基于闸片结构的列车盘形制动温度和应力的数值模拟及试验研究
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摘要
盘形制动器具有结构紧凑、制动效率高、制动功率大等优点而被用于高速列车。随列车速度的提高，制动所消耗的能量增加，制动盘处于温度高、波动程度大的状态，导致制动盘热裂纹损伤矛盾突出，成为制约制动盘寿命的主要因素。影响制动盘温度和应力分布的一个重要因素是闸片结构形式。因此，研究高速制动条件下制动盘温度和应力分布规律以及与闸片结构的关系，对提高列车行车安全具有重要意义。
针对高速列车用锻钢制动盘与铜基粉末冶金闸片所组成的摩擦副，基于数值模拟方法和1:1制动动力制动试验，进行了最高速度达350km/h的制动试验，结合红外热像技术，研究了制动速度和制动压力对盘面温度和应力的影响规律，并从闸片结构的角度，探讨闸片结构形式对接触压力和温度分布的影响，得到如下结论：
（1）基于闸片几何形状和排布形式决定制动盘各点摩擦功率的角度，探讨了制动闸片结构的表征方法，提出了闸片结构形函数的概念，并推导出了圆形摩擦块闸片的闸片结构形函数表达式。闸片结构形函数描述了闸片与制动盘的摩擦接触关系，成为移动热源模型的基础，使移动热源与摩擦块几何特征相关联。通过这个参数，客观地描述了闸片的结构特点，并可用于评价制动闸片对制动盘温度和应力分布均匀性的影响程度。
（2）针对四种排布方式不同的圆形摩擦块的闸片，分别计算了相应的闸片结构形函数值，通过对制动过程制动盘的温度及应力的模拟，验证了闸片结构形函数与制动盘表面温度及应力的变化规律，两者具有较好的一致性。随着闸片结构形函数数值的增加，制动盘表面温度及应力增加。减小闸片结构形函数数值的变化的范围则可改善制动盘温度及应力的分布。结构形函数的提出为改善制动盘温度及应力提供了参考依据，对闸片结构的设计具有指导意义。
（3）针对六边形和三角形摩擦块结构，模拟计算了制动盘温度和应力。在制动速度为120km/h、制动时间为10s的条件下，六边形摩擦块的闸片对应的制动盘峰值温度为103℃，最大峰值应力为212MPa，三角形摩擦块的闸片对应的制动盘峰值温度为206℃，最大峰值应力为433MPa，两者相比，后者的应力高于前者一倍，这缘于六边形摩擦块闸片的结构形函数值的分布较三角型摩擦块闸片的结构形函数值的分布具有更好的均匀性。
（4）针对圆形摩擦块结构闸片，以结构形函数值最小为目标，对闸片结构进行优化设计，优化前后的结构相比，优化后制动盘表面峰值温度最大下降了141℃，峰值应力最大下降了383MPa。
（5）采用红外热像技术，测试了1:1试验条件下制动盘温度的变化过程。随制动速度的增加，盘面温度增加，制动速度达350km/h时，盘面温度超过550℃。盘面温度差随着制动速度增加而增加，制动速度为350km/h与制动速度120km/h相比，盘面的温差增加了一倍。盘面最大温差出现在制动的初始阶段，随制动时间的增加，盘面温度梯度降低。
（6）盘面温度分布变化情况测试表明，盘面温度经历了升温-稳定-降温过程。在升温阶段，高温区呈环状优先在制动盘摩擦面内、外侧区域形成，并随制动时间的增加向制动盘摩擦面中间偏移，并达到温度最高值。在降温阶段，高温区沿径向扩展、周向缩减，使环状高温区分割为不连续的“孤岛”，构成斑块形态。高温区的这种演化规律归因于盘面的摩擦速度、压力分布的不均匀性。盘的旋转运动导致摩擦速度随摩擦半径的增加而增加，闸片的燕尾结构导致摩擦面内、外侧区域压力偏高，这种速度和压力的综合作用决定了摩擦半径大的高温区优先磨损，磨损的不均匀性改变了压力分布而使高温区随制动过程而发生移动。
Disc brake has been widely used in high-speed train brake for its simple structure, high brakeefficiency and large brake power. With the speed of train rising, energy to be consumedincreases during braking, and the brake disc is in state of high and volatility temperature,leading to severe thermal crack damage of brake disc, which has become a major factorrestricting the life of the brake disc. One of the important factors effects distributions of thebrake disc temperature and stress is the structure of brake pads. Therefore, to improve traintraffic safety, it is important to study on distributions of the brake disc temperature and stressand its relation to the brake pads structure under the conditions of high-speed braking.Using friction pair of forged steel brake disc and copper-based powder metallurgy brake padsfor high-speed train, by the numerical simulation method and full scale braking test with topspeed of350km/h, and by infrared thermal imaging technology, the influence of brakingspeed and braking pressure on the disk temperature and stress have been studied, and theinfluence of the brake pads structure on contact pressure and temperature distribution hasbeen discussed on view of the brake pads structure. Conclusions obtained as follows:
(1) Based on the view that friction power on the brake disc surface is determined by thegeometry and arrangement of the brake pads, characterization methods of the brake padsstructure have been discussed, concept of brake pads structure function has been proposed,and expressions of brake pads structure function for circular friction pad has been developed.The brake pads structure function describes contact relation between the brake pads and brakedisc which is the basis of the mobile heat source model, and associates mobile heat sourceswith the friction pad geometric features. This parameter objectively describes the structuralcharacteristics of the brake pad, and can be used to evaluate the degree of influence of thebrake pads on uniformity of the brake disc temperature and stress distribution.
(2) The values of brake pads structure functions of four brake pads with different arrangementof circular friction pad have been calculated. By simulating the brake disk temperature andstress during the braking process, the variations of the brake pads structure function and thebrake disc surface temperature and stress have been verified, showing a good agreement ofthe two. With increase of the brake pads structure function value, the brake disc temperatureand stress increase. The distribution of the brake disc temperature and stress can be improvedby reducing the changing range of the brake pads structural function value. The brake padsstructural function provides a reference for improving the brake disc temperature and stress,whichis significant for the design of brake pads.
(3) The brake disc temperature and stress have been simulated with brake pads of hexagonaland triangular friction pad structure. Under conditions of braking speed of120km/h and braking time of10s, the maximum peak temperature and peak stress of the brake disc, whichcouple with brake pads of hexagonal friction pad structure, are103°C and212MPa,respectively, and those, which couple with brake pads of triangular friction pad structure,206°C and433MPa, respectively. The stress of the latter is double of that of the former, which isdue to that the distribution of structure function value of the hexagonal friction pad has betteruniformity than that of the triangular friction pad.
(4) For target of minimum value of the brake pads structure function, the structure of brakepads of circular friction pad has been optimized. When braking with the optimized brake pads,the brake disc peak temperature and peak stress decrease by141°C and383MPa,respectively.
(5)The evolutions of the brake disc temperature under the1:1test conditions have been doneby infrared thermal imaging technology. The brake disc temperature increases when brakespeed increases and the temperature exceeds550°C when the braking speed is350km/h. Thedifference of the brake disc temperature increases with increasing of braking speed, and thedifference of temperature under the speed of350km/h is doubled of that under the speed of120km/h. The maximum temperature difference appears in the initial braking stage, andtemperature gradient reduces with the increase of the braking time.
(6) The study of variation of the brake disc temperature distribution shows that the brake disctemperature experiences a process of warming-stability-cooling. In the warming stage, thehigh temperature zones appear in priority at both the inner and the outer locations of the brakedisc friction surface, and offset to the middle of the brake disc friction surface with theincrease of the braking time, reaching the highest value of temperature. In the cooling stage,the high temperature zones expanse along the radial direction and reduction in circumferentialdirection, which divides the high temperature zone into discontinuous spots. The evolution ofthe high temperature zone is due to the uneven distribution of friction speed and pressure ofthe brake disc. The rotational motion of the brake disc results in the increasing friction speedwith the enlargement of the friction radius. The structure of brake pads dovetail leads to thatthe inner and the outer locations’ pressure of the brake disc friction surface is higher than thatof other zones’. The combined effects of speed and pressure result in that high temperaturezone with lager friction radius wear in priority. The uneven wear changes the pressuredistribution makes the high temperature zone moving during the braking process.
针对高速列车用锻钢制动盘与铜基粉末冶金闸片所组成的摩擦副，基于数值模拟方法和1:1制动动力制动试验，进行了最高速度达350km/h的制动试验，结合红外热像技术，研究了制动速度和制动压力对盘面温度和应力的影响规律，并从闸片结构的角度，探讨闸片结构形式对接触压力和温度分布的影响，得到如下结论：
（1）基于闸片几何形状和排布形式决定制动盘各点摩擦功率的角度，探讨了制动闸片结构的表征方法，提出了闸片结构形函数的概念，并推导出了圆形摩擦块闸片的闸片结构形函数表达式。闸片结构形函数描述了闸片与制动盘的摩擦接触关系，成为移动热源模型的基础，使移动热源与摩擦块几何特征相关联。通过这个参数，客观地描述了闸片的结构特点，并可用于评价制动闸片对制动盘温度和应力分布均匀性的影响程度。
（2）针对四种排布方式不同的圆形摩擦块的闸片，分别计算了相应的闸片结构形函数值，通过对制动过程制动盘的温度及应力的模拟，验证了闸片结构形函数与制动盘表面温度及应力的变化规律，两者具有较好的一致性。随着闸片结构形函数数值的增加，制动盘表面温度及应力增加。减小闸片结构形函数数值的变化的范围则可改善制动盘温度及应力的分布。结构形函数的提出为改善制动盘温度及应力提供了参考依据，对闸片结构的设计具有指导意义。
（3）针对六边形和三角形摩擦块结构，模拟计算了制动盘温度和应力。在制动速度为120km/h、制动时间为10s的条件下，六边形摩擦块的闸片对应的制动盘峰值温度为103℃，最大峰值应力为212MPa，三角形摩擦块的闸片对应的制动盘峰值温度为206℃，最大峰值应力为433MPa，两者相比，后者的应力高于前者一倍，这缘于六边形摩擦块闸片的结构形函数值的分布较三角型摩擦块闸片的结构形函数值的分布具有更好的均匀性。
（4）针对圆形摩擦块结构闸片，以结构形函数值最小为目标，对闸片结构进行优化设计，优化前后的结构相比，优化后制动盘表面峰值温度最大下降了141℃，峰值应力最大下降了383MPa。
（5）采用红外热像技术，测试了1:1试验条件下制动盘温度的变化过程。随制动速度的增加，盘面温度增加，制动速度达350km/h时，盘面温度超过550℃。盘面温度差随着制动速度增加而增加，制动速度为350km/h与制动速度120km/h相比，盘面的温差增加了一倍。盘面最大温差出现在制动的初始阶段，随制动时间的增加，盘面温度梯度降低。
（6）盘面温度分布变化情况测试表明，盘面温度经历了升温-稳定-降温过程。在升温阶段，高温区呈环状优先在制动盘摩擦面内、外侧区域形成，并随制动时间的增加向制动盘摩擦面中间偏移，并达到温度最高值。在降温阶段，高温区沿径向扩展、周向缩减，使环状高温区分割为不连续的“孤岛”，构成斑块形态。高温区的这种演化规律归因于盘面的摩擦速度、压力分布的不均匀性。盘的旋转运动导致摩擦速度随摩擦半径的增加而增加，闸片的燕尾结构导致摩擦面内、外侧区域压力偏高，这种速度和压力的综合作用决定了摩擦半径大的高温区优先磨损，磨损的不均匀性改变了压力分布而使高温区随制动过程而发生移动。
Disc brake has been widely used in high-speed train brake for its simple structure, high brakeefficiency and large brake power. With the speed of train rising, energy to be consumedincreases during braking, and the brake disc is in state of high and volatility temperature,leading to severe thermal crack damage of brake disc, which has become a major factorrestricting the life of the brake disc. One of the important factors effects distributions of thebrake disc temperature and stress is the structure of brake pads. Therefore, to improve traintraffic safety, it is important to study on distributions of the brake disc temperature and stressand its relation to the brake pads structure under the conditions of high-speed braking.Using friction pair of forged steel brake disc and copper-based powder metallurgy brake padsfor high-speed train, by the numerical simulation method and full scale braking test with topspeed of350km/h, and by infrared thermal imaging technology, the influence of brakingspeed and braking pressure on the disk temperature and stress have been studied, and theinfluence of the brake pads structure on contact pressure and temperature distribution hasbeen discussed on view of the brake pads structure. Conclusions obtained as follows:
(1) Based on the view that friction power on the brake disc surface is determined by thegeometry and arrangement of the brake pads, characterization methods of the brake padsstructure have been discussed, concept of brake pads structure function has been proposed,and expressions of brake pads structure function for circular friction pad has been developed.The brake pads structure function describes contact relation between the brake pads and brakedisc which is the basis of the mobile heat source model, and associates mobile heat sourceswith the friction pad geometric features. This parameter objectively describes the structuralcharacteristics of the brake pad, and can be used to evaluate the degree of influence of thebrake pads on uniformity of the brake disc temperature and stress distribution.
(2) The values of brake pads structure functions of four brake pads with different arrangementof circular friction pad have been calculated. By simulating the brake disk temperature andstress during the braking process, the variations of the brake pads structure function and thebrake disc surface temperature and stress have been verified, showing a good agreement ofthe two. With increase of the brake pads structure function value, the brake disc temperatureand stress increase. The distribution of the brake disc temperature and stress can be improvedby reducing the changing range of the brake pads structural function value. The brake padsstructural function provides a reference for improving the brake disc temperature and stress,whichis significant for the design of brake pads.
(3) The brake disc temperature and stress have been simulated with brake pads of hexagonaland triangular friction pad structure. Under conditions of braking speed of120km/h and braking time of10s, the maximum peak temperature and peak stress of the brake disc, whichcouple with brake pads of hexagonal friction pad structure, are103°C and212MPa,respectively, and those, which couple with brake pads of triangular friction pad structure,206°C and433MPa, respectively. The stress of the latter is double of that of the former, which isdue to that the distribution of structure function value of the hexagonal friction pad has betteruniformity than that of the triangular friction pad.
(4) For target of minimum value of the brake pads structure function, the structure of brakepads of circular friction pad has been optimized. When braking with the optimized brake pads,the brake disc peak temperature and peak stress decrease by141°C and383MPa,respectively.
(5)The evolutions of the brake disc temperature under the1:1test conditions have been doneby infrared thermal imaging technology. The brake disc temperature increases when brakespeed increases and the temperature exceeds550°C when the braking speed is350km/h. Thedifference of the brake disc temperature increases with increasing of braking speed, and thedifference of temperature under the speed of350km/h is doubled of that under the speed of120km/h. The maximum temperature difference appears in the initial braking stage, andtemperature gradient reduces with the increase of the braking time.
(6) The study of variation of the brake disc temperature distribution shows that the brake disctemperature experiences a process of warming-stability-cooling. In the warming stage, thehigh temperature zones appear in priority at both the inner and the outer locations of the brakedisc friction surface, and offset to the middle of the brake disc friction surface with theincrease of the braking time, reaching the highest value of temperature. In the cooling stage,the high temperature zones expanse along the radial direction and reduction in circumferentialdirection, which divides the high temperature zone into discontinuous spots. The evolution ofthe high temperature zone is due to the uneven distribution of friction speed and pressure ofthe brake disc. The rotational motion of the brake disc results in the increasing friction speedwith the enlargement of the friction radius. The structure of brake pads dovetail leads to thatthe inner and the outer locations’ pressure of the brake disc friction surface is higher than thatof other zones’. The combined effects of speed and pressure result in that high temperaturezone with lager friction radius wear in priority. The uneven wear changes the pressuredistribution makes the high temperature zone moving during the braking process.
引文
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