機車制動盤的技術(shù)現(xiàn)狀及應(yīng)用分析

杜利清， 黃　彪， 方明剛， 金文偉

(南車戚墅堰機車車輛工藝研究所有限公司， 江蘇常州 213125)

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機車制動盤的技術(shù)現(xiàn)狀及應(yīng)用分析

杜利清， 黃彪， 方明剛， 金文偉

(南車戚墅堰機車車輛工藝研究所有限公司， 江蘇常州 213125)

對國內(nèi)外現(xiàn)有的機車制動盤的結(jié)構(gòu)及材料進行簡單介紹，利用有限元方法對機車制動盤進行溫度場和應(yīng)力場計算，根據(jù)計算結(jié)果得出合金灰鑄鐵適合用于120 km/h速度等級、軸重不大于25t的機車制動盤材料，蠕墨鑄鐵適合用于120 km/h和160 km/h速度等級的機車制動盤材料，合金鑄鋼材料適合用于200 km/h及以上速度等級的機車制動盤材料。

機車； 制動盤； 材料； 有限元分析； 安全系數(shù)

國內(nèi)機車基礎(chǔ)制動裝置主要有輪盤制動和踏面制動兩種形式。輪盤制動是通過閘片與安裝在車輪兩側(cè)的制動盤進行摩擦實現(xiàn)列車減速或停車。由于輪盤制動作用力不在車輪踏面上，具有對車輪踏面的熱負荷和機械磨耗低、可按制動要求選擇最佳摩擦副、制動平穩(wěn)、噪聲小等優(yōu)點[1-2]。所以，現(xiàn)有國內(nèi)大功率HXD1系列及HXD3系列機車均采用輪盤制動形式。目前國內(nèi)外生產(chǎn)機車制動盤的廠家主要有德國克諾爾公司、法國法維萊公司以及南車戚墅堰機車車輛研究所等公司。

1　機車制動盤結(jié)構(gòu)

機車制動盤結(jié)構(gòu)設(shè)計時，首先考慮的因素是具有可靠的連接結(jié)構(gòu)，保證制動盤在工作時不發(fā)生零件松動或脫落；其次，具有良好的通風(fēng)散熱性能，降低制動盤的工作溫度；最后還要考慮，制動盤具有一定的徑向自由度，以最大限度的降低制動時產(chǎn)生的熱應(yīng)力[3]。

根據(jù)上述的設(shè)計原則，不同廠家生產(chǎn)的機車制動盤的結(jié)構(gòu)形式類似，盤體均設(shè)計為單片形式(見圖1)，內(nèi)側(cè)面設(shè)計有散熱筋，以利于制動過程中盤體的散熱；盤面中間設(shè)計有連接螺栓孔及布置定位銷的鍵槽。盤體通過連接螺栓組裝在車輪上(見圖2)；制動過程中的摩擦扭矩靠螺栓預(yù)緊力產(chǎn)生的靜摩擦力以及布置在盤體上的定位銷，或者采用彈性銷承受，避免螺栓承受剪切，保證了螺栓連接的可靠性。盤體均可沿徑向自由膨脹，釋放盤體制動時產(chǎn)生的熱應(yīng)力。

2　機車制動盤材料

目前，國內(nèi)外機車制動盤采用的材料主要有合金灰鑄鐵、蠕墨鑄鐵以及合金鑄鋼等。

圖1　機車制動盤盤體結(jié)構(gòu)圖

圖2　機車制動盤組裝結(jié)構(gòu)圖

2.1合金灰鑄鐵

合金灰鑄鐵材料具有良好導(dǎo)熱性能，并且其鑄造工藝成熟，故目前在制動盤上大量應(yīng)用。合金灰鑄鐵的主要缺點為耐磨性差，熱疲勞抗力低，制動性差。其使用性能無法滿足高速機車的使用要求。其主要性能及金相組織見表1。

表1　合金灰鑄鐵主要性能及金相組織

2.2蠕墨鑄鐵

蠕墨鑄鐵材料與合金灰鑄鐵相比具有較高的力學(xué)性能和較好的導(dǎo)熱性，有優(yōu)良的耐熱疲勞性能，并且具有良好的摩擦磨損性能，是制動盤盤體的理想材料[3]。蠕墨鑄鐵的主要缺點為鑄造工藝難于控制。其主要性能及金相組織見表2。

表2　蠕墨鑄鐵主要性能及金相組織

2.3合金鑄鋼

目前，機車的兩大發(fā)展方向為客運高速化、貨運重載化[4]，對于更高速度等級的客運機車采用強度更高、抗裂性能更好的合金鑄鋼制動盤才能滿足其使用要求。合金鑄鋼的主要缺點為價格高，鑄造工藝復(fù)雜。其主要性能及金相組織見表3。

表3　合金鑄鋼主要性能及金相組織

3　機車制動盤應(yīng)用分析

制動盤作為機車的關(guān)鍵零部件，制動盤材料選擇的原則應(yīng)首先考慮其使用的安全性和可靠性，其次再考慮其經(jīng)濟性。不同速度等級、不同軸重的機車制動能量相差較大，對制動盤的性能要求也各不相同。為了能充分了解上述3種制動盤材料適合的使用工況，對制動盤的材料選擇提供一定參考依據(jù)，結(jié)合目前國內(nèi)機車的速度等級及軸重情況，在此分別采用上述3種制動盤材料對在120,160,200 km/h 3種速度等級下分別采用21,25,30 t 3種軸重工況進行熱機耦合有限元仿真分析，對各速度等級、各軸重條件下制動盤應(yīng)力場和溫度場進行有限元計算。

3.1有限元模型

通過三維造型Pro/e建立制動盤盤體三維結(jié)構(gòu)模型，對不影響結(jié)構(gòu)的圓角及倒角等進行簡化處理，由于制動盤為對稱結(jié)構(gòu)，在此為了計算方便，選取1/4模型進行計算，見圖3。將其導(dǎo)入大型有限元分析軟件ABAQUS中，進行材料屬性設(shè)置、網(wǎng)格劃分等操作得到機車制動盤的有限元計算模型，見圖4。為了能同時得到盤體溫度場與應(yīng)力場計算結(jié)果，在此采用熱機耦合有限元仿真分析方法，盤體單元選用4節(jié)點熱機耦合六面體C3D4T單元類型。

圖3　機車制動盤三維模型圖

圖4　機車制動盤有限元分析模型圖

3.2計算結(jié)果

采用ABAQUS分別對合金灰鑄鐵、蠕墨鑄鐵、合金鑄鋼機車制動盤進行不同速度等級、不同軸重工況進行熱機耦合有限元分析。計算得出不同軸重不同材質(zhì)機車制動盤溫度場和應(yīng)力場計算結(jié)果，制動過程中溫度隨時間變化曲線見圖5，最高溫度云圖見圖6，應(yīng)力隨時間變化曲線見圖7，最大當量應(yīng)力分布云圖見圖8所示(圖5～圖8均為選取的其中一種典型分析工況結(jié)果)。制動初速為120,160,200 km/h時最高溫度、最大當量應(yīng)力及安全系數(shù)的計算結(jié)果分別見表4、表5、表6。表中安全系數(shù)等于當量應(yīng)力水平與相應(yīng)材料的強度(鑄鐵材料取抗拉強度，鑄鋼材料取屈服強度)的比值。

圖5　制動過程中溫度隨時間變化曲線圖

圖6　最高溫度分布云圖

圖7　制動過程中溫度隨時間變化曲線圖

圖8　最高溫度分布云圖

軸重/t合金灰鑄鐵最高溫度/℃最大當量應(yīng)力/MPa安全系數(shù)蠕墨鑄鐵最高溫度/℃最大當量應(yīng)力/MPa安全系數(shù)合金鑄鋼最高溫度/℃最大當量應(yīng)力/MPa安全系數(shù)21136952.101351003.501451237.32251581151.741581252.81691575.73301881431.401851522.301982044.47

表5　制動初速度160 km/h時計算結(jié)果

表6　制動初速度200 km/h時計算結(jié)果

為了保證制動盤使用安全、可靠，并結(jié)合制動盤設(shè)計經(jīng)驗，一般選取的材料在使用過程中安全系數(shù)須大于1.5。從上列表中可以看出合金灰鑄鐵材料由于抗拉強度較低，在制動初速度為120 km/h、軸重為30 t時以及在制動初速度為160 km/h和200 km/h時，其安全系數(shù)均已經(jīng)小于1.5；蠕墨鑄鐵材料抗拉強度較合金灰鑄鐵高，只有在制動初速度為200 km/h、軸重超過25 t時其安全系數(shù)小于1.5，其余工況安全系數(shù)均高于1.5。而合金鑄鋼材料強度較高，在所有的運用條件下其安全系數(shù)均大于1.5。

4　結(jié)　論

(1) 輪盤制動形式適用于大功率、高速機車。

(2) 目前，國內(nèi)外機車制動盤結(jié)構(gòu)形式類似，采用的材料包括合金灰鑄鐵、蠕墨鑄鐵和合金鑄鋼材料。

(3) 根據(jù)有限元分析結(jié)果，并綜合考慮機車制動盤使用的安全性、可靠性及經(jīng)濟性等因素，得出合金灰鑄鐵適合用于120 km/h速度等級、軸重不大于25 t的機車制動盤材料；蠕墨鑄鐵適合用于120 km/h和160 km/h速度等級的機車制動盤材料；合金鑄鋼材料適合用于200 km/h及以上速度等級的機車制動盤材料。

[1]黃勇明，胡宇鋒，艾正武,等.200 km/h速度等級電力機車輪盤制動裝置研制[J].電力機車與城軌車輛，2007，30(2)：6-9.

[2]葛來薰.機車轉(zhuǎn)向架盤形制動技術(shù)的應(yīng)用于分析[J].電力機車技術(shù)，2002，25(6)：1-4.

[3]錢坤才，郭立賓，黃彪,等.大功率機車制動盤和閘片的研究[J].現(xiàn)代鑄鐵，2012，(5)：69-73.

[4]劉豫湘，方長征，萬建兵,等.列車制動系統(tǒng)技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J]. 電力機車與城軌車輛，2014，37(5)：1-4.

Technical Status and Application Analysis of Locomotive Brake Disc

DULiqing，HUANGBiao,FANGMinggang,JINWenwei

(CRRC Qishuyan Institute Co., Ltd., Changzhou 213125 Jiangsu, China)

The structure and material of locomotive brake disc are introduced in this paper, the temperature field and stress field of locomotive brake disc of different materials are calculated using the finite element method，and according to the results obtained alloy gray cast iron is suitable for the brake disc of locomotive at 120 km/h and axle load not more than 25 t, vermicular cast iron is suitable for the brake disc of locomotive brake at 160 km/h, alloy cast steel suitable for the brake disc of locomotive at 200 km/h and above level.

locomotive; brake disc; material; finite element analysis; safety coefficient

1008-7842 (2016) 03-0034-03

??)男，高級工程師(

2015-12-08)

U260.35+1

Adoi:10.3969/j.issn.1008-7842.2016.03.07