粉末冶金闸瓦主要制动参数的仿真计算研究.pdf

第 6期 2 0 1 0年 6月 机 械 设 计 与 制 造 Ma c h i n e r y De s i g nMa n u f a c t u r e 2 3 l 文章编号 1 0 0 1 3 9 9 7 2 0 1 0 0 6 - 0 2 3 1 - 0 3 粉末冶金闸瓦主要制动参数的仿真计算研究术 姚伟伟何忠 中国铁道科学研究院 金属及化学研究所 ， 北京 1 0 0 0 8 1 Si mu l a t i o n r e s e a r c h o n k e y t e c h n o l o g y p a r a me t e r s o f p o wd e r me t a l l u r g y b r a k e s h o e s f o r l o c o mo t i v e YAO W e i - we i ， HE Zh o n g M e t a l s a n d C h e mi s t r y R e s e a r c h I n s t i t u t e ， C h i n a Ac a d e m y o f R a i l w a y S c i e n c e s ， B e i j i n g 1 0 0 0 8 1 ， C h i n a ●⋯ ●⋯ ●⋯ ●⋯ ●⋯ ●⋯ _ ．⋯ - ●⋯ ●⋯ ●⋯ ●⋯ ●⋯ ●⋯ ●⋯ ●⋯ ●⋯ - ●⋯ ●⋯ ●⋯ ●⋯ ●⋯ ●⋯ ●⋯ ●⋯ ●⋯ ●⋯ ●⋯ ●⋯ ●⋯ ●⋯ ●⋯ ●⋯ ●⋯ ●⋯ ●⋯ ●⋯ ●⋯ ●⋯ ●⋯ ● i 【 摘要】 采用热一 机耦合方法， 利用Ma r c 软件， 在经过准确性验证的粉末冶金闸瓦踏面制动计算模i ；型上， 专门 针对粉末冶金闸瓦的主要制动参数摩擦体脱落面积和不同 初始制动速度下闸瓦 摩擦系数变化 ； 偏差范围 0 ．0 4 或 0 ．0 3 对制动试验结果的影响进行了 验证性的仿真计算研究。 仿真计算结果表明， 闸瓦 ；摩擦体脱落1 0 ％， 车 轮踏面最高温 度增 加5 2 C ， 制动距离 未发生明显变 化； 不同 初始制动速度下闸瓦 摩擦 系 数变 化偏差范围对车 轮 踏面的最高 温度和制动距离 影响较小， 偏差范围 设置合理。 i ； 关键词 踏面制动； 热一 机耦合方法； 摩擦系数； 摩擦面积 【 A b s t r a c t 】 O n t h e s i m u l a t i o n m o d e l w h o s e v a l id i ty i s v e r ifi e d ， e n a c tm e n t s t h e f r ic t i o n c o e f fi c ie n t s c o p e a n d f r i c t io n a r e a o f th e b r a k in g s h o e s ar e s i m u l a t e d and a n al y z e d b y u s i n g th e r m o m e c h a n ic al c o u i ；p l i n g m e t h o d and a p p l y i n g MA R C S o d l t w are ． T h e r e s u h s s h o w t h e m a x i m al t e m p e r atu r e of t h e w h e e l a n d 舭 b r a k e d i s t anc e a r e n ’ t i n flu e n c e d b y t h e f r i c t i o n c o e f fic i e n t s c o p e ； w h e n t h e f r i c t i o n a r e c t oft h e b r a k i n g s h 0 e s d e c r e a s e d 1 0 ％ ， m a x i mal t r e a d t e m p e r a t M r e i s i n c r e a s e d 5 2 c C a n d t h e b r a k e d i s t anc e i 5 n ’ t c h a n g e d T h e e n a c t m e n t of t h e f r i c t io n c o e ffic i e n t s c o p e a n d s e t t i n g t h e r e q u i r e m e n t a b o u t f r ic t i o n ar e a of i h e b r ak in g s h 。 e s is r ig h f． Ke y w o r d s T r e a d b r a k i n g ； T h e r mo - me c h a n i c a l c o u p l i n g me t h o d ； F r i c t i o n c o e ffic i e n t ； F r i c t i o n ● ● are a 中图分类号 T H 7 8 9 文献标识码 A 1 引言 作为粉末冶金闸瓦主要制动性能参数的闸瓦摩擦系数偏差 范围 0 ． 0 4或 0 ． 0 3 和摩擦体的脱落面积 一般是不应大于摩擦 面积的 l O ％ ， 是决定车体制动距离、 防止车轮和闸瓦发生热损伤 ★来稿 日期 2 0 0 9 0 8 0 8-k基金项 目 中国铁道科学研究院所基金项 目 0 7 5 2 J H 0 2 0 1 0● 00◆ 00◆00◆oo◆00● 00◆ 0o● 00◆0o●00◆ 00● 00◆ 00● 00◆00◆00● 00● 00◆ 00◆ 00◆00●00◆00◆ o0◆ 00◆ 00● 00●00◆ 00◆ 00◆ 00◆ 00◆ 00◆ 00● 00◆ 00● 00◆ 00◆ 00◆ 00◆ 0 图 7 B l a c k m a n - T u k e y 方法计算的微陀螺图像功率谱 一2 0 2 图 8 B l a c k m a n - T u k e y 方法计算的微陀螺图 像功率谱二维图 4结论 计算机微视觉是计算机视觉在微观领域的应用， 是一种采用 计算机视觉和显微镜分析微结构运动等物理过程的工具。 本文采 用B l a c k m a n T u k e y 方法计算了两幅由微视觉系统采集的典型微 结构图像的功率谱密度。通过分析微结构图像的功率谱密度， 给 出了其功率谱和空间频率之间的关系， 即对于大多数由微视觉系 统采集的微结构图像 ， 图像信号的能量主要集中在空间频率 0 - 2 的范围内， 其中订为尼奎斯特频率。这种微结构图像信号能量和 空间频率的关系能够指导研究者更好地研究微结构的物理过程。 参考文献 1 D a v i s C ．Q ． Me a s u ri n g n a n me t e r ， t h r e e - d i m e n s i o n a l mo t i o n s w i t h l i g h t m i c r s c o p y [ D ] ． P h ． D t h e s i s ． M a s s a c h u s e t t s I n s t i t u t e o f T e c h n o l o g y ， C a m b r i d g e ， MA． 1 9 9 7 2Ra mo nLI LP e r f o r ma nc eme a s ur e me n t o f MEMSa n a l y s i s s y s t e m Ma s t e r o f En - g i n e e r i n g t h e s i s ， Ma s s a c h us e t t s I n s t i t u t eo f Te c h n o l o g y ， C a mb ri d g e ， MA， 1 9 9 9 3 廖强， 周忆， 米林等． 机器视觉在精密测量中的应用． 重庆大学学报 自 然科 学版 I J ] ， 2 0 0 2 ， 2 5 6 1 - 4 4 金翠云． M E M S 平面微运动测量的若干关键技术研究 [ D ] [ 博士学位论 文] ． 天津 天津大学， 2 0 0 4 ∞ ∞ O ∞ ∞ 2 3 2 姚伟伟等 粉末冶金闸瓦主要制动参数的仿真计算研究 第6 期 的重要参数l 】1。 这些值的确定是多年制动试验和理论分析的结果， 那么要想知道处于限值的闸瓦摩擦系数和闸瓦脱落面积对闸瓦 制动性能的影响如何， 尤其是对制动距离、 车轮踏面最高温度的 影响， 只有在选择好具有相应摩擦系数的闸瓦或对 l 1 制动试验 机进行改造的情况下才能进行验证， 这实现起来很困难。因此本 文利用 Ma r c有限元软件， 采用热一 机耦合方法， 对粉末冶金闸瓦 制动过程进行了仿真计算， 并在此基础上， 专门针对 M型粉末冶 金闸瓦在不同初始制动速度下的摩擦系数偏差范围和闸瓦摩擦 体脱落限值对踏面制动过程的影响进行了仿真计算研究 ， 为粉末 冶金闸瓦的性能研究提供了一个验证 l生 方法。 2 热一机耦合能量守恒方程边界条件 机车闸瓦踏面制动属于动态摩擦接触热一机耦合问题， 仿真 计算时需按照热一机耦合场的求解方法， 建立整体的动态摩擦机 构模型， 同时处理热传导和力平衡两类方程[2 - 7 1进行求解。 闸瓦踏面制动时， 闸瓦在一定制动压力下压向高速旋转的车 轮， 两者发生动态摩擦接触并产生摩擦热能， 这些摩擦热能大部 分通过摩擦面被车轮和闸瓦吸收， 随着制动的进行， 车轮各个界 面开始对外进行对流和辐射换热。 因此所构建模型的边界条件包 括初始环境温度和车轮初始制动速度的设置， 车轮对空气的对流 换热和对环境的辐射换热系数的设置，车轮固定位移的设定， 以 及闸瓦压力的施加等l 8 _9 1 。 3 仿真计算模型 粉末冶金闸瓦踏面制动采用单侧闸瓦制动。为简化模型， 减 少计算时间， 假设车轮和车轴在原地转动， 闸瓦以一定压力压向 车轮， 闸瓦和车轮进行动态摩擦接触。在仿真计算时， 可以利用 Ma r c 软件中的等效质量密度材料杼胜，把整个车体一半的动能等 效到车轴上， 闸瓦对车轮与车轴的制动就相当于对车体的制动。 4 仿真计算与 1 1 制动试验结果对比 4 ． 1 1 1制动试验 采用的 1 1 制动试验结果， 如表 1 所示。为了便于进行仿真计 算与实际制动试验结果的对比分析，选用车轮初始速度 1 2 0 k m ／ h ， 闸瓦压力4 3 K N ， 摩擦系数 0 ． 2 1 的制动工况， 进行仿真计算。 表 1 1 1实际制动试验结果 初始速度／ K m h 闸瓦压力／ k N平均摩擦系数 制动距离， m最高温度 1 2 0 4 3 0 ． 2 1 7 41 ．9 3 40 4 ． 2 工况仿真计算结果分析 ． 制动距离和车轮踏面最高温度是粉末冶金闸瓦的两个主要 制动性能参数， 下面主要就这两个参数进行仿真计算结果分析， 并与实际制动试验结果进行对比， 来验证仿真计算模型的准确性。 4 ． 2 ． 1制动距 离 在摩擦系数和制动压力一定时， 车轮每制动一圈， 摩擦力所 做的功是定值。 则在固 定摩擦力 做功的情况下， 车轮每制动一圈， 减 少的车体动能也是一定的， 也就可以推出用总的车体动能乘以动能 转换系数， 再除以车轮转动单圈摩擦力所做的功， 得出的结果即是 车轮在制动过程中转过的总圈数， 即仿真计算后得出的制动距离。 仿真计算得出的车体动能变化曲线， 如图 1 所示。由该图可 以看出制动开始后， 车体动能呈迅速下降趋势， 说明车轮转速在 快速减少。计算得出车体制动一圈车体动能减少约为 3 7 ． 7 l J ， 根 据该节点动能变化和车体动能的总减少量，计算出车轮需转动 1 7 0圈后制动完毕。如表 1 所示， 可计算出， 实际车轮转动圈数为 1 8 8 ． 9圈， 两者制动距离相差 7 0 m。仿真与试验结果出现偏差， 主 要是由于仿真计算时选用固定的平均摩擦系数所导致的。 n 需 垃 卅 图 1 制动过程中车体动能随制动时间的变化曲线 4 ． 2 ． 2车轮踏 面 温度 变化 曲线 如图2 所示，整个制动过程中车轮2 4 4 8 号节点的温度变化 曲线。由该曲线可以看出， 车轮踏面温度随着制动的进行逐渐升 高， 在 1 2 ． 3 s 时车轮踏面温度达到最高， 最高温度为 2 4 0 C， 接着 车轮踏面温度在维挣 一 段时间后缓熳降低， 与实际车体制动车轮踏 面温度变化相符。观察仿真计算结果发现 1 2 ． 3 s 这个时间点大概位 于整个制动时间的 3 5 ％处， 在该时间点车轮转动 1 0 0圈， 占整个制 动距离的5 9 ％。这与试验人员根据长期的 1 1 制动试验经验总结 出的车轮踏面最高温度大概出现在整个制动时间的 1 处相符。 同 时由表 1 可以大概计算出车轮转动到制动总时间的 1 ／ 3时， 车轮所 转动的距离大概占整个制动距离的5 7 ％，仿真计算结果与制动试 验结果比较相符。如图2 所示， 车轮踏面最高温度为 2 4 0 C， 与表 1 中车轮踏面最高温度 3 4 0 ℃ 相比相差 1 0 0 2 ，数值较大。这是因 为， 在进行踏面制动仿真计算时， 通过调整车轮踏面网格划分数 目和大小来使车轮和闸瓦尽可能全接触， 仿真计算出来的踏面温 度相对来说也就比较平均， 而实际制动时， 由于多种原因的影响， 车轮和闸瓦的摩擦接触并不是很均匀， 因此会出现一定偏差。 一 图 2 节点 2 4 4 8 在计算时间内温度随时间变化 曲线 由本节分析来看， 所建立的计算模型可以较好地对粉末冶金 闸瓦踏面制动过程进行仿真计算。 5 仿真计算分析摩擦体脱落面积达到 I O ％H ,-J R 闸瓦制动性能的影响 本节对两个工况进行了仿真计算结果对比分析。两个工况均具 有相同的初始制动速度、 闸瓦摩擦系数及闸瓦压力， 但两个工况的闸 瓦摩擦面积减少了l 0 ％ 用以模拟闸瓦摩擦体脱落面积为 1 0 ％ o No ． 6 J u n ． 2 0 1 0 机 械设 计 与 制造 2 3 3 5 ． 1制动距离对 比分析 由两个工况车体制动距离仿真计算结果可知， 在相同闸瓦压 力、 摩擦系数和制动初始速度情况下， 减少闸瓦摩擦面积基本没 有改变制动距离大小 ， 两工况的制动距离相差 1 1 米 。 5 ．2车轮踏面最高温度对比分析 由两个制动工况下车轮踏面最高温度仿真计算结果可知， 在 相同闸瓦压力、 摩擦系数和制动初始速度情况下， 减少闸瓦摩擦 面积可使车轮踏面最高温度有较大升高。 两工况的车轮踏面最高 温度差值为 5 2 ℃， 这个数值相对来说可能较小， 但在制动过程中 已有较高温度的车轮上再施加这个温度载荷， 很容易使车轮踏面 温度超高， 使其产生的热应力超过车轮材料的屈服强度 ， 或使车 轮上的某些闪点超过车轮材料的熔点， 造成车轮和闸瓦个别点的 热熔结， 因此对闸瓦摩擦体脱落面积进行限定是非常正确的。 6仿真计算分析闸瓦摩擦系数偏差范 围对制动性能的影响 本节专门针对 M型闸瓦在不同初始速度下的平均瞬时限值 摩擦系数 由摩擦系数偏差范围确定 进行仿真计算研究共设置 1 2 种制动工况， 并按照相同初始速度原则分为6组， 如表2 所示。 表 2 1 2种制动工况制动参数 6 ． 1制动距离对 比分析 如表 3所示， 为6组不同制动工况下车体制动距离仿真计算 结果。 如表 3 所示， 在相同初始制动速度和闸瓦压力情况下， 采用 低摩擦系数闸瓦的工况其制动距离要低于采用高摩擦系数闸瓦 的工况。由计算结果还可发现， 不同工况的制动距离随着制动初 始速度的增大而增大。把表 3中不同工况的制动距离与 铁路技 术管理规程 f 1 0 ] 第 2 0 2条中第 2 3 表对比， 发现仿真计算后制动 距离基本满足第 2 3 表的规定要求。 表 3 1 2种制动工况下的车体制动距离 6 _2 车轮踏面最高温度对比分析 如表 4 所示 ， 6 组不同制动工况下车轮踏面最高温度差值仿 真计算结果。如表 4所示， 在相同初始制动速度和闸瓦压力情况 下， 采用低摩擦系数闸瓦的工况车轮踏面温升要低于采用高摩擦 系数闸瓦的工况，但最高温度相差并不大。由表还可以发现， 1 2 种制动工况的车轮每制动一圈的温升随着闸瓦摩擦系数的增加 而增加 ， 这主要是由摩擦力做功增加而引起的。 表 4 6组不同制动工况下的车轮踏面最高温度差值 7结论 1 在相同制动参数下， 减少闸瓦摩擦面积 l 0 ％ 模拟闸瓦摩 擦体脱落面积为 1 0 ％ ， 车轮踏面最高温度增加 5 2 ℃， 制动距离 未发生明显变化。虽然温升数值相对较小， 但有可能导致出现车 轮损害及车轮和闸瓦的热熔结， 因此对闸瓦摩擦体脱落面积进行 限定是非常正确的。 2 根据不同初始制动速度下闸瓦摩擦系数变化偏差范围 0 ．0 4或 0 ．0 3 ， 设定的 1 2种制动工况仿真计算结果表明， 各制动 工况下仿真计算的制动距离满足铁路技术管理规程第 2 0 2条中 第 2 3 表对紧急制动距离限值的要求 ； 同一初始制动速度， 高低不 同闸瓦摩擦系数制动工况， 摩擦系数大的， 其制动距离要小于摩 擦系数小的工况， 但两者的最高温度相差不大。计算结果表明闸 瓦摩擦系数偏差范围合理。 参考文献 1 何忠． 内燃机车标准化委员会． T WF 3 0 0 5 - 2 0 0 8机车用粉末冶金 闸瓦I s ] ． 北京 中华人民共和国铁道部， 2 0 0 8 2 陈火红． M a r c 有限元实例分析教程[ M] ． 北京 机械工业出版社， 2 0 0 3 3 虞丽娟． 机车车轮瞬态温度场的有限元研究 [ J J ． 铁道学报， 1 9 9 3 ， 1 5 3 1 1 ～1 6 4林谢昭 ， 高诚辉 ， 黄健荫． 制动工况参数对制动盘摩擦温度场分布 的影响 [ J 】 _ 工程设计学报 ， 2 0 0 6 ， 1 3 1 4 5 ． 4 8 5 YE VT US HENKO A， I VANYK E． De t e r mi n a t i o n o f T e mp e r a t u r e s f o r S i d i n g C o n t a c t w i t h A p p l i c a t i o n s fo r B r a k i n g S y s t e m s [ J ] ． W e a r ， 1 9 9 7 2 0 6 5 3 - - 5 8 6 Du f r e mo y P， W e i c h e r t D．Pr e d i c t i o n o f Ra i l wa y Di s c Br a k e T e mp e r a t u r e T a k i n g t h e B e a r i n g S u r f a c e V a ri a t i o n s i n t o A c c o u n t l J j ． J o u r n a l o f Ra i l a n d R a p i dT r a n s i t ， 1 9 9 5 ， 2 0 9 2 6 7 - 7 6 7 Mi c h a e l C F， S e h i t o g l u H． T h e r ma l Me c h a n i c a l Da ma g e i n Ra i l r o a d W h e e l s d u e t o Ho t S p o t t i n g [ A] ． We a r ， 1 9 8 5 1 0 2 8 杨莺，王刚． 机车制动盘三维瞬态温度场与应力场仿真． 机械科学与技术， 2 0 0 5 ， 2 4 1 0 5 7 - ．6 0 9 L 祥谦． 有限单元法在传热学中的应用[ MI ． 北京 科学出版社， 1 9 9 8 1 O中华人民共和国铁道部． 铁路技术管理规程I s 3 ． 北京 中国铁道出版社 ， 2 0 0 6