燕（1975—），男，江西新干人，教授，硕士生导师，博士，从事高速列车系统动力学及疲劳强度研究，E-mail: zhupetrelcao@163.com，https://orcid.org/0000-0001-7460-5668
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朱海燕
邓家超
肖乾
黎洁
易勇

引用本文:

朱海燕,邓家超,肖乾,黎洁,易勇. 轮轨激励下高速列车制动盘温度场及闸片磨损仿真分析[J]. 工程设计学报, 2023, 30(6): 753-762.

Haiyan ZHU,Jiachao DENG,Qian XIAO,Jie LI,Yong YI. Simulation analysis of brake disc temperature field and brake pad wear of high-speed train under wheel-rail excitation[J]. Chinese Journal of Engineering Design, 2023, 30(6): 753-762.

链接本文:

https://www.zjujournals.com/gcsjxb/CN/10.3785/j.issn.1006-754X.2023.03.103    或    https://www.zjujournals.com/gcsjxb/CN/Y2023/V30/I6/753

图1  高速列车动力学模型
图2  车轮非线性临界速度
图3  制动盘振动幅值随时间的变化曲线
摩擦副外半径内半径厚度
制动盘32016522
闸片31718120
表1  制动盘及闸片的结构参数 (mm)
参数名称制动盘闸片
杨氏模量/Pa2×10112×1011
泊松比0.2850.300
热传导系数/?W/(m?K)6174
热膨胀系数/K-11.16×10-51.1×10-5
比热/?J/(kg?K)745436
表2  制动盘材料参数
图4  制动盘及闸片的三维模型结构
图5  制动盘及闸片模型的网格划分
图6  制动盘表面温度场的分布云图
图7  制动盘3个方向的节点分布
图8  制动盘径向节点温度随时间的变化曲线
图9  制动盘轴向节点温度随时间的变化曲线
图10  制动盘周向节点温度随时间的变化曲线
图11  闸片ALE网格区域
图12  闸片表面磨损分布云图
图13  闸片表面径向和周向节点示意
图14  制动结束后闸片表面各节点的磨损深度
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