基于有限元的地鐵車輛熱負(fù)荷計(jì)算分析

張 昕，孔德鵬，王超恒，宋傳云，刁有彬，張維坤

(1.中車青島四方車輛研究所有限公司 制動(dòng)事業(yè)部，山東 青島 266031； 2.中車青島四方車輛研究所有限公司 市場(chǎng)部，山東 青島 266031)

長(zhǎng)期以來(lái)，采用空氣制動(dòng)作為地鐵車輛緊急(安全)制動(dòng)一直沒(méi)有改變。由于緊急制動(dòng)作用迅猛，施加了全部制動(dòng)能力，因此軸制動(dòng)功率高，制動(dòng)過(guò)程產(chǎn)生的熱量大。踏面閘瓦承擔(dān)熱負(fù)荷的能力決定了地鐵車輛能否采用踏面制動(dòng)形式。本文通過(guò)對(duì)某A型地鐵車輛典型制動(dòng)工況的有限元熱分析計(jì)算，為最高運(yùn)行速度在80 km/h及以下的地鐵車輛制動(dòng)選型設(shè)計(jì)、使用維護(hù)等提供參考。

1 地鐵車輛參數(shù)及典型制動(dòng)工況

1.1 地鐵車輛參數(shù)

表1為熱分析計(jì)算涉及的地鐵車輛相關(guān)參數(shù)配置表。

表1 車輛參數(shù)配置表

1.2 典型制動(dòng)工況

在車輛參數(shù)確定的情況下，車輛輪徑、牽引加速度、制動(dòng)減速度、停站時(shí)間等直接影響熱容量計(jì)算結(jié)果[1]?？紤]可能出現(xiàn)的極限情況，一般按照全磨耗輪分別對(duì)施加純空氣最大常用全制動(dòng)模擬運(yùn)營(yíng)工況及連續(xù)3次緊急制動(dòng)工況進(jìn)行熱計(jì)算[2]。表2為3種地鐵車輛制動(dòng)計(jì)算工況。

表2 地鐵車輛制動(dòng)計(jì)算工況

1.3 計(jì)算初始條件

表3為熱計(jì)算中環(huán)境溫度、平均加速度等計(jì)算初始條件。

表3 計(jì)算初始條件

1.4 運(yùn)行圖

以國(guó)內(nèi)某典型地鐵運(yùn)行圖為計(jì)算輸入條件，單程共設(shè)置32站，相鄰兩站之間站間距均不相同，其中最長(zhǎng)站間距為3 394 m，最短站間距為542 m，相鄰兩站之間的停站時(shí)間按照30 s計(jì)算，終點(diǎn)站折返時(shí)間按照120 s計(jì)算。

2 計(jì)算

2.1 計(jì)算過(guò)程設(shè)置

利用ANSYS軟件進(jìn)行模擬仿真計(jì)算，計(jì)算過(guò)程做了如下假設(shè)和簡(jiǎn)化：

(1) 制動(dòng)時(shí)車輛動(dòng)能完全轉(zhuǎn)化為熱能，無(wú)其他形式的能量轉(zhuǎn)化。

(2) 轉(zhuǎn)化的熱能完全由車輪吸收和散逸，不考慮閘瓦吸收熱量及散熱。

盡管有機(jī)合成閘瓦為熱的不良導(dǎo)體，但實(shí)際制動(dòng)過(guò)程中，閘瓦磨耗產(chǎn)生的高溫磨屑及閘瓦自身熱散逸均會(huì)帶走制動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生的部分熱量，簡(jiǎn)化計(jì)算時(shí)將這部分熱量加載到踏面上全部由車輪吸收和散逸，因此計(jì)算出的踏面最高溫度肯定高于去除閘瓦散逸后的實(shí)際制動(dòng)溫度。如果采用上述方法計(jì)算得出的踏面溫度依然在可接受范圍內(nèi)，則實(shí)際的安全裕量會(huì)更大。

2.2 計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)

TB/T 3196—2008《機(jī)車用合成閘瓦》、TB/T 2403—2010《鐵道貨車用合成閘瓦》中有關(guān)閘瓦熱容量的規(guī)定為：閘瓦在1∶1 制動(dòng)動(dòng)力試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行各種規(guī)定程序試驗(yàn)時(shí)，車輪踏面局部溫度不應(yīng)超過(guò)400 ℃。CZJS/T 0006—2015《城市軌道交通車輛電空制動(dòng)系統(tǒng)裝車后的試驗(yàn)規(guī)則》中關(guān)于制動(dòng)熱容量的要求為：“試驗(yàn)應(yīng)在列車超員載重(AW3)狀態(tài)下進(jìn)行。試驗(yàn)前切除列車電制動(dòng)，列車按運(yùn)行圖運(yùn)行一個(gè)往返，測(cè)試踏面、閘瓦表面溫度，其表面溫度不應(yīng)大于350 ℃”。因此，本文以踏面表面溫度不超過(guò)350 ℃作為判定閘瓦熱容量是否合格的標(biāo)準(zhǔn)。

3 計(jì)算結(jié)果及分析

利用三維建模軟件進(jìn)行車輪的實(shí)體造型和有限元分析軟件ANSYS進(jìn)行熱-機(jī)耦合仿真計(jì)算。加載時(shí)踏面為熱載荷面，兩側(cè)面為散熱面，針對(duì)特定工況確定載荷步并進(jìn)行加載。

3.1 計(jì)算結(jié)果

3.1.1 工況1

工況1踏面溫升-時(shí)間曲線和車輪溫度場(chǎng)云圖如圖1所示。工況1計(jì)算結(jié)果顯示，本工況歷時(shí)約129 s，踏面溫度自起始溫度30 ℃升至最高224 ℃，該溫度低于踏面允許的極限溫度(350 ℃)，其中，車輪踏面溫度最高值出現(xiàn)在第3次緊急制動(dòng)過(guò)程中。

圖1 工況1踏面溫升-時(shí)間曲線和車輪溫度場(chǎng)云圖

3.1.2 工況2

工況2踏面溫升-時(shí)間曲線和車輪溫度場(chǎng)云圖如圖2所示。工況2計(jì)算結(jié)果顯示，本工況共施加制動(dòng)62次，歷時(shí)約6 835 s完成，踏面溫度自起始溫度30 ℃升至最高391 ℃，該溫度高于踏面允許的極限溫度(350 ℃)。其中，車輪踏面溫度最高值出現(xiàn)在施加第40次制動(dòng)后的第4 301 s。

圖2 工況2踏面溫升-時(shí)間曲線和車輪溫度場(chǎng)云圖

3.1.3 工況3

工況3踏面溫升-時(shí)間曲線和車輪溫度場(chǎng)云圖如圖3所示。工況3計(jì)算結(jié)果顯示，本工況共施加制動(dòng)62次，歷時(shí)約7 232 s完成，踏面溫度自起始溫度30 ℃升至最高259 ℃，該溫度低于踏面允許的極限溫度(350 ℃)。其中，車輪踏面溫度最高值出現(xiàn)在施加第38次制動(dòng)后的第4 304 s。

圖3 工況3踏面溫升-時(shí)間曲線和車輪溫度場(chǎng)云圖

3.2 溫升曲線分析

(1) 施加制動(dòng)過(guò)程中，列車動(dòng)能持續(xù)轉(zhuǎn)化為熱能并被車輪吸收和散逸。當(dāng)列車速度高于40 km/h時(shí)，熱量轉(zhuǎn)化速率高于車輪散逸的速率，因此踏面溫度逐漸升高；當(dāng)列車速度低于30 km/h時(shí)，熱量轉(zhuǎn)化速率低于車輪散逸的速率，因此踏面溫度逐漸降低。

(2) 站間距越長(zhǎng)，熱量散逸越多，單次制動(dòng)后踏面溫度下降越多，當(dāng)站間距足夠長(zhǎng)時(shí)，踏面溫度會(huì)低于本次制動(dòng)起始溫度。

(3) 停站時(shí)間越長(zhǎng)，熱量散逸越多，單次制動(dòng)后踏面溫度下降越多。

(4) 整個(gè)制動(dòng)過(guò)程前期階段，踏面吸熱效率明顯高于踏面散熱效率，踏面溫升較快。制動(dòng)過(guò)程中后期，踏面吸熱效率與散熱效率趨于平衡，踏面溫升速率明顯變緩。

3.3 溫度場(chǎng)云圖分析

(1) 制動(dòng)產(chǎn)生的熱量全部集中在輪輞、輪輻部分，其中，溫度高于200 ℃的區(qū)域幾乎全部集中在輪輞部分，說(shuō)明制動(dòng)過(guò)程中輪輞吸收并散逸了絕大部分的熱量；

(2) 溫度梯度是由踏面向輪轂方向遞減的，制動(dòng)過(guò)程中踏面上的溫度最高，車輪其他部位的溫度均比踏面位置的溫度低。

4 結(jié)論及建議

(1) 采用踏面制動(dòng)、最高運(yùn)行速度80

km/h及以下的A型地鐵車輛，在AW3載荷工況下連續(xù)3次施加緊急制動(dòng)，踏面溫度均低于允許極限溫度(350 ℃)。

(2) 采用踏面制動(dòng)、最高運(yùn)行速度80 km/h及以下的A型地鐵車輛，在AW2載荷工況下每站施加純空氣最大常用制動(dòng)模擬運(yùn)營(yíng)一個(gè)往返，踏面最高溫度達(dá)391 ℃，高于允許極限溫度(350 ℃)。

(3) 采用踏面制動(dòng)、最高運(yùn)行速度80 km/h及以下的A型地鐵車輛，在AW3載荷限速60 km/h工況下每站施加純空氣最大常用制動(dòng)模擬運(yùn)營(yíng)一個(gè)往返，踏面最高溫度達(dá)259 ℃，低于允許極限溫度(350 ℃)。

(4) 制動(dòng)過(guò)程中踏面上的溫度最高，出現(xiàn)熱損傷的概率更高，因此，建議地鐵車輛使用過(guò)程中定期進(jìn)行踏面狀態(tài)檢查。

(5) 地鐵列車實(shí)際運(yùn)營(yíng)時(shí)，如果經(jīng)常施加純空氣最大常用制動(dòng)，可能會(huì)引起踏面溫度不斷升高甚至超過(guò)允許的溫度極限，容易導(dǎo)致踏面剝離、熱裂紋、異常磨耗等問(wèn)題的發(fā)生，導(dǎo)致閘瓦摩擦性能減退，增加閘瓦磨耗。