接觸面積和接觸方式對(duì)制動(dòng)盤溫度場(chǎng)的影響*

李月明， 楊俊英， 韓曉明， 高 飛

(大連交通大學(xué) 連續(xù)擠壓教育部工程研究中心， 遼寧大連 116028)

在列車制動(dòng)過程中，動(dòng)能通過制動(dòng)盤和閘片的摩擦轉(zhuǎn)換為熱能并主要被摩擦副吸收，隨著列車速度的不斷提高，列車制動(dòng)能量越來越大，因此制動(dòng)盤所處的環(huán)境更加惡劣，這嚴(yán)重影響摩擦副的壽命，威脅行車安全[1-2]。

認(rèn)識(shí)制動(dòng)盤溫度分布規(guī)律一直是這個(gè)領(lǐng)域許多學(xué)者關(guān)注的問題[3-9]。這方面的研究主要涉及到材料性能[10-12]、制動(dòng)工況[13-14]、散熱條件[15-16]等方面。摩擦副的形式是影響制動(dòng)盤壽命的重要因素之一。Alnaqi等[17]利用縮比制動(dòng)器，對(duì)4種寬高比的閘片進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試，發(fā)現(xiàn)改變閘片的寬高比，影響制動(dòng)盤的熱效應(yīng)，且存在一個(gè)寬高比，能最大限度地降低制動(dòng)盤的熱效應(yīng)。高飛等[18-19]通過試驗(yàn)與數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)，摩擦塊結(jié)構(gòu)的不同導(dǎo)致摩擦面弧長分布不同，摩擦塊結(jié)構(gòu)對(duì)制動(dòng)盤面溫度的影響程度在制動(dòng)初期最為明顯。摩擦弧長的分布差異造成放大溫度偏差的作用，隨制動(dòng)速度和制動(dòng)壓力的增加而增加。陳龍[20]采用模擬與試驗(yàn)，對(duì)比相同接觸面積下，完全接觸、兩側(cè)接觸、中間接觸、外側(cè)接觸和內(nèi)側(cè)接觸5種接觸方式的溫度場(chǎng)，發(fā)現(xiàn)閘片接觸方式不同，制動(dòng)盤溫度場(chǎng)不同。這些工作表明，摩擦塊形狀、分布和接觸方式均對(duì)制動(dòng)盤溫度場(chǎng)造成影響，而實(shí)際測(cè)試發(fā)現(xiàn)，制動(dòng)盤和閘片的接觸面積是在變化的，接觸面積的變化，必然會(huì)引起接觸壓力的改變，從而影響到溫度以及熱變形的程度。因此，研究摩擦塊接觸面積對(duì)制動(dòng)盤溫度場(chǎng)的影響具有一定實(shí)際意義。

針對(duì)設(shè)計(jì)的兩種接觸方式的三角形摩擦塊與制動(dòng)盤組成的摩擦副，使用ADINA有限元軟件，構(gòu)建摩擦塊與制動(dòng)盤的熱-機(jī)耦合模型，對(duì)摩擦過程進(jìn)行模擬，分析不同接觸面積的制動(dòng)盤溫度場(chǎng)分布情況。

1 有限元模型的建立

1.1 模擬計(jì)算假設(shè)

列車制動(dòng)是一個(gè)復(fù)雜的動(dòng)態(tài)接觸熱-機(jī)耦合問題，影響摩擦副相互作用的因素很多，為了簡化模型，做以下假設(shè)：(1)忽略摩擦表面的磨損作用；(2)假設(shè)摩擦副摩擦表面粗糙度均勻，且摩擦系數(shù)保持恒定不變；(3)制動(dòng)壓力均勻分布在摩擦塊背部；(4)盤和摩擦塊的散熱方式為對(duì)流。

1.2 模型建立及參數(shù)設(shè)定

以TM-I型試驗(yàn)臺(tái)的摩擦副為原型，模擬計(jì)算中，考慮到摩擦副結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性，將其簡化為實(shí)際結(jié)構(gòu)的1/2。利用ADINA軟件建立圖1所示的有限元分析模型，并構(gòu)建兩側(cè)接觸和中間接觸方式下不同接觸面積的6種摩擦塊(圖2)。其中，兩側(cè)接觸是指摩擦塊與盤內(nèi)側(cè)和外側(cè)區(qū)域的接觸面積相等；中間接觸是指接觸區(qū)域在摩擦塊中部。將這6種摩擦塊的模型定義為B60%、B50%、B40%和M60%、M50%、M40%。用B、M分別代表兩側(cè)接觸和中間接觸方式，下標(biāo)分別代表接觸面積60%、50%和40%。

圖1 摩擦塊與制動(dòng)盤的有限元模型

制動(dòng)盤與摩擦塊幾何尺寸見表1。其中三角形摩擦塊原始面積為2 973 mm2，平均摩擦半徑是指三角形摩擦塊的外接圓圓心至制動(dòng)盤圓心的距離，制動(dòng)盤材料為4Cr5MoSiV1，摩擦塊材料為銅基粉末冶金材料，具體參數(shù)見表2。

圖2 兩種接觸方式3種接觸面積的摩擦塊

模擬制動(dòng)壓力0.7 MPa，制動(dòng)速度為200 km/h，制動(dòng)過程中制動(dòng)盤溫度場(chǎng)分布情況。摩擦系數(shù)通過TM-I型慣性縮比試驗(yàn)臺(tái)實(shí)際測(cè)試得到，摩擦副初始溫度和環(huán)境溫度為20 ℃。

表1 制動(dòng)盤與摩擦塊的幾何尺寸

表2 制動(dòng)盤與摩擦塊的物理參數(shù)

2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

2.1 兩側(cè)接觸方式接觸面積對(duì)盤面溫度的影響

圖3為制動(dòng)壓力0.7 MPa、制動(dòng)速度200 km/h時(shí)，接觸面積對(duì)峰值溫度時(shí)刻盤面溫度的影響?？梢姡趦蓚?cè)接觸方式下，高溫區(qū)位于與摩擦塊相接觸的盤外側(cè)區(qū)和內(nèi)側(cè)區(qū)，并且隨著接觸面積的減小，徑向溫度梯度增大，峰值溫度升高。從圖3(a)可以看出，接觸面積60%時(shí)，在盤內(nèi)外兩側(cè)的摩擦區(qū)形成兩條環(huán)形高溫帶，外側(cè)溫度帶比內(nèi)側(cè)寬且溫度也較高，兩條高溫帶之間為一條溫度較低的環(huán)帶，摩擦區(qū)溫度梯度不大，溫度分布較均勻。圖3(b)和圖3(c)分別為接觸面積50%和40%的情況，盤面的溫度分布與接觸面積60%的相似，同樣在盤內(nèi)側(cè)和外側(cè)區(qū)形成了高溫帶；不同的是，B50%和B40%的盤外側(cè)為非連續(xù)的多個(gè)高溫團(tuán)的組合，且中部溫度帶的寬度大于B60%的?？梢钥闯觯佑|面積變小對(duì)內(nèi)側(cè)高溫帶的影響小于外側(cè)，接觸面積減小20%，峰值溫度從B60%的256 ℃增加到B40%的297 ℃，升高了41 ℃。

圖4為制動(dòng)壓力0.7 MPa、制動(dòng)速度200 km/h時(shí)，接觸面積對(duì)制動(dòng)結(jié)束時(shí)刻盤面溫度的影響?？梢?，制動(dòng)結(jié)束時(shí)，依然表現(xiàn)為接觸面積小，盤面溫度高的規(guī)律，并且隨著制動(dòng)過程的完成，盤面溫度的均勻程度提高。其中，B60%的盤面溫度分布最為均勻(圖4(a))，B50%和B40%的盤外側(cè)溫度明顯高于內(nèi)側(cè)溫度(圖4(b)和(c))。在制動(dòng)結(jié)束時(shí)，B60%的峰值溫度為235 ℃，B40%的峰值溫度為290 ℃，可見，較峰值溫度時(shí)刻溫度略有降低。

圖5為制動(dòng)壓力0.7 MPa、制動(dòng)速度200 km/h時(shí)，3種接觸面積對(duì)應(yīng)的峰值溫度時(shí)刻的盤面徑向溫度曲線?？梢?，3種接觸面積的盤面徑向溫度均表現(xiàn)為明顯的雙峰狀，且位于盤外側(cè)的溫度波峰高于內(nèi)側(cè)的，接觸面積越小，溫度峰值越高。B60%、B50%、B40%均在盤半徑112 mm和146 mm左右形成兩個(gè)波峰。B60%的盤面徑向最大溫差170 ℃左右，B40%的盤面徑向最大溫差190 ℃左右，接觸面積越小，徑向溫度最大溫差越大。從盤面位置看，在盤半徑90～112 mm和146～160 mm的區(qū)域，接觸面積越小，溫度越高，且在盤半徑146～160 mm，3種接觸面積的溫度偏差程度大于盤半徑90～112 mm的區(qū)域，在盤半徑112～146 mm左右，接觸面積越大，溫度越高，3種接觸面積的溫度偏差程度小。

圖3 接觸面積對(duì)峰值溫度時(shí)刻盤面溫度的影響(0.7MPa，200 km/h)

圖4 接觸面積對(duì)制動(dòng)結(jié)束時(shí)刻盤面溫度的影響(0.7MPa，200 km/h)

圖6為制動(dòng)壓力0.7 MPa、制動(dòng)速度200 km/h時(shí)，3種接觸面積對(duì)應(yīng)的制動(dòng)結(jié)束時(shí)刻的盤面徑向溫度曲線?？梢姡珺50%和B40%的盤面徑向溫度依然表現(xiàn)為雙峰狀，B60%的則表現(xiàn)沿盤半徑溫度逐漸升高的態(tài)勢(shì)。B60%的徑向最大溫差為120 ℃，B40%的徑向最大溫差達(dá)到160 ℃，接觸面積越小，徑向溫度最大溫差越大。制動(dòng)結(jié)束與峰值溫度時(shí)刻相比，盤面兩側(cè)波峰溫度小幅度降低而盤面中部低溫區(qū)小幅度升高，盤面溫度更均勻。

圖3～圖6的結(jié)果表明，兩側(cè)接觸方式下，峰值溫度時(shí)刻與制動(dòng)結(jié)束時(shí)刻，均表現(xiàn)為接觸面積小，盤面溫度高，且接觸面積越小徑向溫差越大，盤外側(cè)溫度高于盤內(nèi)側(cè)的。一方面接觸面積越小，相應(yīng)的接觸壓力高，摩擦生熱多，溫度高且更集中，接觸面積大的模型溫度相對(duì)于均勻。另一方面，摩擦生熱與制動(dòng)盤和摩擦塊的接觸情況是分不開的，B60%、B50%和B40%的相同之處是盤半徑90～115 mm和135～160 mm的范圍摩擦區(qū)是相同的，而在盤半徑115～120 mm和130～135 mm的區(qū)域接觸情況不同，在該區(qū)域，B60%為接觸有摩擦生熱；B}為部分區(qū)域接觸，摩擦生熱少；B40%為不接觸，無生熱有熱傳導(dǎo)。因此，接觸位置和接觸面積改變了盤面的溫度場(chǎng)。盤外側(cè)的溫度高，可能是由于制動(dòng)盤外側(cè)區(qū)域周長較長，相同時(shí)間外側(cè)區(qū)域摩擦力做功較大，導(dǎo)致該區(qū)域盤面溫度較高；且兩側(cè)接觸方式下，摩擦塊與制動(dòng)盤瞬時(shí)摩擦產(chǎn)生的熱量分布在制動(dòng)盤的兩側(cè)，盤內(nèi)側(cè)的熱量可向盤中部和軸盤方向傳導(dǎo)，而摩擦塊外側(cè)與制動(dòng)盤外徑相差2 mm，盤外側(cè)的熱量只能靠向盤中部傳導(dǎo)和空氣對(duì)流換熱，而制動(dòng)過程中對(duì)流換熱作用小，因此盤外側(cè)的熱量大多積聚在盤外側(cè)，導(dǎo)致溫度升高。制動(dòng)結(jié)束時(shí)刻與峰值溫度時(shí)刻盤面的溫度分布不同，制動(dòng)結(jié)束時(shí)盤面溫度小幅度降低，徑向溫度差減小。這是由于隨著制動(dòng)過程的進(jìn)行，制動(dòng)速度減小，熱流輸入降低，而制動(dòng)盤的熱傳導(dǎo)作用加強(qiáng)，兩側(cè)高溫向中部區(qū)域傳導(dǎo)，盤面溫度更均勻。

圖5 峰值溫度時(shí)刻的盤面徑向溫度曲線

圖6 制動(dòng)結(jié)束時(shí)刻的盤面徑向溫度曲線

2.2 中間接觸方式接觸面積對(duì)盤面溫度的影響

圖7為制動(dòng)壓力0.7 MPa、制動(dòng)速度200 km/h時(shí)，接觸面積對(duì)峰值溫度時(shí)刻盤面溫度的影響?？梢?，在中間接觸方式下，高溫區(qū)位于與摩擦塊相接觸的盤中部區(qū)域，并且隨著接觸面積的減小，徑向溫度梯度增大，峰值溫度升高。從圖7(a)可以看出，接觸面積60%時(shí)，在盤中部的摩擦區(qū)形成一個(gè)不連續(xù)的環(huán)狀高溫帶，峰值溫度為354 ℃，盤面溫度梯度大。圖7(b)和圖7(c)分別為接觸面積50%和40%的情況，盤面的溫度分布與接觸面積60%的相似，在盤中部形成了連續(xù)的高溫帶，且溫度更高，峰值溫度分別為376 ℃與388 ℃。與兩側(cè)接觸方式不同，中間接觸方式盤面溫度更高，溫度梯度更大，接觸面積60%和40%時(shí)，中間接觸與兩側(cè)接觸峰值溫度的差值分別為98 ℃和91 ℃。

圖8為制動(dòng)壓力0.7 MPa、制動(dòng)速度200 km/h時(shí)，接觸面積對(duì)制動(dòng)結(jié)束時(shí)刻盤面溫度的影響?？梢?，制動(dòng)結(jié)束時(shí)，依然表現(xiàn)為接觸面積小，盤面溫度高的規(guī)律。隨著制動(dòng)過程的完成，盤中部高溫區(qū)的溫度降低，盤兩側(cè)溫度升高，盤面溫度的均勻程度提高。在制動(dòng)結(jié)束時(shí)，M60%的峰值溫度為330 ℃，M40%的峰值溫度為350 ℃，較峰值溫度時(shí)刻溫度有所降低。在相同接觸面積下，制動(dòng)結(jié)束時(shí)刻的盤面峰值溫度高于兩側(cè)接觸方式的。

圖7 接觸面積對(duì)峰值溫度時(shí)刻盤面溫度的影響(0.7 MPa，200 km/h)

圖8 接觸面積對(duì)制動(dòng)結(jié)束時(shí)刻盤面溫度的影響(0.7 MPa，200 km/h)

圖9為制動(dòng)壓力0.7 MPa、制動(dòng)速度200 km/h時(shí)，3種接觸面積對(duì)應(yīng)的峰值時(shí)刻盤面徑向溫度曲線。可見，3種接觸面積的盤面徑向溫度均表現(xiàn)為明顯的單峰狀，且接觸面積越小，溫度峰值越高。M60%、M50%、M40%均在盤半徑125 mm左右形成一個(gè)高溫波峰。M60%的盤面徑向最大溫差280 ℃左右，M40%的盤面徑向最大溫差320 ℃左右，接觸面積越小盤面徑向溫度溫差越大。從盤面位置看，在盤半徑118～138 mm，3種接觸面積的溫度偏差大，而在盤半徑90～118 mm和138～160 mm的區(qū)域，3種接觸面積的溫度偏差不明顯。

圖10為制動(dòng)壓力0.7 MPa、制動(dòng)速度200 km/h時(shí)，3種接觸面積對(duì)應(yīng)的制動(dòng)結(jié)束時(shí)刻盤面徑向溫度曲線?？梢姡琈60%、M50%、M40%的盤面徑向溫度依然表現(xiàn)為單峰狀。與制動(dòng)峰值溫度時(shí)刻相比，盤面中部波峰溫度小幅度降低而盤面兩側(cè)低溫區(qū)小幅度升高，盤面徑向溫差變小，3種接觸面積的模型在盤半徑118～138 mm區(qū)域，溫度偏差減小。

圖7～圖10的結(jié)果表明，中間接觸方式下，在峰值溫度時(shí)刻與制動(dòng)結(jié)束時(shí)刻，均表現(xiàn)為接觸面積小，盤面溫度高，盤中部形成一條明顯的高溫帶。由圖1可以看出，三角形閘片的幾何特點(diǎn)決定了中間接觸方式的接觸弧長度，使得摩擦副熱源較為集中，在摩擦半徑125 mm 附近形成高溫區(qū)。摩擦區(qū)集中在接觸弧長度的區(qū)域，當(dāng)接觸面積減小時(shí)，由于接觸壓力升高引起摩擦生熱多，溫度更高。

中間接觸與兩側(cè)接觸方式的盤面溫度分布不同，中間接觸方式的盤面高溫區(qū)集中在中部，溫度高，徑向溫度梯度大，兩側(cè)接觸方式位于盤內(nèi)、外徑處的兩個(gè)摩擦區(qū)產(chǎn)生摩擦熱，利于向盤中部無摩擦區(qū)的熱傳導(dǎo)，從而使盤面溫度均勻程度提高。因此，接觸方式和接觸區(qū)域的不同，都會(huì)導(dǎo)致溫度分布和峰值溫度的差別。

圖9 峰值溫度時(shí)刻的盤面徑向溫度曲線

圖10 制動(dòng)結(jié)束時(shí)刻的盤面徑向溫度曲線

3 結(jié) 論

(1)兩側(cè)接觸方式下，接觸面積減小，接觸壓力增加，摩擦熱量多，盤面峰值時(shí)刻溫度與制動(dòng)結(jié)束時(shí)刻溫度小幅度升高。在盤外側(cè)和內(nèi)側(cè)形成高溫區(qū)，且外側(cè)溫度較高。這是由于盤外側(cè)區(qū)圓周長，相同時(shí)間外側(cè)區(qū)摩擦力做功較多，導(dǎo)致該區(qū)域溫度較高，且相對(duì)于內(nèi)側(cè)，外側(cè)熱傳導(dǎo)區(qū)域小。

(2)中間接觸方式下，盤中部形成高溫區(qū)，兩側(cè)溫度較低，接觸面積小，盤面溫度高。三角形摩擦塊的幾何特點(diǎn)決定了中間接觸方式中部區(qū)域熱量集中，接觸面積減小，使相同接觸區(qū)域的摩擦力做功增加。

(3)接觸方式的不同，會(huì)導(dǎo)致溫度分布和峰值溫度的差別。中間接觸方式的接觸弧長度長，盤面高溫區(qū)集中在中部，溫度高，徑向溫度梯度大，兩側(cè)接觸方式位于盤內(nèi)、外徑處的兩個(gè)摩擦區(qū)產(chǎn)生摩擦熱，利于向盤中部無摩擦區(qū)的熱傳導(dǎo)，盤面溫度均勻程度提高。