接触面积和接触方式对制动盘温度场的影响

摩擦块的接触面积和接触方式影响制动盘温度分布及峰值温度,温度场又是决定制动盘服役寿命的重要因素。利用ADINA有限元软件,针对设计的两种接触方式的三角形摩擦块与制动盘组成的摩擦副,数值模拟制动压力0.7MPa、制动速度200km/h工况下,接触面积对制动盘温度场的影响。结果表明,随接触面积的减小,峰值温度时刻与制动结束时的盘面温度小幅度升高。接触方式的不同,会导致盘面温度分布和峰值温度的差别。中间接触方式的接触弧长度长,盘面高温区集中在中部,温度高,径向温度梯度大。两侧接触方式位于两侧的摩擦区生热,利于向盘中部无摩擦区的热传导,使盘面温度均匀程度提高。     

不同工况对制动闸片摩擦性能的影响

针对高速列车制动系统运行条件,采用1︰1制动动力试验台模拟低温造雪环境,进行不同制动压力和不同制动初速度下有无残砂或制动盘有碎屑的紧急制动试验,以及低温造雪环境下初速度250km/h不同制动低压力的持续制动试验。测试闸片的平均摩擦系数和制动过程中盘面的最高温度,并观察制动盘和闸片的表面状态。结果表明,紧急制动不同工况下,闸片的平均摩擦系数随着制动压力和制动初速度的升高呈曲折升高趋势,盘面最高温度也不断升高并在初速度160 km/h时趋于一致;无残砂工况下,连续致密的摩擦膜在制动初速度80km/h时形成,有残砂或制动盘有碎屑工况下在制动初速度120km/h时形成。低压持续制动时,闸片平均摩擦系数和制动盘表面温度受接触面带冰膜的摩擦膜影响。     

列车制动盘温度演变规律试验研究

基于TM-I型缩比惯性试验机，结合红外热像仪，在制动压力0.35～0.80 MPa、制动初速度60～160 km·h^-1条件下，以蠕墨铸铁制动盘为参考系，试验研究铝基制动盘的温度演变规律。结果表明：在制动压力0.80 MPa条件下，制动初速度由100 km·h^-1增至160 km·h^-1时，铝基制动盘峰值温度场由均匀分布转变为多条分离的带状分布，而铸铁制动盘均有宽度约为10 mm的高温带出现；2种制动盘峰值温度均随制动压力和制动初速度的升高而升高，但在制动过程中铝基制动盘的瞬时峰值温度呈“稳步上升”型，在制动后期下降不明显，而铸铁制动盘则为先快速升高，再“锯齿形”爬升，最后有所下降；制动压力为0.65 MPa时，制动初速度由80 km·h^-1增至160 km·h^-1时，铝基制动盘径向最大温差由31℃增至56℃，最大温度梯度由1～2℃·mm^-1增至3～4℃·mm^-1，而铸铁制动盘最大温差则由139℃增至233℃，最大温度梯度由7～8℃·...     

制动盘摩擦环厚度对其热容量和热应力的影响

为研究摩擦环厚度对新型城际动车组铸钢制动盘热容量和热应力的影响,基于ANSYS有限元分析软件,建立制动盘循环对称三维瞬态模型。采用间接耦合方法,仿真计算列车速度为300km/h时,厚度对制动盘温度场和应力场的影响。仿真结果表明:摩擦环初始厚度为23mm时,制动盘盘面最高温度为331.01℃,热应力为324.26MPa;摩擦环厚度降低5mm时,盘面温度升高约8.24%,热应力提升约12.82%;厚度对应力场的影响高于对温度场的影响,且厚度与二者呈线性关系。此结果可为制动盘后续寿命预测与检修提供参考。     

高摩擦系数合成闸瓦热负荷研究

采用热一结构顺序耦合对货车高摩擦系数合成闸瓦在紧急制动工况和长大坡道调速制动工况下进行热应力仿真分析,并从材料的微观角度分析闸瓦摩擦表面的摩擦情况。结果表明：紧急制动时闸瓦的瞬态最高温度和最大应力满足要求;而调速制动时,最高温度和最大应力分别达到651．1℃、62．4MPa,应力超出闸瓦的极限值。仿真结果较为真实地反映了整个制动过程中闸瓦的瞬态温度和应力变化情况,且闸瓦一次制动满足要求。     

高速磁浮列车隧道交会时洞内压力波动数值模拟研究

应用一维可压缩非定常不等熵流动模型和广义黎曼变量特征线法,研究时速600 km等级高速磁浮列车交会时隧道内压力峰值的分布规律,分析隧道长度、隧道净空面积、列车运行速度和列车长度对列车交会时隧道内压力峰值的影响规律。结果表明:隧道中央测点的压力波动最剧烈,压力峰值以隧道中央位置为中心点往隧道2侧对称分布;列车运行速度为400～650 km·h~(-1)、列车编组为3～10辆时,基于隧道内压力峰值的最不利隧道长度在160～1 000 m范围;隧道内压力峰值均随隧道净空面积增加而减小,随列车运行速度的增大而急剧增大,列车长度对其基本无影响;拟合发现隧道内压力峰值与隧道净空面积约-1.1～-1.4次幂成正比,与列车运行速度约2.0～3.8次幂成正比;当采用现有350 km·h~(-1)等级高速铁路双线隧道净空面积标准,并且2列列车以600 km·h~(-1)交会时,隧道内压力峰值高达±30 kPa,必须增大隧道净空面积或增设竖井等减压设施以满足ERRI医学健康标准。     

基于摩擦功率法的列车制动盘瞬态温度场分析

针对在已有的制动盘瞬态温度场模拟中,摩擦表面摩擦生热热流密度的计算没有考虑摩擦热流在摩擦面上分布的差异,提出用摩擦功率法及摩擦副周向接触长度确定制动盘摩擦面摩擦生热热流密度的方法。根据温度场分析时的载荷和边界条件,建立制动初速200 km.h-1条件下列车紧急制动过程中制动盘瞬态温度场的有限元模型并进行数值分析,结果表明:在制动过程中,制动盘高温区域集中在制动盘摩擦半径至外径区域,温度最高可达289.9℃;摩擦热流对盘体内径附近区域的影响较小;能反映出制动盘和闸片周向接触长度径向分布对制动盘表面温度场分布产生的影响。     

热处理温度对高摩合成闸瓦性能的影响

利用闸瓦1:3制动试验台研究了两种基体高摩合成闸瓦在不同热处理温度下的摩擦特性,结果表明橡胶基闸瓦摩擦系数高、制动力大,性能稳定,磨耗量仅为树脂基闸瓦的20%左右;热处理温度在180℃时高摩闸瓦综合性能最佳,摩擦系数比传统工艺高5%以上.     

新型高摩擦系数合成闸瓦配方及工艺的研究

研究了配方及工艺对新型高摩擦系数合成闸瓦性能的影响。研究结果表明,当配方中的粘合剂含量为10%～16%,树脂与橡胶比例为1∶1～2∶1、纤维含量为20%～30%、填料中石墨和钾长石比例为45∶55～55∶45、压制压力为(3±2)MPa、压制温度为(160±10)℃时,可以制备出性能优异的新型高摩擦系数合成闸瓦。装车运用结果表明,新型高摩擦系数合成闸瓦可满足制动使用要求,解决了制动中出现的车轮掉渣、掉块和金属镶嵌等问题。在大秦铁路上已广泛运用。     

动车组粉末冶金闸片摩擦性能试验研究

对批量运用的3种进口和国产粉末冶金闸片的摩擦性能进行对比试验,并对测得的平均摩擦系数进行分析研究,发现闸片压力、制动初速度和初始温度会对闸片的摩擦系数产生影响。根据该研究成果,在评价某种闸片性能优劣时,可以重点考核其在低压力、低速和高温初始条件下摩擦系数的稳定性。最终,挑选闸片A作为装车闸片,该闸片完成60万km载客运用考核后,制动盘摩擦面没有出现热斑、划伤、热裂纹等不良现象,闸片摩擦块状态良好,没有出现掉块等异常现象,证明该闸片可以满足250 km/h动车组使用要求。研究成果可以为今后修订闸片标准提供参考。     

高寒动车组粉末冶金闸片研制

针对冬季冰雪天气CRH380B型高寒动车组制动盘易发生划伤的实际情况,对制动盘异常划伤原因进行研究,优化闸片结构,设计出适用于冬季的大间隙粉末冶金闸片。干燥及冰雪工况的1∶1制动动力试验结果显示,新研制闸片瞬时摩擦系数平稳、平均摩擦系数符合既有车辆要求,与其对偶的制动盘摩擦面状态良好;装有大间隙粉末冶金闸片的整车紧急制动试验结果显示,制动初速度200 km/h纯空气紧急制动距离为1 525 m,小于2 000 m评价指标要求,制动初速度300 km/h纯空气紧急制动距离为3 711 m,小于3 800 m评价指标要求;正线载客运营结果表明,大间隙粉末冶金闸片对改善高寒地区冬季动车组运营中出现的制动盘异常划伤问题有较好的效果。     

时速300km高速列车铜基粒子强化闸片的研究

通过粉末冶金工艺,制备了铜基粒子强化材料,材料由金属基体铜、铁、铝、锡和多种高硬度陶瓷粒子以及石墨、二硫化钼构成。利用定速摩擦试验机在摩擦压力为0.45~0.9 MPa、模拟列车速度为50~300km.h-1的实验条件下,对制备的材料进行了摩擦性能测试。结果表明:该材料在定速摩擦条件下的摩擦系数大都处于或高于国际铁路联盟(UIC)标准的上限。在1∶1制动动力试验台上,对用该材料制造的高速列车制动闸片进行最高时速达300 km的工况测试。结果表明:该制动闸片的摩擦系数完全处于UIC标准的控制范围内,磨损率为0.37 cm3.MJ-1,并且产生的噪音低,振动小,导热性好,适合在时速300 km的高速列车上使用。     

合成閘瓦擦伤車輪的原因

合成闸瓦具有良好的性能,因为它的摩擦系数大,制动效率高;其耐磨性较铸铁闸瓦高3～4倍。合成材料的大的摩擦系数和高的耐磨性与其低导热性有很大关系,因为该闸瓦随着摩擦时温度的升高,其薄的接触表面层受到破坏,新的一层未受到摩擦热的明显的变化而继续起到作用。同时,又由于合成材料导热性低,结果使多数用铸铁和钢制造的摩擦轮对的连接元件破坏得较快。     

整体制动盘热应力有限元仿真分析

利用ABAQUS软件,对三筋板、四筋板和散热柱3类结构的合金铸铁、球墨铸铁、蠕墨铸铁材料制成的整体制动盘进行了温度场和热应力场分析。研究制动初速度为220 km.h-1时紧急制动情况下整体制动盘的热力学特性。对数值仿真结果的分析表明:当选用相同的材料时,四筋板制动盘的盘面最高温度比三筋板制动盘和散热柱制动盘的要低,四筋板制动盘结构优于三筋板制动盘;合金铸铁制动盘的最大热应力接近极限强度应力,而球墨铸铁制动盘和蠕墨铸铁制动盘的余量较大;与散热柱制动盘相比,四筋板制动盘的最大Mises应力及其应力梯度稍大,但不明显;当1个车轴安装2个制动盘时,制动过程中盘面的最高温度达到308℃,远大于1个车轴安装3个制动盘时的220℃;最大Mises应力大于280 MPa,超过了合金铸铁制动盘的允许应力(235 MPa)。建议准高速客车每轴安装3个制动盘。     

时速400 km轮轨制动大蠕滑黏着试验研究（一）——水介质条件下黏着特性

300～400 km·h^-1速度范围内高速列车在湿轨条件下的制动黏着行为特点尚不清楚,制约着时速400 km高速列车制动黏着的有效利用。针对这一问题,利用全尺寸高速轮轨关系试验台,研究高速轮轨水介质条件下制动大蠕滑黏着特性,提出基于高速轮轨关系试验台的轮轨水介质条件下制动大蠕滑黏着特性试验方法,探究100～400 km·h^-1速度范围内轮轨接触界面为中等粗糙度水平(Ra为0.4～0.6μm)且有水介质条件下纵向蠕滑率为0～30%时的制动黏着特性。结果表明：在纵向蠕滑率从0.5%增至5%～8%过程中,黏着力系数出现了减小的现象,此阶段不利于黏着的利用;纵向蠕滑率增至一定数值后(一般为5%～8%),若继续增加,则出现黏着力系数再上升的现象;试验速度为200 km·h^-1时,当纵向蠕滑率增至27%时出现黏着力系数上升的第2个峰,在纵向蠕滑率从30%开始减小过程中黏着力系数出现“卸载峰”;试验速度在300～400 km·h-1范围内,当纵向蠕滑率增至15%左右时出现黏着力系数上升的第2个峰,此处黏着力系数约为第1个峰时的2倍;加...     

考虑变摩擦系数的轮轨系统滑动接触热弹塑性应力分析

以LM型踏面车轮和60kg·m-1钢轨为例,采用双线性塑性模型和平面应变热力耦合单元实现轮轨的热弹塑性耦合,传热过程中考虑轮轨接触斑处的非稳态热传导以及轮轨与周围环境间的热对流和热辐射,建立轮轨滑动接触二维热弹塑性有限元模型,分析轮轨接触斑间全滑动时不同相对滑动速度下,与温度变化相关的变摩擦系数对轮轨接触表面温度和等效应力的影响,并与取0.334的常摩擦系数时进行对比。结果表明:钢轨在轮轨接触斑附近的摩擦温升主要分布在其接触表面大约1.8mm的深度范围内,而车轮的主要分布在其接触表面大约2.5mm的深度范围内,采用变摩擦系数得到的轮轨摩擦温升要比采用常摩擦系数时低57%左右;轮轨接触斑附近钢轨和车轮的最大等效应力出现在车轮和钢轨的次表面上,采用变摩擦系数时得到的车轮和钢轨等效应力的影响范围比采用常摩擦系数时略小;轮轨间相对滑动速度对车轮接触表面的温度和等效应力影响不明显,但对钢轨接触表面温度和等效应力的影响明显,相对滑动速度越大,钢轨接触表面的温度也越高。     

重载机车车钩自由角对轮轨动态安全性能的影响

为了探明重载机车车钩自由角对机车运用安全性能的影响规律,运用大系统动力学理论,仿真计算相同制动速度不同车钩自由角、不同制动速度相同车钩自由角时的轮轨动态安全性能标.结果表明:在相同初始制动速度(80 km·h~(-1))条件下,当车钩最大自由角为3°时,轮轨动态安全性指标满足运行要求,轨距动态扩大量较小,轮轨接触点分布正常;当车钩最大自由角为4°时,则轮轴横向力不能满足安全运行要求,轨距动态扩大非常明显,出现了轮缘和钢轨侧面接触、轮轨接触点集中等异常现象.车钩最大自由角为3°时的制动初始速度的安全限值为82 km·h~(-1).计算结果与实际运用得出的结论一致.     

基于ANSYS的CRH2型动车组轴盘热应力分析

以CRH2型动车组制动系统轴盘为雏形,基于摩擦功率方法,进行轴盘热负荷计算研究及边界条件确定。依据能量守恒定律,采用简化计算施加制动盘体表面的热流密度方法,得出动车组紧急制动情况下,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。基于ANSYS软件,仿真模拟出CRH2型动车组紧急制动条件下,轴装制动盘的温度场分布和应力场大小。结果表明:在制动过程中动车组制动盘在开始制动瞬间表面温度迅速上升,当t=20 s时达到峰值T_(max)后缓慢下降;制动开始后盘体热应力瞬间急剧上升,在t=9.6 s时达到最大值σ_(max)=238 MPa,随后逐渐呈下降趋势。最大应力值σ_(max)远远小于盘体材料常温下最大许用应力σ_b=785 MPa,符合CRH2型动车组轴盘材料及结构工况下使用条件和闸片的摩擦副要求及制动系统技术规定。热应力变化曲线和温度场分布曲线峰值前后存在步差,峰值变化趋势基本相同,即首先急剧上升到一个最大峰值,然后缓慢下降。     

380km/h高速列车轮装制动盘研制

综合分析研究了380km/h高速列车制动盘的结构、材料化学成分及力学性能,得到满足制动盘技术要求的低合金铸钢材料及循环对称散热筋结构。热应力计算结果表明紧急制动过程中最大热应力为448MPa,小于材料的屈服极限。首次针对高速列车制动盘提出并实施了1 000次11制动动力台b架疲劳试验,疲劳试验表明制动盘摩擦面没有出现热斑、热裂纹等不良状况。初速度为420km/h紧急制动工况下热成像测试显示制动盘表面温度分布比较均匀,制动盘摩擦面最高温度为608℃,满足380km/h高速列车基础制动技术条件要求。     

函数型摩擦系数条件下轮轨滚动和滑动接触的热机耦合分析

以直径为860mm的LMA型踏面轮对和60kg.m-1钢轨为例,在考虑轮轨间热传导以及轮轨与环境间的热传导和热辐射基础上,采用非线性有限元分析软件ABAQUS提供的mixed Lagrangian-Eulerian方法建立轮轨接触的热机耦合有限元模型,并采用隐式和显式相结合的方法分析轮轨滚、滑动接触工况下的热机耦合问题。结果表明:轮轨滚动接触时,轮轨间的摩擦温升较小、不影响轮轨表面的材料性能,工程上可以忽略其温度对轮轨接触特性的影响;轮轨滑动接触时,轮轨间的摩擦温升足以改变轮轨表面的材料性能,进而影响摩擦系数,且不同摩擦系数对轮轨接触热机耦合特性影响也较大,因此采用与相对滑动速度、温度和载荷等因素相关的函数型摩擦系数可以准确分析轮轨滑动接触的热机耦合特性。