胶轮客车制动盘的结构设计及材料选择

杜建华，鹿峰凯，翟 翚

（南京中车浦镇海泰制动设备有限公司，江苏 南京 211800）

0 引言

胶轮客车是一种采用单轨导向，胶轮走行的新型交通工具，是有轨电车的一种，其制动系统采用电气混合制动方式，电制动优先，电制动不足时进行气制动补充；电制动失效时，可以采用纯空气制动。

胶轮客车具有爬坡能力强 （最大可达13%的坡道），制动减速度大等优点，能良好地适应城市复杂线路。但胶轮客车在具有优越爬坡能力同时，也面临着长大坡道下坡问题。车辆在长大坡道上下坡时，必须施加制动以抑制车辆速度的增加，以确保车辆运行的安全。

本文针对胶轮客车在长大坡道下坡过程中制动盘的热特性进行分析，并从结构设计及材料选择上提高制动盘性能，以适应车辆长大坡道的运营需求。

1 胶轮客车坡道制动特性

制动系统设计成功与否的关键，在于制动时采用什么方式将巨大的动能转变为其它能量并处理掉。长大坡道因巨大势能的存在，对制动系统设计提出更为苛刻的要求。

1.1 假设工况

胶轮客车采用电制动和摩擦制动混合制动方式，电制动优先，电制动不足或者电制动失效时，采用摩擦制动进行补充。电制动完全失效，抑速制动全有摩擦制动承担。

纯摩擦制动时，摩擦热能基本都被制动盘吸收，会造成制动盘的温升，连续坡道下坡时，制动盘温升逐渐增大，最终可能导致制动失效。故以纯摩擦制动工况进行分析。

1.2 坡道下坡摩擦制动功率

车辆在长大坡道以恒速下坡时所需制动功率Ni为：

其中，v—车辆速度（km/h）；m—车辆总质量（kg）；g—重力加速度；i—坡道坡度；0.997为车辆运行阻力系统。

车辆在下坡运行并准备进站停车时，瞬时所需制动功率N为：

其中1.08—转动惯量系数；a—车辆制动减速度。

胶轮客车的基本参数如表1所示。

表1 胶轮客车的基本参数Tab.1 Basic parameters of Rubber-tyred coach

经计算，下坡时所需的制动功率Ni为1242kw；准备进站停车时，最大瞬时制动功率N为6506kw。

制动功率越大则单位时间内产热量就越大；所有这热量有约90%由制动盘吸收再散热发到空气中，这个过程中制动盘会温升，当温升高到材料使用极限温度时，制动盘磨损会加大，导致热裂纹、热斑或者剥离出现。故制动设计时，要对制动盘进行温升评估和热容量分析。

2 仿真分析

利用Abaqus仿真软件对在长大坡道工况下的制动盘进行热容量分析，将制动功率用另外一种形式—“热流密度”加载进模型中进行模拟计算。

热流密度公式为：

式中，q（t）—t时刻加载于制动盘面的热流密度（kw/m2）；M—轴重（t）；a—制动减速度（m/s2）；n—摩擦面数；η—制动盘吸收的摩擦热能所占的比例；R和r为摩擦面外径和内径（m）。

2.1 仿真分析方法

制动盘盘体材料以HT250为例，收集获取材料参数、车辆参数及工况，通过这些参数推导出热流密度、对流换热系数，用于加载到仿真计算的边界条件中，见表2。

表2 HT250材料参数随温度变化关系表Tab.2 Material parameters variation of with temperature

利用三维造型软件进行制动盘的实体建模，利用Abaqus进行几何清理和网格划分，并作为求解器，导入相关边界条件，进行热力耦合分析，计算并描述出工况下温度曲线及云图，见图1。

图1 制动盘的实体模型及网格图Fig.1 Solid model and grid diagram of brake disc

2.2 坡道下行抑速行驶及制动停车仿真分析结果

在工况 （坡道下行，最高速度80km/h，100%摩擦制动，单个盘承担轴重5.5t，摩擦制动理论减速度5m/s2，坡道13%，坡道长度为1.41km，加速度1.3m/s2）下，仿真分析结果如图2、图3所示。

图2 温度曲线Fig.2 Temperature curve

图3 温度云图Fig.3 Temperature nephogram

由图2、3可以看出，时速80km/h坡道下坡时，靠摩擦制动进行抑速制动，则制动盘的温升会很大，当运行15s，运行距离约330米时，制动盘温度已经上升到400℃；当坡道运行到坡地时，理论温度已经超过千度，再加上紧急制动停车的会使制动盘温升再增加约350℃。

2.3 坡道下行紧急制动停车仿真分析结果

在工况（坡道下行，最高速度80km/h，100%摩擦制动，单个盘承担轴重5.5吨，摩擦制动理论减速度5m/s，坡道13%，加速度1.3m/s）下，仿真分析结果如图4所示。

图4 温度曲线（左）及云图（右）Fig.4 Temperature curve （left） and nephogram （right）

由上述分析结果可知，在工况下，二次紧急制动工况后，制动盘的最高温度约为484℃，铸铁盘允许最高温度为400℃，因此该制动盘在该工况下使用，已经超过制动盘允许的最高温度要求。

3 制动盘优化设计

制动盘的承热和散热性能不足，可以通过改变材料，提高制动盘的承热能力；通过调整散热筋的结构，改善制动盘的散热性能。

3.1 制动盘材料

目前使用制动盘材料有铸钢、锻钢、灰铸铁、蠕墨铸铁、铝合金。其中城际车、动车、高铁多采用铸钢、锻钢；地铁、城际车辆多采用灰铸铁、蠕墨铸铁，也有部分采用铝合金；低地板车辆多采用灰铸铁。各材料的制动盘应用速度范围如图5所示。

图5 不同材料制动盘应用速度范围Fig.5 Different materials of brake disc application speed range

材料特性主要体现杨氏模量、线膨胀系数、导热系数、比热容等参数的变化；不同材料的承受温度极限有所不同，如铸铁约400℃，钢约550℃，铝合金约为375℃，碳纤维为 1000～2000℃。

第2节分析中，制动盘温度已经超过400℃，故应选用耐温更高的材料，如可以采用铸钢材料。

3.2 散热筋结构

散热筋的主要作用是通风散热，但在不制动时，由于制动盘具有泵风特性也要消耗一部分功率，称为泵风功率或通风损耗功率。泵风功率和速度成正比关系。如图6所示。若散热筋的结构设计合理，能在不加大泵风功率的同时，达到最大的散热效果，从而提高制动盘的性能。

图6 某制动盘的制动功率与泵风功率关系、散热筋形状与泵风关系Fig.6 Relationship between braking power and pum p power，Relationship between heat dissipation rib shape and pum p w ind of a disc

SABWabco公司曾进行大量并得到很多数据，数据表明不同的散热筋形状及其排布对泵风功率有很大的影响。其中混合型的相对散热效果更优，见图7。

图7 散热筋结构Fig.7 Radiating rib structure

4 优化后仿真结果

优化制动盘结构、散热筋，并将制动盘材料替换为铸钢材料后，重新计算出热流密度、对流换热系数，实体建模，在2.3节相同工况下进行仿真，得到的结果如图8所示。

由上述分析结果可知，在同样的制动工况下，二次紧急制动后制动盘的温度最高为385℃，比优化前温度（480℃）要低约95℃，同时铸钢的耐热温度可达600℃，优化后制动盘有了充裕的热容量。

由此可见，通过结构设计 （散热筋）和材料选择，可以优化设计出适应长大坡道工况的制动盘。

图8 优化后的温度云图Fig.8 emperature nephogram after optimization

5 结论

通过本文的分析讨论，可以得出以下结论：

（1）铸铁材料不能满足胶轮客车长大坡道的运营需求，可以通过将材料替换为铸钢材料，提高制动盘的承热能力。

（2）通过优化散热筋结构，可以提高制动盘散热性能，降低温升。

综上，可以通过材料选型及结构优化，设计出可以满足胶轮客车在坡道运营所需的制动盘。