基于旋转热流法和均布热流法的环块摩擦温度场仿真分析

针对目前摩擦热流加载方式对环块摩擦中圆环温度场影响规律的研究不全面的问题,深入分析旋转热流法和均布热流法这两种摩擦热流加载方式计算得到的圆环温度场之间的差异及内在联系。计算结果表明,环块摩擦中圆环的最高温度出现在环块摩擦面的中心线上(称为A_0点),旋转热流法与均布热流法计算得到的A_0点的温度值及其变化特性存在明显差异。在A_0点下方,随着距离圆环摩擦面深度的增加,这种差异迅速减小,在2 mm处可近似认为相同。同时,随着环块摩擦时间的增加,A_0点的温度不断增加,但旋转热流法计算得到的A_0点的温度波动以及两种热流加载方式计算得到的A_0点的温度差异迅速趋于稳定,据此提出一种圆环最高温度值的快速算法。此外,系统考察不同环块摩擦工况(圆环转动角速度、环块压力、圆环材料以及环块接触弧面圆心角)对圆环温度场的影响,揭示了A_0点的温度波动在不同环块摩擦工况下的变化规律。研究成果为环块摩擦条件下圆环温度场计算中摩擦热流加载方式的选择提供了理论依据。     

基于旋转热源法和均布热源法的列车踏面制动温度场分析

针对列车踏面制动,分别基于旋转热源法和均布热源法建立了温度场计算模型。在包含匀减速制动、停止、匀加速启动和匀速运行四个阶段的一个基本制动工况下,选取车轮踏面以及踏面以下1 mm和2 mm处三个节点作为分析对象,对比了旋转热源法和均布热源法计算得到的温度变化曲线。同时考察了不同闸瓦接触面积、不同制动功率以及连续五个基本制动工况条件下,旋转热源法和均布热源法计算得到的上述三个节点温度变化曲线的变化规律及差异性。计算结果表明,对于踏面上的节点,旋转热源法与均布热源法计算得到的温度值及其变化特性存在很大的差异,但随着距离踏面深度的增加,两种计算方法得到的温度值差异迅速减小,在2 mm处可近似认为相同。此外在连续制动条件下,某一次制动中旋转热源法与均布热源法计算结果的差异性与之前的制动无关。     

高速列车制动盘瞬态温度和热应力分布仿真分析

制动盘的热疲劳损伤是当前列车安全制动的主要威胁。制动过程中的瞬态温度和热应力分布是热疲劳损伤研究的基础。通过建立制动盘无内热源的三维温度场分布的数学计算模型,采用热弹塑性有限元法,利用摩擦功率法计算温度场载荷,仿真不同制动工况下制动盘摩擦热负荷产生的温度场以及热应力分布。主要计算一次常用制动、一次紧急制动、三次紧急制动和一次坡道制动这4种制动工况。通过仿真分析发现,不同工况下制动盘面的温度变化有着相似的规律。制动开始阶段,随着强热流的不断输入,盘面在很短时间内迅速升温,很快达到峰值点。随后,盘体逐渐通过辐射和对流的方式散热,温度缓慢下降。相对紧急制动和常用制动的升温过程,坡道制动的升温显得缓慢一些。研究不同工况下制动盘温度和热应力的变化和分布规律,为高速列车复合材料制动盘的热疲劳性能评价提供依据。     

基于间隙热源法的车轮踏面制动摩擦温升研究

针对传统模拟车轮踏面制动摩擦热流边界的加载方式存在的不足,如均布热源法计算精度较低和移动热源法计算效率较低,提出基于间隙热流加载法的车轮踏面制动摩擦温升有限元计算方法。以重载列车紧急制动为研究对象,通过与以往的移动热源法和均布热源法进行对比,研究新方法的计算精度和计算效率。计算结果显示:在计算精度方面,新方法不仅可以达到移动热源法的计算精度,还能体现均布热源法无法模拟的因闸瓦和踏面的接触-脱离现象导致的车轮踏面温度时间历程曲线波动现象。在计算时间方面,新方法的计算效率与均布热源法的相当,但新方法的计算速度比移动热源法的快4.3倍。     

地铁列车轴装制动盘热力耦合仿真分析

电制动失效时的摩擦制动热负荷引起的制动盘热疲劳损伤是影响列车运行安全的重要因素。建立地铁列车轴装制动盘摩擦制动三维有限元模型,调查了制动盘在一次常用制动、一次紧急制动两种制动工况时的热-力耦合情况,获得制动盘在两种制动方式下的温度场和应力场。仿真结果表明,不同工况下制动盘面的温度分布具有相似规律,即在制动初期,盘面温度迅速上升并很快达到峰值点166.81℃和151.5℃,随后盘面温度缓慢下降。应力场初始以机械应力为主,随着制动温度的上升,热应力成为主要影响因素。应力场与温度场分布相似,但应力峰值延后于温度峰值出现。热应力在制动中会引起材料损伤积累,导致制动盘疲劳开裂。     

高速列车制动盘瞬态温度场分析

随着列车运行速度的提高,动能急剧增加,制动时产生的热能也大大增加,巨大的制动热负荷使制动盘产生很大的温度梯度,紧急制动时的制动盘温度状况与其使用寿命密切相关,而如何准确预测制动盘摩擦表面的温度及温度场分布成为研究制动盘寿命的关键技术。研究中建立制动盘的三维模型,采用热弹塑性有限元法,利用能量折算模型、摩擦功率法计算温度场载荷,仿真不同制动工况下制动盘摩擦热负荷产生的温度场。通过仿真分析发现,不同工况下制动盘面的温度变化有着相似的规律。制动开始阶段,随着强热流的不断输入,盘面在很短时间内迅速升温,很快达到峰值点,"摩擦功率"模型的最大瞬时温度普遍高于"能量折算"模型,制动盘最大瞬时温度区域皆位于散热孔的中间靠上部的微小局部区域,并且不是均匀分布。     

基于接触压力分布和非均匀热流密度的列车制动盘热机耦合分析

针对铁路列车制动闸片摩擦块排布方式对制动盘热机耦合响应状态影响显著的问题，提出了一种考虑接触压力分布和非均匀热流密度的热机耦合仿真分析方法。通过在轨道车辆制动性能试验台上进行的制动台架试验，从温度的角度验证了所提方法的正确性。在此基础上，建立了列车全尺寸盘型制动系统有限元仿真分析模型，对现有铁路列车制动闸片摩擦块的排布方式进行了优化分析。结果表明，合理的制动闸片摩擦块排布方式可以显著降低制动盘面的温度和应力峰值，在改善制动盘面温度和应力分布的同时，提供较为优异的制动性能。研究成果可为铁路列车盘型制动系统热机耦合分析提供一种快速有效的仿真分析方法，同时可为铁路列车制动闸片摩擦块的排布优化提供指导方向。     

离合器温度场计算中摩擦热流密度模型的比较研究

温度场计算是离合器设计与控制的重要依据,摩擦热模型是温度场计算准确性的关键。针对热流均布和压力均布两种主流的摩擦热流密度模型,将其分别引入离合器热分析的有限元模型,计算在持续滑摩的极端工况下温度场随时间和空间的变化过程,从温度分布云图、温度沿半径方向的变化、最高温度以及温度梯度等方面对两种模型的计算结果进行比较,给出了两种模型的适用范围。     

基于微元法的高速制动盘瞬态温度场仿真分析

高速列车制动时,制动盘摩擦表面的温度场直接影响制动盘表面磨损、相变、热裂纹及其使用寿命。以某型高速列车基础制动装置现役锻钢制动盘为研究对象,建立热载荷模型:考虑制动闸片几何形状和分布对热流密度的影响,建立了基于微元法的摩擦面热流密度计算模型;由于热辐射计算的非线性求解特性,将热辐射系数折算成等效对流换热系数,建立了对流换热模型与辐射换热模型相结合的综合换热模型。考虑到制动盘面和散热筋几何截面的突变性,建立了由盘面和散热筋六面体网格与接触部位过渡网格构成的制动盘热分析有限元模型。对高速列车在200km/h速度下紧急制动时制动盘瞬态温度场进行仿真分析。得到制动盘温度分布规律和温度变化曲线,为制动盘选材及结构优化提供相应理论参考。     

基于ABAQUS制动器热流多场耦合建模分析

制动器工作过程中盘片摩擦产生的热流为非轴对称的,二者之间的热流耦合及其他场的耦合作用是影响制动效能的重要因素。基于以上问题,针对盘式制动器建立热传导方程,对盘片之间的摩擦传热和热流耦合现象进行分析。根据盘式制动器的结构特点和所建立的热传导数学模型,基于ABAQUS/Explict搭建其三维瞬态温度/应力场有限元模型,分析正常制动和紧急制动等典型工况下制动盘的温度场和应力场,对多场耦合现象进行分析;分析制动盘打孔后的温度场、热应力场等分布。结果表明:车辆在正常制动和紧急制动时,多场耦合有较大区别;正常制动工况最高温升160℃,紧急制动最高温升622℃;紧急制动工况,场耦合情况严重,温度场在轴向和径向上存在较大的温度梯度,对制动效能有较大影响;打孔不适用所研究的制动器,对场分布产生不利影响,会降低制动效能。所搭建模型和分析结果为实际设计提供参考。     

基于均匀压力法的某制动盘瞬态温度场研究

制动盘在紧急制动过程中的瞬态温度场及其分布情况对制动器的寿命及制动性能有着重大的影响。提出了使用分段二次插值法来确定摩擦副周向接触弧长及热流分配系数与径向位置的关系;在此基础上,使用均匀压力法来确定作用在摩擦面上的热流密度;比较了2种不同热载荷确定方法得到的温度场分布。计算结果表明:周向接触弧长随径向位置呈先增大后减小的变化规律,且变化量较大,而热流分配系数与其相反;在制动第13.307 s时,盘面温度达到最大值227.03℃;制动盘径向和轴向方向上温度梯度较大;较取平均摩擦半径处的周向接触弧长和热流分配系数,温度峰值要高出19.82℃;所设计的制动盘符合工程初始设计要求。     

摩擦副结构与制动盘温度关系的试验与模拟研究

摩擦副结构是影响制动盘温度分布的重要因素之一。针对闸片形状为圆形、三角形和六边形三种结构的摩擦副,采用制动试验台进行了速度为50～250 km/h的制动试验,并利用ABAQUS软件数值模拟了三种摩擦副不同工况条件下制动盘温度场的变化过程。结果表明：数值模拟温度场与试验测试结果具有良好的相似性。摩擦副结构对盘面温度分布的影响程度与制动条件密切相关,其结构形式对制动盘面温度的影响程度在制动初期最为明显,且随制动初速度和制动压力的增加而增加。这缘于闸片结构的不同导致了摩擦面摩擦弧长分布的不同,随制动速度升高和压力增加,摩擦弧长的差异起到了放大能量差别的作用,从而表现制动盘温度分布对闸片结构的敏感程度增加。     

动态摩擦因数对蝶式制动器温度场影响的试验和模拟研究

针对蝶式制动器制动过程中温度场研究的需要,利用相似原理研制定速制动试验台,用以模拟摩托车匀速下长坡时的制动工况。制动试验台用车床的三爪卡盘控制固定在旋转轴上的制动盘做定速旋转运动,内外摩擦片通过液压力夹紧制动盘,使制动盘与摩擦片发生摩擦运动,通过热电偶、拉压力传感器、压力表、热成像仪分别测出定速制动50 s的摩擦片上固定点的温度变化、制动扭矩(经计算得出)的动态变化、制动力的均值、制动盘摩擦区域的温度场变化,实时显示并记录下来。定速制动摩擦试验机能实现不同转速、不同制动力等条件下,制动过程中的各变量的动态测量。试验还选取热成像仪测得的最大的温度为变量,研究摩擦因数随温度的变化。在试验的基础上,用ABAQUS对制动盘与摩擦片的相互作用做了一些仿真和分析。仿照实际模型1∶1建模,加载与边界条件与实际模型相同,将测得的摩擦因数随温度变化的数据输入接触条件,仿真得到制动盘与摩擦片温度场的变化。仿真与试验的结果对比表明摩擦因数动态变化的接触模型能很好的模拟制动的实际工况。     

制动初速度对制动盘峰值温度和温差的影响*

为改进制动盘的使用寿命,研究车辆速度改变时制动盘峰值温度、最大温差以及单位时间温度增量在不同制动时刻的瞬时温差。利用ADINA软件,针对盘形制动,基于热-机耦合模型模拟计算制动压力0.5 MPa、制动初速度140、160和180 km/h工况下制动盘温度场的变化。结果表明:随制动初速度的增加,盘面峰值温度和最大温差增加,3种速度条件下盘面峰值温度分别为151、167、200℃,最大温差分别为85、91和112℃;盘面温差主要缘于摩擦弧的分布形态,制动初速度的增加放大了摩擦弧的作用;制动初速度对制动盘单位时间温度增量的影响主要体现在制动初始阶段,在制动后期,温度的变化主要由冷却条件和热传导所控制;盘轴向最大温差依赖于盘的导热性能,对制动初速度不敏感。     

列车制动盘试验测试与数值模拟的温度偏差分析

为准确获取制动过程中制动盘的温度来评价制动盘的寿命,针对动车组闸片与制动盘构成的摩擦副,采用1∶1列车制动试验台,分别采用红外热像仪和热电偶测试制动初速度为80～250 km/h条件下制动盘的温度;同时运用有限元软件ADINA,模拟制动过程中制动盘温度场的变化情况。结果表明:数值模拟结果与试验测试结果存在一定的偏差,其中红外热像仪所测盘面温度与模拟所得温度最为接近,两者的接近程度与制动过程有关,在制动中后期,2种方法所得盘面温度偏差变小;热电偶测得的盘面平均温度小于模拟计算温度,其偏差程度随制动压力和制动初速度的增大而增大;造成测试结果与数值模拟温度不一致的主要原因在于实际制动过程中存在摩擦副之间的压力分布不均匀问题。     

基于动态热流分配的限滑离合器温度场分布研究

为了准确获得限滑离合器长时间滑摩过程的温度场分布规律，利用Fluent软件求解了摩擦副不同工况下流场速度分布以获取平均对流换热系数，计算了润滑油冷却功率；通过热平衡法建立以摩擦接触表面温度连续为约束的动态热流分配温度预测模型，并设计了长时间滑摩试验。验证分析结果表明，定热流输入条件下，对偶钢片与摩擦片间存在温差且随时间增大，温度预测结果均高于试验值，最大偏差22.2 K；动态热流分配温度预测偏差在8.1 K之内；对偶钢片表面各位置处输入热功率随时间下降并趋于定值，平衡温度沿径向呈抛物线分布，在中、外径处达到峰值。     

基于流固耦合传热的制动盘瞬态温度场研究

针对通风盘式制动器在制动时空气与制动盘之间的流动与传热耦合问题,建立了空气与制动盘三维流固耦合模型,参照《乘用车制动器性能要求及台架试验方法》设置速度、热流密度等边界条件,利用CFD软件的流固耦合计算功能对建立的耦合模型进行瞬态传热数值计算,得到了耦合系统的温度场。数值计算所得制动盘温度值与制动器惯量实验台测得温度值之间的误差在合理范围内,证明流固耦合数值计算法可以较准确地分析通风盘式制动器制动过程中的温度场,为评价通风式制动盘的风冷性能提供依据。同时提出通风式制动盘通风肋板优化方案,经计算,优化后的制动盘在循环制动工况下最高温度降低了16℃。     

列车制动盘表面温度分布演变的研究

高速列车制动条件下制动盘的温度不均匀分布是影响盘热疲劳损伤的一个重要因素.本文针对铜基粉末冶金闸片与锻钢制动盘构成的摩擦副,利用1:1制动动力试验台,进行了最高速度达350km/h的制动试验,结合红外热像与有限元分析技术,研究了制动速度和制动压力对盘面温度分布形态的影响.制动实验结果显示,在制动过程中盘面高温区优先在摩擦中径两侧形成,并随制动时间的增加向摩擦中径处偏移.有限元分析结果显示,制动盘摩擦中径两侧的接触压力明显偏大.由此可推断,闸片的燕尾结构致使摩擦中径两侧压力偏高,是盘面形成两个高温区的主要原因.摩擦速度随摩擦半径的增加而增加,导致摩擦半径大于摩擦中径的高温区优先磨损,磨损的不均匀性改变了接触压力分布.摩擦速度和接触压力的综合作用与高温区演化规律密切相关.     

基于相似理论的列车制动摩擦副缩比模型研究

基于相似理论设计列车制动缩比摩擦副,利用有限元软件ADINA,在制动速度100 km/h、制动压力1.1 MPa工况下,对1∶1制动盘和缩比制动盘的三维瞬态温度场与应力场分布情况进行模拟分析,进而探讨二者的等效性。结果表明:缩比制动盘与1∶1制动盘温度场与应力场分布的模拟结果基本一致,缩比制动盘的峰值温度为203.9℃,较1∶1制动盘低22.4℃;缩比制动盘的峰值应力为308 MPa,较1∶1制动盘低48.7 MPa;且同工况下缩比模型的试验数据与1∶1制动盘模拟结果基本吻合,二者制动时间相差1 s,峰值温度相差26.9℃,验证了缩比模型的合理性。     

风力发电机主轴制动器摩擦副温度场分析

基于有限元软件ANSYS建立某大型风电主轴制动器的三维有限元模型,运用参数化语言APDL进行编程,实现热载荷的循环施加,并对正常工况和紧急工况下制动盘温度场进行数值计算。结果表明,制动盘温度分布不均匀,摩擦区域温度呈现锯齿状波动,从而产生热冲击;制动盘表面摩擦区域各处温度最高点约处于制动过程的3/5段,紧急工况温度大大高于正常工况;制动结束后摩擦热向非摩擦区移动,摩擦区轴向温度趋于一致,而非摩擦区轴向上内部温度大于表面温度。