【摘 要】
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随着我国铁路逐步向“高速化”、“重载化”发展,对列车基础制动装置的要求也变得更为严苛。制动盘将列车的动能转换为热能并耗散在空气中,是盘型制动装置中的重要部件。由于列车制动过程产生了巨大的热负荷,将会导致盘体制动效能降低、高温磨耗和热疲劳失效等现象,影响列车运行安全。为了研究制动盘的热负荷、疲劳损伤规律,对动车组拖车制动轴盘进行热流固三场耦合有限元仿真分析,并对制动盘结构和制动策略进行优化设计。根据
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随着我国铁路逐步向“高速化”、“重载化”发展,对列车基础制动装置的要求也变得更为严苛。制动盘将列车的动能转换为热能并耗散在空气中,是盘型制动装置中的重要部件。由于列车制动过程产生了巨大的热负荷,将会导致盘体制动效能降低、高温磨耗和热疲劳失效等现象,影响列车运行安全。为了研究制动盘的热负荷、疲劳损伤规律,对动车组拖车制动轴盘进行热流固三场耦合有限元仿真分析,并对制动盘结构和制动策略进行优化设计。根据转向架图集内的尺寸数据,利用三维设计软件建立了制动盘的实体几何模型,并按照转向架实际工作空间创建了流体域模型。分别使用旋转热源法和均布热源法设置仿真边界条件,导入ANSYS有限元软件进行热流-热机耦合瞬态有限元分析,获得了制动盘紧急制动的温度场和应力场,对比了两种载荷施加方式的区别。另利用GPS定位软件获得列车在中川城际铁路运营的实际数据为例,设计了常用制动工况,通过仿真分析获得了制动盘常用制动的温度场和应力场数据。为疲劳分析和优化设计提供数据支持。根据疲劳累积损伤理论,利用材料的S-N曲线,对制动盘的疲劳寿命进行估计。建立裂纹扩展有限元子模型,对制动盘表面裂纹进行裂纹扩展仿真分析,估算裂纹扩展寿命。据此估算了制动盘在中川城际铁路运营的寿命里程数,提出了制动盘检修周期应为5万km。基于列车在长大下坡道的循环制动策略,建立坡道制动的载荷计算模型,进行热流固耦合有限元仿真分析,计算不同制动减速度和制动时长组合的制动盘温度、应力和寿命,得出列车在长大下坡调速时制动减速度尽可能小、制动时长尽可能短,据此进行制动策略优化设计,最有利于延长制动盘疲劳寿命,降低列车运营成本。在三维设计软件中对制动盘的散热筋结构进行参数化设计,针对不同数量和厚度散热筋的制动盘进行紧急制动工况热流固耦合仿真分析,分析不同结构制动盘产生的最高温度、最大应力和疲劳寿命,统计得出28条厚度12mm的散热筋是使得制动盘寿命最长且重量最轻的最优化设计参数,可降低制动盘制造和检修成本。
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