机车制动盘的技术现状及应用分析

杜利清， 黄　彪， 方明刚， 金文伟

(南车戚墅堰机车车辆工艺研究所有限公司， 江苏常州 213125)



机车制动盘的技术现状及应用分析

杜利清， 黄彪， 方明刚， 金文伟

(南车戚墅堰机车车辆工艺研究所有限公司， 江苏常州 213125)

对国内外现有的机车制动盘的结构及材料进行简单介绍，利用有限元方法对机车制动盘进行温度场和应力场计算，根据计算结果得出合金灰铸铁适合用于120 km/h速度等级、轴重不大于25t的机车制动盘材料，蠕墨铸铁适合用于120 km/h和160 km/h速度等级的机车制动盘材料，合金铸钢材料适合用于200 km/h及以上速度等级的机车制动盘材料。

机车； 制动盘； 材料； 有限元分析； 安全系数

国内机车基础制动装置主要有轮盘制动和踏面制动两种形式。轮盘制动是通过闸片与安装在车轮两侧的制动盘进行摩擦实现列车减速或停车。由于轮盘制动作用力不在车轮踏面上，具有对车轮踏面的热负荷和机械磨耗低、可按制动要求选择最佳摩擦副、制动平稳、噪声小等优点[1-2]。所以，现有国内大功率HXD1系列及HXD3系列机车均采用轮盘制动形式。目前国内外生产机车制动盘的厂家主要有德国克诺尔公司、法国法维莱公司以及南车戚墅堰机车车辆研究所等公司。

1　机车制动盘结构

机车制动盘结构设计时，首先考虑的因素是具有可靠的连接结构，保证制动盘在工作时不发生零件松动或脱落；其次，具有良好的通风散热性能，降低制动盘的工作温度；最后还要考虑，制动盘具有一定的径向自由度，以最大限度的降低制动时产生的热应力[3]。

根据上述的设计原则，不同厂家生产的机车制动盘的结构形式类似，盘体均设计为单片形式(见图1)，内侧面设计有散热筋，以利于制动过程中盘体的散热；盘面中间设计有连接螺栓孔及布置定位销的键槽。盘体通过连接螺栓组装在车轮上(见图2)；制动过程中的摩擦扭矩靠螺栓预紧力产生的静摩擦力以及布置在盘体上的定位销，或者采用弹性销承受，避免螺栓承受剪切，保证了螺栓连接的可靠性。盘体均可沿径向自由膨胀，释放盘体制动时产生的热应力。

2　机车制动盘材料

目前，国内外机车制动盘采用的材料主要有合金灰铸铁、蠕墨铸铁以及合金铸钢等。

图1　机车制动盘盘体结构图

图2　机车制动盘组装结构图

2.1合金灰铸铁

合金灰铸铁材料具有良好导热性能，并且其铸造工艺成熟，故目前在制动盘上大量应用。合金灰铸铁的主要缺点为耐磨性差，热疲劳抗力低，制动性差。其使用性能无法满足高速机车的使用要求。其主要性能及金相组织见表1。

表1　合金灰铸铁主要性能及金相组织

2.2蠕墨铸铁

蠕墨铸铁材料与合金灰铸铁相比具有较高的力学性能和较好的导热性，有优良的耐热疲劳性能，并且具有良好的摩擦磨损性能，是制动盘盘体的理想材料[3]。蠕墨铸铁的主要缺点为铸造工艺难于控制。其主要性能及金相组织见表2。

表2　蠕墨铸铁主要性能及金相组织

2.3合金铸钢

目前，机车的两大发展方向为客运高速化、货运重载化[4]，对于更高速度等级的客运机车采用强度更高、抗裂性能更好的合金铸钢制动盘才能满足其使用要求。合金铸钢的主要缺点为价格高，铸造工艺复杂。其主要性能及金相组织见表3。

表3　合金铸钢主要性能及金相组织

3　机车制动盘应用分析

制动盘作为机车的关键零部件，制动盘材料选择的原则应首先考虑其使用的安全性和可靠性，其次再考虑其经济性。不同速度等级、不同轴重的机车制动能量相差较大，对制动盘的性能要求也各不相同。为了能充分了解上述3种制动盘材料适合的使用工况，对制动盘的材料选择提供一定参考依据，结合目前国内机车的速度等级及轴重情况，在此分别采用上述3种制动盘材料对在120,160,200 km/h 3种速度等级下分别采用21,25,30 t 3种轴重工况进行热机耦合有限元仿真分析，对各速度等级、各轴重条件下制动盘应力场和温度场进行有限元计算。

3.1有限元模型

通过三维造型Pro/e建立制动盘盘体三维结构模型，对不影响结构的圆角及倒角等进行简化处理，由于制动盘为对称结构，在此为了计算方便，选取1/4模型进行计算，见图3。将其导入大型有限元分析软件ABAQUS中，进行材料属性设置、网格划分等操作得到机车制动盘的有限元计算模型，见图4。为了能同时得到盘体温度场与应力场计算结果，在此采用热机耦合有限元仿真分析方法，盘体单元选用4节点热机耦合六面体C3D4T单元类型。

图3　机车制动盘三维模型图

图4　机车制动盘有限元分析模型图

3.2计算结果

采用ABAQUS分别对合金灰铸铁、蠕墨铸铁、合金铸钢机车制动盘进行不同速度等级、不同轴重工况进行热机耦合有限元分析。计算得出不同轴重不同材质机车制动盘温度场和应力场计算结果，制动过程中温度随时间变化曲线见图5，最高温度云图见图6，应力随时间变化曲线见图7，最大当量应力分布云图见图8所示(图5～图8均为选取的其中一种典型分析工况结果)。制动初速为120,160,200 km/h时最高温度、最大当量应力及安全系数的计算结果分别见表4、表5、表6。表中安全系数等于当量应力水平与相应材料的强度(铸铁材料取抗拉强度，铸钢材料取屈服强度)的比值。

图5　制动过程中温度随时间变化曲线图

图6　最高温度分布云图

图7　制动过程中温度随时间变化曲线图

图8　最高温度分布云图

轴重/t合金灰铸铁最高温度/℃最大当量应力/MPa安全系数蠕墨铸铁最高温度/℃最大当量应力/MPa安全系数合金铸钢最高温度/℃最大当量应力/MPa安全系数21136952.101351003.501451237.32251581151.741581252.81691575.73301881431.401851522.301982044.47

表5　制动初速度160 km/h时计算结果

表6　制动初速度200 km/h时计算结果

为了保证制动盘使用安全、可靠，并结合制动盘设计经验，一般选取的材料在使用过程中安全系数须大于1.5。从上列表中可以看出合金灰铸铁材料由于抗拉强度较低，在制动初速度为120 km/h、轴重为30 t时以及在制动初速度为160 km/h和200 km/h时，其安全系数均已经小于1.5；蠕墨铸铁材料抗拉强度较合金灰铸铁高，只有在制动初速度为200 km/h、轴重超过25 t时其安全系数小于1.5，其余工况安全系数均高于1.5。而合金铸钢材料强度较高，在所有的运用条件下其安全系数均大于1.5。

4　结　论

(1) 轮盘制动形式适用于大功率、高速机车。

(2) 目前，国内外机车制动盘结构形式类似，采用的材料包括合金灰铸铁、蠕墨铸铁和合金铸钢材料。

(3) 根据有限元分析结果，并综合考虑机车制动盘使用的安全性、可靠性及经济性等因素，得出合金灰铸铁适合用于120 km/h速度等级、轴重不大于25 t的机车制动盘材料；蠕墨铸铁适合用于120 km/h和160 km/h速度等级的机车制动盘材料；合金铸钢材料适合用于200 km/h及以上速度等级的机车制动盘材料。

[1]黄勇明，胡宇锋，艾正武,等.200 km/h速度等级电力机车轮盘制动装置研制[J].电力机车与城轨车辆，2007，30(2)：6-9.

[2]葛来薰.机车转向架盘形制动技术的应用于分析[J].电力机车技术，2002，25(6)：1-4.

[3]钱坤才，郭立宾，黄彪,等.大功率机车制动盘和闸片的研究[J].现代铸铁，2012，(5)：69-73.

[4]刘豫湘，方长征，万建兵,等.列车制动系统技术现状及发展趋势[J]. 电力机车与城轨车辆，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，高级工程师(

2015-12-08)

U260.35+1

Adoi:10.3969/j.issn.1008-7842.2016.03.07