高速动车组盘形制动装置的CAD/CAE一体化设计初探

为提高盘形制动装置的设计效率,基于SolidWorks和ANSYS Workbench搭建高速动车组盘形制动CAD/CAE一体化设计平台.利用SolidWorks CAD模块进行盘形制动装置的结构设计,使用SolidWorks Motion模块进行盘形制动装置的机构运动仿真,将运动载荷引入SolidWorks Simulation模块进行结构强度校核,使用ANSYS Workbench进行制动盘热机耦合分析.算例分析表明:本文所建CAD/CAE一体化设计平台可以快速的验证配合关系,确定制动倍率,验证紧急制动距离和完成制动零件校验.     

高速列车紧急制动距离的探讨

通过对国内外高速列车紧急制动距离及紧急制动减速度的对比、计算、分析,提出我国高速列车制动初速为300 km/h时的紧急制动距离建议.     

动车组轴盘温度场及应力场数值模拟分析

以CRH2型动车组轴盘制动系统为雏形,基于摩擦功率法研究了轴盘热载荷计算方法及边界条件的确定。依据能量守恒法简化计算施加于制动盘体表面的热流密度,确定出列车紧急制动情况下平均强迫对流换热系数和平均自然对流换热系数的函数曲线关系。于ANSYS软件中模拟出CRH2型高速动车组紧急制动情况下轴盘制动盘的温度场分布和应力场大小。结果表明在制动过程中列车制动盘在开始制动瞬间表面温度迅速上升,当达到某一峰值后缓慢下降,直到制动停车。制动开始后盘体热应力急剧上升,然后随着速度逐渐降低得到缓解释放。     

基于响应面法的制动盘表面沟槽几何参数优化设计

制动盘是制动摩擦副的关键部件,频繁的制动导致制动盘表面高温疲劳失效、磨损剧烈.沟槽结构引起摩擦副接触状态的变化,对摩擦特性有重要影响.在制动盘表面设计沟槽结构并进行参数优化.通过响应面法,以沟槽的角度、宽度、密度为设计变量,制动盘表面的最大温度与最大等效应力为响应值,设计试验方案.通过对盘式制动器进行热机耦合有限元仿真,获得样本数据.建立回归模型,绘制等值云图,分析沟槽的角度、宽度、密度之间的交互关系对最大温度值和最大等效应力值的影响.以响应值最小为优化目标,通过罚函数寻优法求解.基于最优解对制动盘模型重构并进行仿真分析,结果发现优化制动盘的最大温度值、最大等效应力值比原模型明显降低,且与预测值较为相近,为制动盘表面结构优化设计提供一种新思路.     

我国高速列车制动盘选材探讨

根据高速列车发展情况，结合国内外制动盘选材应用和研究，探讨我国高速列车制动盘的选材问题。 在准高速（160km/h）的情况下，选用蠕 墨铸铁材料作为制动盘材质，可获得良好的制动性能、较长的使用寿命和较低的制造成本；列车速度进一步提高，蠕铁材料的强度性能难以适应制动盘的使用要求，需进一步开发锻钢或铸钢合金材料。     

高速动车组制动盘螺栓断裂分析及优化方案

针对高速动车组运用中出现制动盘螺栓断裂问题,选取典型断裂螺栓进行失效分析,并在振动和热负荷环境下对制动盘紧固结构受力状态进行试验和分析.研究发现:制动盘螺栓断裂为低应力疲劳断裂,在高于50g的振动水平下,根据不同的振动频率,摩擦环相对盘毂产生微小相对位移,螺栓承受一定弯曲应力;在长大坡道等极端工况下运行时动车组采用摩擦制动,制动盘各部件由于长时间承受高热负荷及较大的温度梯度,使螺栓承受弯曲应力.针对制动盘螺栓受力情况,提出了变截面螺栓的改进方案,弯曲疲劳试验结果对比表明,新结构螺栓弯曲疲劳性能显著增强,可用于既有动车组轴盘螺栓的替换.     

高速转向架焊接构架性能仿真建模方法

转向架性能直接决定高速动车组运行的安全性、平稳性和可靠性.依据相关标准,总结动车焊接构架的结构与承载特点;借助分析构架和部件的变形规律,得出动车焊接构架性能分析模型中位移约束以及主结构和安装座的承载施加方法.通过研究分析构架的齿轮箱吊座与电机吊座的局部变形,建议当考核齿轮箱吊座与电机吊座的强度时,应将齿轮箱联接结构和电机壳体结构的有限元模型纳入到动车构架性能分析模型中.     

横风对高速动车曲线通过性能的影响

通过横风对电动车组气动特性影响的试验研究，得到了高速动车受横风作用时所受的气动升力、侧力和侧翻力矩，并利用动力学分析软件SIMPACK分析高速动车在横风工况下的曲线通过性能．分析结果表明，侧向风力引起的车轮减载是影响动车安全运行的重要因素．在所研究的工况下，动车在常值侧风下通过曲线的速度不应超过220km／h，在阵风下以100km／h的速度通过曲线仍然不能满足安全指标．     

高速列车盘形制动系统热机耦合特性分析

为了研究热机耦合对高速列车制动系统动力学行为的影响,建立了高速列车制动系统三维瞬态热机耦合有限元模型,进行拖曳制动状态下热机耦合特性的计算与分析;采用ABAQUS/Explicit热-位移瞬态分析法,探讨列车制动过程中的温度分布特性和振动行为,并与忽略热机耦合状态的系统动力学行为进行对比分析. 研究结果表明:制动过程中闸片温度动态变化,且会形成局部高温区导致热斑形成;由于制动盘和闸片发生一定程度弹性翘曲变形,导致闸片温度周向分布和径向分布出现复杂的温度分布特性,在闸片的内外径处和进/出摩擦区域的温度分布差异显著;制动过程中闸片在法向和切向上的振荡程度逐渐减弱,但是总体变形量逐渐增大,位移形变量达到6 μm;热变形主要发生在闸片两侧,闸片在进摩擦区的变形量（35 μm）明显大于出摩擦区处（25 μm）,而闸片的中部出现明显的"凹陷",即随着制动进行,闸片中部区域没有出现明显的热变形;在热机耦合状态下,制动系统振动先增大后降低,整体振动强度比忽略热机耦合时强;界面接触力的波动程度先增大后降低,总体呈上升趋势.      

基于移动热源的盘式制动器三维瞬态温度场仿真分析

以FSAE赛车前轮盘式制动器为研究对象,考虑了移动热源的影响,运用Ansys软件建立了其三维瞬态温度场模型。由此得到了一次紧急制动工况,不同初始车速制动盘的温度场分布以及其上不同位置节点温度的时间历程曲线。     

尾翼对高速汽车气动特性及制动性能的影响

为了提高高速汽车在湿滑、冰雪路面紧急制动时的主动安全性,以MIRA模型为基础,设计了尾翼系统,对加装尾翼的MIRA汽车进行外流场数值模拟,分析了尾翼对高速汽车气动特性及制动性能的影响,并研究了尾翼攻角、纵向水平距离和垂向高度参数的影响规律.结果表明:高速汽车加装尾翼后增加了整车的气动阻力和负升力,有利于提高有效制动力;...     

压剪型城轨弹性车轮分析研究

为研究城轨车辆运行过程中轮轨接触温升对弹性车轮的影响,通过建立弹性车轮轮轨三维热接触耦合有限元模型,采用整体输入热流和对流换热的计算模型为基础的传热计算方法,分析车辆在设计时速100 km.h-1运行和全滑制动、蠕滑制动、运行三种工况下对弹性车轮附近温度分布,结果表明弹性车轮在滚滑制动和长时间平稳运行过程中,弹性车轮各部件的平衡温度均在材料的许用温度范围内;当车辆在高速紧急制动全滑过程中,轮轨温度急速增加,将导致踏面磨损并加速车轮弹性元件老化。     

优化结构闸片对制动盘温度及热应力的影响

为了研究列车制动产生摩擦热对制动盘的耐热疲劳性能的影响,分析了摩擦热流分布与闸片结构的关系,提出一种优化闸片摩擦块固定位置,达到改善制动盘摩擦热分布的方法,采用有限元软件ABAQUS对优化前后的闸片制动过程进行了数值模拟,结果表明:与闸片优化前相比,闸片优化后制动盘最高温度和热应力分别下降的17％和23％,沿制动盘径向分布更均匀.     

高寒雨雪气候下高速动车组盘片摩擦副摩擦性能

为了提高高速动车组在低温潮湿气候条件下的运行安全性,模拟-15~20℃雨雪环境,试验研究了高速列车制动系统的摩擦磨损性能以及制动盘表面划伤、制动力衰退等现象产生的原因.研究结果表明:在高寒雨雪环境下,制动副摩擦因数随着制动压力增加而增大;外来硬质点对摩擦因数的影响与制动初速度有关,当制动初速度低于160 km/h时,摩擦因数随着制动初速度提高而增大,当制动初速度大于等于160 km/h时影响不明显;夹钳被冰雪所覆盖冻结,影响夹钳缓解复位,使制动盘和闸片间隙变小,制动盘与闸片易产生接触碰撞,夹在盘片之间外来硬质点不易排出,加剧制动盘表面划伤;采用每隔7 min进行间隙式1 min低压力连续制动,可以清除制动盘表面冰膜,并能防止整个夹钳被冰雪所覆盖而冻结.     

高速列车制动盘材料的研究现状与发展趋势

综述了国内外用于制造高速列车的制动盘材料的性能特点,制备工艺及其应用的局限性,指出了各类材料对列车行驶速度范围的适应性,根据我国铁路运输现状和铁路科技发展长期规划纲要,结合在摩擦制动材料方面的研究成果,对我国铁路车辆制动盘材料的研究方向和思路提出了建议。     

车辆通风式制动盘内部通道对流换热研究综述

总结了通风式制动盘内部通道对流换热的研究成果,从内部通道的质量流量、对流换热系数和有效散热表面积三方面,分析了不同结构设计对制动盘内部通道换热的影响;从解析法、数值分析法和试验测试法三方面,综述了国内外在对流换热分析和检测方法的研究概况。研究结果表明:在径向叶片制动盘通道内,主要存在2种流动方式,由紧邻叶片吸力侧气流分离引起的回流和在径向通道内部旋转的二次流,抑制回流区的形成可以提高泵送空气质量流量,使通道内的温度分布更加均匀,二次流将促进通道间的空气混合流动和湍流的发展,加强局部剪切应力,改善制动盘散热性能;综合应用射流冲击强化方式(多束流、旋流和多方向射流等)、高孔隙率和类柱状结构优化设计也能够改变流体在通道中的流动状态,这些措施都会使得通道内流体扰动增大,热边界层变薄,壁面附近的速度梯度增大,有效提高了制动盘的对流换热系数,增强了散热能力;采用解析法和数值分析法得到的结果具有很强的理论参考价值,而采用试验测试法所获得的结果更加接近制动盘实际内部温度和气体流速的变化,因此,若能将三者无缝结合,实现优势互补,则最具有科学研究价值;在对高速车辆制动盘结构进行优化设计时,为了获得最大的散热效率,往往忽略了通道内摩擦压降和流动阻力,因此,如何平衡散热与摩擦压降、流动阻力之间的关系,还需进一步深入探索与研究。      

高速动力车基础制动装置的设计思路

基础制动装置是高速动力车不可缺少的重要组成部分。基础制动装置应保证在满足高速列车制动距离要求的前提下，尽量减轻重量，并根据不同的转向架结构形式采用不同的制动盘结构。制动时优先投入动力制动以减轻制动盘和制动闸片的热负荷及磨耗。     

动车车轮与曲线钢轨磨耗问题研究

针对高速动车通过曲线时轮轨磨耗问题,利用现场实际测量的不同磨耗阶段动车车轮型面,建立高速列车通过曲线的多体动力学模型和曲线段轮轨接触的有限元模型,计算了不同磨耗程度车轮通过曲线时的磨耗功率、垂向、横向动载荷变化规律,并且对比了动载荷和理论载荷下轮轨间接触等效应力.分析结果表明:动车通过曲线时轮轨间的磨耗功率、横向力和横向蠕滑力等参数都随着车轮型面磨耗程度的增大而增大;标准型面到踏面磨耗量达到0.54 mm的过程为剧烈磨耗阶段,踏面磨耗量由0.54 mm增加到1.5 mm过程过为磨耗稳定期;可以根据磨耗Ⅰ型面对车轮型面进行优化,从而延长动车车轮的稳定磨耗阶段.     

体悬电机变轨距转向架动车动力学性能及参数优化

建立了一种适用于1 435/1 000 mm轨距变换、电机体悬的高速动车组变轨距转向架动车的动力学模型;重点计算在2种轨距线路上动车采用不同的轮轨匹配关系、不同磨耗状态下的运行稳定性分岔特性,并计算了轨距、轮轨游间对运行稳定性的影响;计算了车辆运行垂向和横向平稳性以及在不同曲线工况条件下车辆的曲线通过性能,结合相关动力学标准对各项动力学性能指标进行了评定,并对造成各项动力学指标差异的原因进行了简要分析;以电机体悬式变轨距转向架动车的12个悬挂参数为因子,以车辆蛇行失稳速度、轮轴横向力、轮轨垂向力、轮重减载率和脱轨系数5个动力学指标为响应,采用最优拉丁超立方设计方法进行试验设计;建立径向基神经网络代理模型,采用NSGA-Ⅱ多目标遗传算法对动车主要的悬挂参数进行多目标优化。计算结果表明:在设计工况条件下,所设计的高速动车组变轨距转向架动车在2种轨距线路上运行稳定性、平稳性和曲线通过性能均能满足设计要求;在1 000 mm轨距上运行的稳定性优于1 435 mm轨距情况,但运行平稳性和曲线通过性能劣于1 435 mm轨距情况;优化后的悬挂参数可以兼顾车辆的运行稳定性、平稳性和曲线通过性能,使车辆具有更好的动力学性能,在2种轨距线路运行上所有计算性能指标均满足相关标准。      

紧急制动工况下电磁式磁轨制动器极靴磨损计算方法

为了预测极靴服务寿命,确保制动可靠,通过磨损过程、制动过程、制动器/钢轨温度场的建模与仿真,计算了高速列车紧急制动过程中电磁式磁轨制动器极靴磨损量;建立了考虑速度与温度的Archard磨损模型和CRH2列车紧急制动过程的动力学模型,计算了电磁式磁轨制动器样机全程参与制动时的空气制动力、电磁制动力、制动减速度、紧急制动能量分配系数、瞬时速度和制动距离等时变参数;分析了紧急制动时电磁式磁轨制动器-钢轨-大气间的热量传递,基于Fluent软件建立了制动器/钢轨的三维温度场模型,根据制动过程时变参数获取温度场热流密度和散热加载条件;针对CRH2列车行驶速度为250km·h-1的紧急制动工况,计算了制动器极靴的磨损量。计算结果表明:在制动过程中,钢轨顶部温度随着与制动器的接触状态变化呈波动变化,在距离有效制动起点1 620m处,钢轨与8号电磁式磁轨制动器接触结束时,温度达到最大值570.76℃;CRH2列车同侧8个制动器极靴底部在制动时间为24.5s时温度达到最大值,从前到后依次为1 022.6℃、1 037.7℃、1 045.3℃、1 052.8℃、1 085.7℃、1 100.9℃、1 109.2℃、1 124.4℃,极靴磨损量从前到后依次为207.4、208.7、210.0、210.7、212.1、213.4、214.4、215.5g。可见,制动器工作会使钢轨产生热量积累,导致列车运行方向后面的电磁式磁轨制动器极靴温度较高,磨损量较大。