基于长大坡道持续制动的新型制动盘研究

doi:10.3901/JME.2022.20.391

机械工程学报 ›› 2022, Vol. 58 ›› Issue (20): 391-398.doi: 10.3901/JME.2022.20.391

扫码分享

基于长大坡道持续制动的新型制动盘研究

周素霞^1,2, 邵京^1,2, 童欣^1,2

1. 北京建筑大学机电与车辆工程学院北京 100044;
2. 北京建筑大学城市轨道交通车辆服役性能保障北京市重点实验室北京 100044

收稿日期:2022-03-22 修回日期:2022-06-01 出版日期:2022-10-20 发布日期:2022-12-27
通讯作者: 邵京(通信作者)，男，1996年出生。主要研究方向为疲劳与断裂和结构健康检测。E-mail：1206093904@qq.com
作者简介:周素霞，女，1971年出生，博士，教授，硕士研究生导师。主要研究方向为结构的疲劳与断裂、金属材料的微观损伤、车辆系统动力学。E-mail：sxzhou1971@163.com
基金资助:
国家自然科学基金(51875032)和北京市西城区拔尖创新团队资助项目。

Research on New Type of Brake Disc Dased on Continuous Braking on Long Ramps

ZHOU Suxia^1,2, SHAO Jing^1,2, TONG Xin^1,2

1. School of Mechanical-electronic and Vehicle Engineering, Beijing University of Civil Engineering and Architecture Beijing 100044;
2. Beijing Key Laboratory of Performance Guarantee on Urben Rail Transit Vehicles, Beijing University of Civil Engineering and Architecture, Beijing 100044

Received:2022-03-22 Revised:2022-06-01 Online:2022-10-20 Published:2022-12-27

摘要/Abstract

摘要： 随着我国中西部地区高速铁路的建设，由于长大坡道线路带来的问题日益凸显。在长大坡道行驶时如果电制动出现故障，将采用纯空气制动，长大坡道造成的持续制动会导致制动盘的热负荷急剧上升。由于散热的时效较慢从而导致制动盘温度过高，同时产生较大的温度梯度，从而导致制动盘热疲劳裂纹产生。为了解决长大坡道工况下制动盘的换热效率提升和降温问题，基于兰新线的长大坡道工况，通过设计新型的铝嵌钢结构制动盘，采用有限元分析软件对铝嵌钢结构制动盘和全钢制动盘进行仿真计算，得到温度场和热应力分布。结果表明，在长大坡道采用纯空气制动时，铝嵌钢制动盘可以在实现轻量化的同时明显降低制动盘面的温度和温度梯度，缓解长大坡道制动带来的制动盘热疲劳问题。

关键词: 列车制动盘, 长大坡道, 热负荷, 温度场

Abstract: With the construction of high-speed railways in the central and western regions of China, the problems caused by long ramps have become increasingly prominent. If the electric brake fails when driving on a long slope, pure air braking will be adopted. The continuous braking caused by the long slope will cause the thermal load of the brake disc of the EMU to rise sharply. Due to the slow aging of heat dissipation, the temperature of the brake disc is too high, and at the same time, a larger temperature gradient is generated, which leads to the generation of thermal fatigue cracks in the brake disc. In order to solve the problem of increasing the heat transfer efficiency and cooling of the brake disc under the long ramp working condition, based on the long ramp working condition of the LanXin line, a new type of aluminum-embedded steel structure brake disc was designed and finite element analysis software was adopted. The simulation calculation of aluminum-embedded steel structure brake disc and all-steel brake disc is carried out, and the temperature field and thermal stress distribution are obtained. The results show that when pure air braking is used on long ramps, the aluminum-embedded steel brake discs can significantly reduce the temperature and temperature gradient of the brake disc surface while achieving lighter weight, and alleviate thermal fatigue problems caused by braking on long ramps.

Key words: train brake disc, long ramp, thermal load, temperature field

中图分类号:

TG157

周素霞, 邵京, 童欣. 基于长大坡道持续制动的新型制动盘研究[J]. 机械工程学报, 2022, 58(20): 391-398.

ZHOU Suxia, SHAO Jing, TONG Xin. Research on New Type of Brake Disc Dased on Continuous Braking on Long Ramps[J]. Journal of Mechanical Engineering, 2022, 58(20): 391-398.

参考文献

[1] 曹鹏，任涛龙，赵力，等. 轨道工程车在长大坡道线路的牵引和制动性能分析[J]. 铁道技术监督，2018，46(5):43-45，99. CAO Peng，REN Taolong，ZHAO Li，et al. Analysis of traction and braking performance of rail engineering vehicle on long ramp line[J]. Railway Technical Supervision，2018，46(5):43-45，99.
[2] 赵广余，侯国保. 长大坡道列车制动问题的探讨[J]. 铁道车辆，1982(8):11-13，32. ZHAO Guangyu，HOU Guobao. Discussion on train braking on long ramp[J]. Railway Rolling Stock，1982(8):11-13，32.
[3] 付昌友，丁学锋. 山西中南部铁路壶关至红旗渠段长大坡道缓坡设置研究[J]. 铁道标准设计，2015，59(1):11-16. FU Changyou，DING Xuefeng. Study on the setting of long ramp and gentle slope in Huguan Hongqiqu section of Central South Railway in Shanxi[J]. Railway Standard Design，2015，59(1):11-16.
[4] 毛保华，龚超奇，张桐，等. 长大坡道货运列车周期性制动下车轮温升分析[J]. 铁道科学与工程学报，2020，17(4):980-987. MAO Baohua，GONG Chaoqi，ZHANG Tong，et al. Analysis of wheel temperature rise of long ramp freight train under periodic braking[J]. Journal of Railway Science and Engineering，2020，17(4):980-987.
[5] 李涛. 山区城市轨道交通长大坡道方案研究[D]. 成都:西南交通大学，2014. LI Tao. Study on long ramp scheme of urban rail transit in mountainous areas[D]. Chengdu:Southwest Jiaotong University，2014.
[6] 任冲. 高寒山区长大坡道铁路列车下坡限速研究[J]. 高速铁路技术，2019，10(2):14-18, 37. REN Chong. Study on downhill speed limit of railway train on long ramp in Alpine mountainous area[J]. High Speed Railway Technology，2019，10(2):14-18, 37.
[7] 康晶辉，吕宝佳，焦标强，等. 基于长大坡道工况的动车组制动盘热负荷研究[J]. 铁道机车车辆，2020，40(6):19-23. KANG Jinghui，Lü Baojia，JING Biaoqiang，et al. Research on thermal load of brake disc of EMU based on long ramp condition[J]. Railway Rolling Stock，2020，40(6):19-23.
[8] 张凌，逯红兵. 基于运输质量和运输能力的高速铁路长大坡道设置研究[J]. 铁道标准设计，2019，63(7):72-76. ZHANG Ling，LU Hongbing. Research on the setting of long and long ramps of high-speed railway based on transportation quality and transportation capacity[J]. Railway Standard Design，2019，63(7):72-76.
[9] 王曦，王文静，王宇. 持续制动工况下轴装制动盘螺栓载荷演化规律[J]. 机械工程学报，2018，54(12):71-77. WANG Xi，WANG Wenjing，WANG Yu. Evolution law of bolt load of axle mounted brake disc under continuous braking condition[J]. Journal of Mechanical Engineering， 2018，54 (12):71-77.
[10] 李万新. 基于兰新线长大坡道动车组制动盘热仿真分析[J]. 铁道机车车辆，2017，37(1):1-3，9. LI Wanxin. Thermal simulation analysis of brake disc of EMU on Lanzhou Xinjiang Railway[J]. Railway Rolling Stock， 2017，37(1):1-3，9.
[11] 王东伟，吴霄，项载毓，等. 高速列车盘形制动系统热机耦合特性分析[J]. 西南交通大学学报，2021，56(2):428-436. WANG Dongwei， WU Xiao， XING Zaiyu，et al. Analysis of heat engine coupling characteristics of disc brake system of high-speed train[J]. Journal of Southwest Jiaotong University，2021，56(2):428-436.
[12] 刘静娟，刘莹，康光林，等. 高速列车通风式制动盘的散热特性分析[J]. 机械科学与技术，2018，37(6):937-940. LIU Jingjuan，LIU Ying，KANG Guanglin，et al. Analysis of heat dissipation characteristics of ventilated brake disc of high-speed train[J]. Mechanical Science and Technology，2018，37(6):937-940.
[13] 张森，章健. 汽车通风盘式制动器的流固热多物理场耦合建模与分析[J]. 机械工程学报，2019，55(8):154-164. ZHANG Sen，ZHANG Jian. The coupling modeling and analysis of fluid solid heat multi physical field of automobile ventilation disc brake[J]. Journal of Mechanical Engineering，2019，55(8):154-164.
[14] 周素霞，杨月，谢基龙. 高速列车制动盘瞬态温度和热应力分布仿真分析[J]. 机械工程学报，2011，47(22):126-131. ZHOU Suxia，YANG Yue，XIE Jilong. Simulation analysis of transient temperature and thermal stress distribution of brake disc of high-speed train[J]. Journal of Mechanical Engineering，2011，47 (22):126-131.
[15] 杨莺，王刚. 基于三维模型的机车制动盘瞬态温度场仿真[J]. 计算机仿真，2005(10):232-234. YANG Ying，WANG Gang. Simulation of transient temperature field of locomotive brake disc based on three-dimensional model[J]. Computer Simulation，2005 (10):232-234.
[16] 杨强. 列车制动盘温度场和应力场仿真与分析[D]. 北京:北京交通大学，2009. YANG Qiang. Simulation and analysis of temperature field and stress field of train brake disc[D]. Beijing:Beijing Jiaotong University，2009.
[17] 李阳杰. 列车制动盘温度场和应力场的模拟计算与制动试验[D]. 大连:大连交通大学，2018. LI Yangjie. Calculation of temperature and brake disc stress of train[D]. Dalian:Dalian Jiaotong University，2018.
[18] 黄晓华. 高速动车组制动盘热-机耦合仿真分析及结构优化设计[D]. 兰州:兰州交通大学，2019. HUANG Xiaohua. Thermal mechanical coupling simulation analysis and structural optimization design of brake disc of high-speed EMU[D]. Lanzhou:Lanzhou Jiaotong University，2019.
[19] 杨月. 高速列车SiCp/A356复合材料制动盘热疲劳评价方法研究[D]. 北京:北京交通大学，2009. YANG Yue. Study on thermal fatigue evaluation method of SiCp/A356 composite brake disc for high-speed train[D]. Beijing:Beijing Jiaotong University，2009.
[20] 杨月，谢基龙. 高速客车SiCp/A356铝基制动盘材料的热疲劳裂纹形成与扩展试验研究[J]. 铁道学报，2007(5):43-47. YANG Yue，XIE Jilong. Experimental study on thermal fatigue crack formation and propagation of SiCp / A356 aluminum based brake disc material for high-speed bus[J]. Journal of Railway，2007(5):43-47.
[21] 张俊清，周素霞，杨月，等. 高速列车制动盘SiCp/A356颗粒增强铝基复合材料的热疲劳性能研究[J]. 工程力学，2011，28(8):252-256. ZHANG Junqing，ZHOU Suxia，YANG Yue，et al. Study on thermal fatigue properties of SiCp / A356 particle reinforced aluminum matrix composites for high-speed train brake discs[J]. Engineering Mechanics，2011，28 (8):252-256.

基于长大坡道持续制动的新型制动盘研究

Research on New Type of Brake Disc Dased on Continuous Braking on Long Ramps

PDF

可视化

摘要/Abstract

引用本文

使用本文

参考文献

相关文章 15

编辑推荐

Metrics

本文评价

[1]	刘鑫, 张俊, 徐斌斌, 刘弘光, 赵万华. 激光辅助铣削过程的预热温度场调控方法研究[J]. 机械工程学报, 2024, 60(9): 218-228.
[2]	彭文, 张丽, 李旭东, 刘军, 孙杰, 张殿华. 边部感应加热过程中的轧件热行为与温度均匀性研究[J]. 机械工程学报, 2024, 60(2): 119-131.
[3]	高转妮, 王磊磊, 李响, 刘志强, 吕飞阅, 黎一帆, 占小红. 7075铝合金激光熔丝增材制造热循环和温度梯度对熔池凝固组织的影响研究[J]. 机械工程学报, 2024, 60(1): 96-118.
[4]	王慧鹏, 朱鹏华, 舒凤远, 何鹏, 刘存宇. 65Mn钢表面激光熔覆温度场模拟及性能研究[J]. 机械工程学报, 2023, 59(7): 216-224.
[5]	崔悦, 朱丽艳, 胡斌, 魏东, 杜雁霞, 桂业伟. 高温结构内部温度场和厚度的超声同步测量方法研究[J]. 机械工程学报, 2023, 59(22): 215-221.
[6]	宋明, 马帅, 杜传胜, 蒋文春, 王炳英. 不同流道布置的平板式固体氧化物燃料电池蠕变损伤研究[J]. 机械工程学报, 2023, 59(10): 76-84.
[7]	殷增斌, 郝肖华, 陈为友, 郑轶彤. 一种新型切削温度感知智能刀具研究[J]. 机械工程学报, 2023, 59(1): 242-248.
[8]	赵梦静, 王勇, 杨树峰, 段卫平, 刘威, 李京社. 电弧等离子体多物理场分布特征[J]. 机械工程学报, 2022, 58(8): 153-159.
[9]	周素霞, 童欣, 孙宇铎, 邵京. 基于相变储热原理的高速列车制动盘散热研究[J]. 机械工程学报, 2022, 58(6): 202-210.
[10]	郭冬梅, 龚雪蓓, 赵伟东. 热-机荷载作用的P-FGM扁球壳跳跃屈曲分析[J]. 机械工程学报, 2022, 58(24): 111-120.
[11]	张晓嵩, 陈帅峰, 李旺, 宋鸿武, 张士宏, 魏作山. 利用激光局部硬化效应提高2B06铝合金板材拉深成形性研究[J]. 机械工程学报, 2022, 58(20): 250-259.
[12]	赵文勇, 曹熙勇, 杜心伟, 魏艳红, 刘仁培, 陈纪城. CMT电弧增材制造过程传热传质数值模拟[J]. 机械工程学报, 2022, 58(1): 267-276.
[13]	秦国梁, 耿培皓, 陈永, 任文建. 铝/钢异种金属MIG电弧熔-钎焊接界面应力演变数值分析[J]. 机械工程学报, 2021, 57(2): 87-96.
[14]	吴舒婕, 王军, 熊瑞, 李幸港. 动力电池组动态均衡时的热安全边界计算与验证[J]. 机械工程学报, 2021, 57(14): 160-167.
[15]	檀财旺, 苏健晖, 冯紫微, 陈波, 宋晓国, 冯吉才. 金属与塑料激光连接的研究现状与展望[J]. 机械工程学报, 2020, 56(6): 85-94.