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第二届计算机应用与系统建模国际会议（2012）
列车盘式制动器温度场仿真分析
王立波 唐国顺
机械工程学院
大连交通大学
中国大连
摘要——利用ABAQUS软件对列车盘式制动系统在500r/min定速工况下的温度场进行了仿真计算。结果表明：制动产生的热量首先以摩擦半径为中心形成尾端区，随着制动过程的不断发展，形成环形温度分布，最后制动盘表面温度区呈斑点状。刹车片温度上升很快。当制动开始2.5秒时，温度达到极限。随着制动过程的延长，表面温度开始向周向和厚度方向扩散，直至结束。通过有限元模型仿真计算得到的温度场分布，为制动盘和制动片的设计和工程应用提供了有效的参考。
关键词——盘式制动器，温度场，ABAQUS软件，有限元分析
一、 简介
人体的阻力作用于运动的物体上，使其减速或停止运动或保持原来的运动状态，称为制动。制动过程是将列车动能转化为其它形式的能量。不均匀的温度场和应力场长期作用在制动器上，导致热裂纹的产生和扩展，最终导致制动系统失效[1-2]。通过对摩擦制动过程中温度场的模拟和预测，制动对列车安全具有重要意义。张乐乐[3]，.等使用MARC软件、ANSYS软件等。并应用摩擦功率法等对160km/h高速制动盘1/4模型进行了数值模拟。讨论了制动加载方式、制动工况和环境温度对制动盘瞬态温度场的影响。赵文清等[4]应用非线性有限元分析软件帕特兰理学硕士得到瞬态温度曲线。赵海燕等[5]提出表面热流密度的热流分布具有周期性、间歇性和衰减性，与制动衬片接触的制动盘表面瞬态温度呈现锯齿状变化，形成疲劳载荷谱和循环热载荷。利用ABAQUS有限元分析软件，研究了制动盘周向、半径方向和厚度方向的温度分布规律。
二、模型建立与参数设定
该车型采用圆形制动盘。该模型以制动盘的一半为分析对象，制动衬片由多个气缸组成，模型以单个气缸为计算单元。在计算过程中，假设制动盘和制动片为弹塑性变形体。如图1所示，模型尺寸如表一所示。
图1.制动盘与制动片啮合
在模拟过程中，热流分布采用热流分布系数法，制动盘与制动片之间的热流分布比例为8:2，摩擦系数采用实测法得到，摩擦系数500r/min为0.41；试验制动盘材料为H13，制动盘材料为制动器焊盘为粉末冶金材料，所用材料参数见表二。
三、 仿真计算结果与分析
A、 制动盘表面温度分布随摩擦时间的变化图2和图3显示了0.12s和10s时制动盘表面温度的不同变化。
从图2可以看出，在制动初期，制动盘表面摩擦的区域形成带状区域，与制动片接触的区域温度最高，远离摩擦区域的区域温度逐渐下降；从图3可以看出，随着摩擦的继续，温度逐渐传递到整个制动盘，形成环形温度区，下面进行更详细的分析。
1） 摩擦盘表面温度分布随摩擦时间的变化
图2和图3显示了0.12s和10s时制动盘表面温度的不同变化，从图2可以看出，在制动初期，制动盘表面摩擦的区域形成带状区域，与制动片接触的区域温度最高，远离摩擦区域的区域温度逐渐升高下降；如图3所示，随着摩擦的继续，温度逐渐传递到整个制动盘，形成环形温度区；下面进行更详细的分析。
图2.制动盘0.12秒温度云图
图3.制动盘10秒温度云图
2） 制动盘半径方向的温度分布
沿制动盘直径方向取6个点，如图4所示。点5在摩擦半径240mm处，点5在制动时间内的温度变化如图5所示。图中的温度曲线显示锯齿形波动。从一开始，点5保持环境温度。随着制动盘旋转，点5进入制动摩擦区，制动盘剧烈摩擦制动片产生大量能量。由于制动盘的旋转周期为0.12秒，温度急剧上升，因此点5每0.12秒进入摩擦区一次。温度升高一次，脱离摩擦区的温度开始下降，并循环到结束。当制动时间为2.26秒时，5点温度达到峰值，随后5点绝对温度逐渐下降，由于制动盘表面温度开始均匀，最高温度点转移到其他点；随着制动时间的延长，点5的温度基本保持不变，表明该点的扩散热量与获得的热量基本平衡。它预测：如果制动时间延长，第5点的温度将继续升高。往返逐渐形成锯齿状上升过程。沿制动盘直径方向取六个点的温度变化曲线如图6所示。点1、点2、点3、点4、点5、点6显示锯齿状变化，但由于摩擦半径不同，摩擦半径处的点5很快达到温度的最大值；由于制动盘是连续的，点5的温度受周围其他点的限制，温度在短时间内下降，热量的传递使周围各点的温度迅速上升，从而达到动态平衡。
图4.制动盘分析点位置
图5.点5的温度变化
图6.点1-6温度变化曲线
3） 制动盘周向温度分布
沿圆周方向在摩擦半径处取点1-4，如图7所示。温度变化曲线如图8所示。
图7.制动盘上分析点沿圆周的位置
图8.点1-4温度变化曲线
如图8所示：在相同摩擦半径的情况下，点1、2、3和4的温度显示锯齿状变化。点的位置不同，但摩擦半径相同，所以这些点经历了相同的温升温降过程，且变化趋势完全相同。每一次，最高温升和最低温升都是近似值，只是达到极限的时间不同。
4） 制动盘厚度方向的温度分布
采用ZOX平面作为垂直于制动平面的截面，得到了不同时刻制动盘厚度方向上温度分布的变化过程，如图9所示。从图中可以看到制动盘表面到内部的温度扩散。
图9.深度方向上的温度变化
沿制动盘厚度方向取1、2、3、4、5点，如图10所示。点1位于摩擦面上，点与点之间的距离为5mm，各点的温度变化曲线如图11所示。在制动过程中，制动盘处于深度方向，温度变化主要集中在制动盘的表面摩擦接触区。随着制动时间的延长，温度逐渐向内部扩散。由于制动盘的尺寸远远大于制动片的尺寸，所以随着深度的增加，温度扩散速度变慢。
图10.制动盘深度分析点的位置
图11.深度温度变化
B、 制动片温度分布
点1、2、3、4和5位于中心轴上，如图12所示。点5在接触面上，点1在上表面，这五点的温度变化曲线如图13所示。
图12.制动片中心分析点位置
图13.刹车片温度变化曲线
1、2、3、4点变化规律基本一致，温度呈上升趋势，制动初期温度变化率不同；约3秒后，基本呈现线性变化规律，温度变化相对缓慢；只有当接触面上五个点的温度变化比较复杂时，温度变化曲线上才会出现跳跃现象，且跳跃幅度较大，这是由于接触的复杂性，制动片总是与制动盘接触。随着制动时间的推移，制动盘与制动片的接触压力大小及接触位置发生变化，接触处温度迅速上升，从而使点5的温度变化曲线波动。
四、 摘要
1） 制动产生的热量较少且在制动初期均匀，形成以摩擦半径为中心的尾部区域，摩擦半径处的温度最高，随着制动过程的不断发展，形成环状温度分布，制动盘表面温度区呈点状高温，随着摩擦时间的增加，高温区相互连通，形成带状分布。
2） 制动盘处于深度方向，温度变化主要集中在制动盘表面摩擦接触区。随着制动时间的延长，温度逐渐向内部扩散。由于制动盘的尺寸远远大于制动片的尺寸，所以随着深度的增加，温度扩散速度变慢。
3） 刹车片体积小，刹车片材料为以铜为基体的热良导体，刹车片温度上升迅速。制动开始2.5秒时，温度达到极限，其位置在摩擦半径上，说明制动初期制动盘与制动片的接触性能良好。随着制动过程的延长，表面温度开始向周向和厚度方向扩散，直至结束。
4） 通过有限元模型仿真计算得到的温度场分布，为制动盘和制动片的设计和工程应用提供了有效的参考。
参考文献
[1] 钱坤才，孙浩。250km/h高速客车锻钢制动盘及粉末冶金制动衬片的研究[J]。机车车辆技术，2000（2）：30-36。
[2] 陆晋宁，韩建民。300km/h高速列车高纯锻钢制动盘材料的研究[J]。中国铁道学会学报，2003，25（6）：10-15
[3] 张乐乐，杨强，谭南林等.基于摩擦功率法的列车制动盘瞬态温度场分析[J]。中国铁道科学。2010，31（1）：99-104
[4] 赵文清。高速列车“中华之星”制动盘温度场和热应力。装备学报[J]，2006，27（1）：132-136
[5] 赵海燕，张海泉，唐晓华等.高速列车盘式制动器热过程有限元分析[J]。清华科技（JCR科学版）。2005，45（5）：589-592
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