基于有限元法的动车组制动盘制动能力分析
基于有限元方法的动车组车轮安全性能评估
节点的主应力遥
按照式 渊1冤袁 可以计算出 4 种载荷工况以最大
过盈量和有离心力作用下的车轮静强度安全系数袁
见表 1遥
表 1 车轮静态验证结果
载荷工况 1 2
滓 eqv /M Pa
320.48
330.15
浊vM 1.108 1.075
载荷工况 3 4
滓 eqv /M Pa
325.70
334.17
浊vM 1.090 1.062
量的影响及离心力的影响遥 对车轮加载截面辐板表 面内尧 外侧节点以及直径 25 的孔的节点进行验证遥
从表 1 的计算结果可以看出袁 车轮静强度在标 准[1]要求的范围内袁 即静强度计算结果满足车轮安 全性能要求遥 2.2 疲劳强度计算
疲劳验证考虑了 3 种载荷工况尧 最大压装过盈
SC I-T E C H IN N O V A T IO N & P R O D U C T IV IT Y
048
晕燥援6 Jun. 圆园20袁栽 燥贼葬造 晕燥援317
. All 随Ri着g动ht车s组R运e行se速r度ve的d不. 断提高袁 对其走行部
件安全性能的要求也不断提高袁 科学合理地评估动 车组车轮安全性能势在必行遥 动车组车轮在结构上 虽然为一个整体袁 但各部位结构差异较大袁 在运行 过程中各部位所起的作用也不相同袁 而且车轮在实 际运行过程中受力复杂袁 既有轮轨间的接触力 渊包 括横向力和纵向力冤袁 还有轮轴配合部位产生的约 束力及通过轴承传递的整个车体的重量 渊垂向力冤袁 上述各种载荷还会因线路尧 速度及外界环境等因素 的变化而发生变化袁 因此袁 对车轮安全性能进行评 估难度较大袁 欧洲标准[1]推荐采用有限元方法对车 轮辐板部位的安全性能进行评估遥
CRH5型动车组制动盘异常磨耗原因分析
CRH5型动车组制动盘异常磨耗原因分析发布时间：2022-08-31T03:44:53.906Z 来源：《当代电力文化》2022年第8期作者：郎利平，孙雪飞[导读] 高速铁路运行过程中具有安全舒适、节能环保、快速方便、输送能力大等优点，在经济发展、人民生活等方面发挥着巨大的作用郎利平，孙雪飞呼和浩特机务段内蒙古乌兰察布010050摘要：高速铁路运行过程中具有安全舒适、节能环保、快速方便、输送能力大等优点，在经济发展、人民生活等方面发挥着巨大的作用，受到越来越多的国家所重视。
通过不断地积累自身技术成果和对国外先进科技的引进吸收、发展创新，在轮轨系统、制动系统等方面取得巨大进展，让我国高速铁路得以迅速崛。
高速铁路的线路最低环境温度在一30℃以下，CRH5型动车组在高寒地区运行过程中，其基础制动装置以及制动盘异常磨耗现象较为严重。
为降低制动系统因制动盘异常磨耗故障对运营秩序的影响，对该故障进行了分析，并提出了有效的解决方案。
关键词：CRH5型动车组、制动盘；磨耗一、摩擦磨损机理及影响因素早期时候，由于研究手段与方法的限制，国内学者一直从事寻找适宜高速列车使用的制动材料研究，对于列车制动系统的失效机制探讨较少。
现阶段，随着测试技术以及有限元与仿真分析方法的进一步发展，国内学者已逐步开始对制动过程中的颤振、表面温升、损伤机制等进行深入的探讨分析。
[2]利用 ANSYS 有限元分析软件的非线性多场耦合分析方法，建立了三维瞬态盘式制动装置的热-结构耦合模型。
其综合考虑了变化的移动热源、制动盘与闸片的弹性变形以及界面摩擦热流等影响因素的共同耦合作用，发现制动盘表面接触应力分布受到制动盘和闸片的变形、摩擦力以及摩擦热-结构耦合等因素的共同影响。
利用热耦合边界条件建立三维高速制动盘热分析模型，通过模型得到在制动开始时存在一个延迟效应，制动盘最高温度出现在制动过程中期。
通过仿真数值模拟和试验分析发现，高速列车紧急制动时制动盘摩擦表面中部区域温升最高，引起制动盘热膨胀、体积增加；同时因为筋板拥有良好的散热性能，使得筋板出制动盘材料温度和摩擦面之间温度差增大，使得在筋板对应处出现最大热应力。
ABAQUS有限元法的动车组盘形制动的模拟仿真研究
ABAQUS有限元法的动车组盘形制动的模拟仿真研究4.4.2 环境温度对应力场的影响 275 结论与展望 305.1 结论 305.2 展望 30致谢 31参考文献 321 绪论1.1 课题研究的目的和意义随着我国铁路高速化、重载化的发展，列车安全停车制动问题将会更加的严峻，机车车辆的制动距离会随列车行驶速度的提高而呈现出非线性增长，如对于我国国产CRH系列的动车组，当制动初速为时，规定紧急制动距离为；当制动初速度为，紧急制动距离为；当紧急制动初速度为及以上时，紧急制动距离超过。
在我国CRH型高速动车组基础制动方式多半运用盘形制动装置，盘形制动盘在制动过程中负责列车的运行安全，在紧急情况下都要保证列车能够安全停止。
由于高速动车组运行时的动能非常的大，想要列车能够在规定的安全制动距离内实现安全的停车，则制动盘和闸片必须具有很高的热应力性能、制动盘与闸片摩擦系数稳定性高、疲劳强度高、机械强度高等特征，即高速列车的制动装置需要有良好的性能[1]。
从国内外盘行制动盘的实际使用情况来看，只有某些类型的制动盘会因其结构强度低而导致制动盘失效，大多数制动盘的失效方式都是热应力过大而导致裂纹损伤、过度磨损、变形和机械断裂。
制动时，列车的动能通过制动盘与闸片摩擦转化为摩擦热，来不及散失大大气中，导致制动盘达到很高的温度，产生温度梯度，那么在制动盘内部将产生很大的热应力，在紧急制动情况下，当热应力大小超过其材料的屈服极限时制动盘很可能出现热裂纹，造成制动盘失效严重影响行车安全[2]。
由于制动时产生的摩擦热会引起制动盘热龟裂或热疲劳，所以在达到其规定的磨损极限前有必要更换制动盘。
为此，需要对制动盘在制动过程中制动盘盘体的温度分布情况和产生的热应力进行分析，确定制动盘盘体的最高温度和热应力大小，是否在制动盘材料的屈服极限之内，给制动盘构造的设计和盘体材料的研发提供依据。
在制动装置的设计和制造过程中，都需要进行多次的实验模拟检验和结构、材料的改进，以保证制动盘制动性能和质量，而且制动盘是列车制动装置中技术含量最高的组件之一，也是我国进行国产化、自主创新的重点项目。
基于有限元法的汽车盘式制动器蠕动颤振建模与分析
基于有限元法的汽车盘式制动器蠕动颤振建模与分析张立军;徐杰;孟德建;余卓平【摘要】采用有限元方法研究汽车盘式制动器发生蠕动颤振时的非线性动力学特性.制动钳振动的时域、频域和相图特征的仿真与试验结果均非常相似,验证了仿真模型的正确性.分析发现盘块摩擦副会交替地处于黏着和滑动两种状态,每个周期内的能量转换关系也符合典型的黏滑振动特征,从黏着转变到滑动状态时接触面内各节点存在复杂的状态转化过程.发生颤振时,盘块间切向摩擦力随着黏滑振动周期在最大静摩擦力和滑动摩擦力间波动.制动钳切向振动加速度幅值最大,呈现明显的阶次关系;黏滑振动频率与系统的固有频率非常接近,振型也非常相似,证明黏滑振动与系统固有属性密切相关.【期刊名称】《汽车工程》【年(卷),期】2018(040)008【总页数】10页(P926-934,988)【关键词】盘式制动器;蠕动颤振;黏滑振动;有限元法;整车试验【作者】张立军;徐杰;孟德建;余卓平【作者单位】同济大学汽车学院,上海 201804;同济大学智能型新能源汽车协同创新中心,上海 201804;;【正文语种】中文前言汽车制动器摩擦颤振是一种在极低车速和较低制动压力下,由制动器摩擦振动激发的非线性振动噪声问题[1-3]。
近年来,随着全球范围内自动变速汽车的加速普及,和城市交通拥堵情况日益加剧,制动器摩擦颤振问题日益突出,成为困扰工业界和学术界的前沿难题。
制动颤振的发生机理复杂,影响因素众多,大多数研究认为制动盘-摩擦块间的黏滑自激振动是引起制动颤振的根本原因[4-5]。
为了更深入地分析摩擦颤振的关键影响因素,获得有效的控制措施,建立面向对象的制动器摩擦颤振模型,进行制动颤振性能预测与改进措施评价,正在成为业界的研究热点问题。
目前,针对制动颤振的仿真主要包括基于多体动力学和有限元方法的瞬态动力学分析。
多体动力学模型一般包含制动器以及转向节、下摆臂等悬架部件[6],部分模型还通过集总弹簧和质量来模拟轮胎[7]。
基于有限元分析的机动车制动摩擦片结构设计与性能优化研究
基于有限元分析的机动车制动摩擦片结构设计与性能优化研究机动车制动摩擦片是车辆制动系统中至关重要的部件之一。
其质量和性能直接影响着车辆的制动效果和安全性。
因此，基于有限元分析的机动车制动摩擦片结构设计与性能优化研究具有重要的意义。
本文将从设计原理、有限元分析方法和性能优化三个方面进行探讨，并提出一种基于有限元分析的机动车制动摩擦片结构设计与性能优化的研究方案。
1. 设计原理机动车制动摩擦片通常由基材、摩擦材料和结构层组成。
设计原理包括选材原则、结构参数设计和制动摩擦特性研究等方面。
首先，选材原则是制动摩擦片设计的基础。
根据制动的工作温度、负荷条件和耐磨性要求，我们需要选择合适的基材和摩擦材料。
基材要求具有良好的强度和热传导性能，摩擦材料需要具备较高的摩擦系数和耐磨性。
其次，结构参数设计是制动摩擦片设计的关键。
摩擦片的结构参数包括片厚、尺寸和形状等。
这些参数直接影响着制动力的大小和分布情况。
通过有限元分析，可以优化结构参数，以实现制动力的均匀分布和最大化。
最后，制动摩擦特性研究是为了揭示摩擦片的工作机制和性能特点。
制动过程中，摩擦片会受到高温和高压力的作用，从而产生摩擦磨损和热应力。
通过有限元分析，可以模拟制动过程中的摩擦特性，并对摩擦片材料的性能进行优化。
2. 有限元分析方法有限元分析是一种常用的工程数值分析方法，广泛应用于结构设计和性能优化领域。
在机动车制动摩擦片的结构设计与性能优化研究中，有限元分析可以用于模拟制动过程的热传导、应力分布和变形情况，以及摩擦片材料的磨损特性和耐热性能。
有限元分析的基本步骤包括几何建模、网格划分、边界条件和材料参数设置、求解和结果分析等。
在摩擦片的有限元分析中，需要考虑到制动过程中瞬态热传导、非线性材料性质和接触力的影响。
通过调整模型参数和边界条件，可以得到摩擦片在制动过程中的温度分布、应力分布和变形情况。
此外，有限元分析还可以与其他工程软件进行耦合，如计算流体力学软件和优化设计软件。
有限元法在分析制动盘损坏原因中的应用
鉴
定பைடு நூலகம்
实
践
Ｆｏ ｒ ｅ ｎｓ ｉ ｃ Ｐｒ ａｃ ｔ ｉ ｃ ｅ
．
一
通 事故 坚 定是一 种行之 有效的 方法 ， 并 且 具 有 良好 的 应 用 前 景
关键 词 ： 有限元； 交通 事故 ； 制 动盘 ： 应 力分 析 中图分 类号 ： Ｕ ４ ９ １ ＿ ３ 文献标 志码 ： Ａ ｄ ｏ ｉ ：１ ０ ． ３ ９ ６ ９ ￣ ． ｉ ｓ ｓ ｎ ． １ ６ ７ １ — ２ ０ ７ ２ ． ２ ０ １ ３ ． ０ ５ ． ０ ｌ ５
文 章 编 号 ：ｌ ６ ７ １ — ２ ０ ７ ２ 一 （ ２ ０ １ ３ １ ０ ５ — ０ ０ ６ ４ — ０ ４
Ｔｈ ｅ Ａｐｐ ｌ ｉ ｃ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ Ｆｉ ｎ ｉ ｔ ｅ Ｅｌ ｅ ｍｅ ｎｔ Ｍｅ ｔ ｈｏ ｄ ｉ ｎ ｔ ｈ ｅ Ｄａ ｍａ ｇ ｅ Ｃａ ｕｓ ｅ Ａｎ ａｌ ｙ ｓ ｉ ｓ ｏ ｆ Ｂｒ ａｋ ｅ Ｄｉ ｓ ｃ
Ｐ ＡＮ Ｓ ｈ ￣ ｕ ） 一 ｙ Ｏ Ｉ ｔ ｌ ２ Ｆ Ｅ Ｇ Ｈａ ｏ ｜ Ｚ ＨＡＮＧ Ｚｈ ｉ — Ｙ ｏ ｎ ｇ ＂ ｜ Ｃ ＨＥＮ １ ｉ ａ ｎ— Ａ ｍｏ
．
Ｉ ｉ ． ［ ｎ ， ｓ ｔ ｉ ｔ ｕ ｌ ｅ ｏ ｊ Ｆ ０ ｒ ｆ 】 ｔ ｃ Ｓ ｃ ｉ ｅ ｎ ｃ ｅ ， Ｍｉ ｎ ｉ ｓ ｔ ｒ ｙ ｏ ｆ Ｊ ｕ ｓ ｔ ｉ ｃ ｅ ， Ｓ ｈ ． ｎ ｇ ｈ ￣２ ０ ０ ６ ３ Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ； ２ ． Ｓ ｃ ｈ ｏ ｏ ｌ ｏ ｆ Ｍｅ ｃ ｈ ａ ｎ ｉ ｃ ａ ｌ Ｅ ｎ ｇ ｉ ｎ ｅ ｅ ｒ ｉ ｎ ｇ ， Ｓ ｈ ａ ｎ ｇ ｈ ａ ｉ
基于有限元方法的动车组车轮安全性能评估
基于有限元方法的动车组车轮安全性能评估随着动车组运行速度的不断提高，对其走行部件安全性能的要求也不断提高，科学合理地评估动车组车轮安全性能势在必行。
动车组车轮在结构上虽然为一个整体，但各部位结构差异较大，在运行过程中各部位所起的作用也不相同，而且车轮在实际运行过程中受力复杂，既有轮轨间的接触力（包括横向力和纵向力），还有轮轴配合部位产生的约束力及通过轴承传递的整个车体的重量（垂向力），上述各种载荷还会因线路、速度及外界环境等因素的变化而发生变化，因此，对车轮安全性能进行评估难度较大，欧洲标准[1]推荐采用有限元方法对车轮辐板部位的安全性能进行评估。
基于欧洲标准，为满足车轮运营安全性，本文提出了基于有限元分析软件ANSYS 的动车组车轮有限元模型的建立及静强度和疲劳强度的分析计算，从而对车轮安全性能进行评估。
首先根据车轮名义尺寸建立车轮的有限元模型，然后根据车轮结构对称性确定加载平面并按照标准给出的工况及工况载荷对各加载面进行加载计算，通过有限元计算结果并结合车轮结构特点选择合理的强度准则对车轮进行静强度及疲劳强度计算，从而得出车轮强度最薄弱的部位，在该部位附近区域粘贴应变片对该实体车轮进行疲劳试验验证，将疲劳试验的结果与有限元计算结果进行比较，比较结果验证了有限元计算结果的正确性。
1有限元模型的建立1.1模型的建立以某型号动车组动车车轮为例，依据车轮产品图纸及材料特性，参数弹性模量E 为210MPa ，剪切应变酌为0.29[2]，用ANSYS PLANE182平面轴对称单元建立车轮的二维有限元模型，见图1。
考虑到车轮毂孔部位的圆弧仅为满足结构或使用上的要求而设置，并非根据强度要求而存在，为了便于有限元网格的划分，将该部位的圆弧过渡简化为直线连接过渡。
整个车轮的三维有限元模型采用ANSYS SOLID 185结构单元[3]，见第48页图2。
文章编号：1674-9146(2020)06-047-05贺妍收稿日期：2020-04-09;修回日期：2020-05-08作者简介：贺妍（1982-），女，山西文水人，工程师，主要从事轮对产品设计开发研究，E-mail ：****************。
基于有限元分析的机动车制动摩擦片热响应分析
基于有限元分析的机动车制动摩擦片热响应分析机动车制动摩擦片是汽车制动系统中至关重要的部件之一。
它们通过摩擦力将车辆的动能转化为热能，以实现制动效果。
然而，在长时间的制动过程中，摩擦片会产生大量的热量，这可能会导致热膨胀和变形，进而影响制动性能。
因此，对于机动车制动摩擦片的热响应进行分析和评估非常重要。
本文将基于有限元分析方法，对机动车制动摩擦片的热响应进行分析。
首先，我们需要了解有限元分析的基本原理。
有限元分析是一种数值分析方法，通过将复杂的结构或物体划分为许多小的有限元素，然后利用数学方程和力学原理来模拟和分析结构的行为。
在本次分析中，我们将以机动车制动摩擦片为对象，使用有限元网格将其离散化，然后应用热传导方程来计算其温度分布。
其次，我们需要收集机动车制动摩擦片的材料参数和工作条件。
对于有限元分析，材料参数的准确性对于结果的可靠性至关重要。
因此，我们需要获取摩擦片的导热系数、比热容和密度等相关数据。
此外，我们还需要了解制动时的摩擦片工作条件，如摩擦片的接触压力和相对滑动速度等。
接下来，我们可以开始建立有限元模型并进行分析。
首先，我们需要使用CAD软件绘制摩擦片的几何形状，并将其导入有限元分析软件。
然后，我们可以选择适当的有限元类型和网格划分方法来离散化模型。
在进行网格划分时，我们需要根据摩擦片的几何特征和分析精度进行合理的划分。
完成网格划分后，我们还需要将摩擦片的材料参数导入模型。
接下来，我们可以通过设置适当的边界条件和加载条件来模拟制动过程。
边界条件包括摩擦片与制动鼓或制动盘之间的接触热阻和传热系数等，并且可以根据实际情况进行设置。
然后，我们可以通过施加制动力或转动制动盘来加载摩擦片，并模拟摩擦片的热响应过程。
完成这些设置后，我们可以开始进行热响应分析。
根据热传导方程和初始条件，有限元分析软件将自动求解模型的温度分布。
通过观察分析结果，我们可以判断摩擦片的热传导情况和温度分布情况是否合理。
如果摩擦片的温度超过了其材料的极限温度，那么可能会发生热膨胀和变形现象，对制动性能造成影响。
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图 7 多种工况制动盘温度场、应力场分析结果
度 仍 不 断 升 高 ，但 盘 内 温 度 梯 度 增 加 并 不 快 ，应 力 上 升趋于平缓，应力最高点出现时间比温度最高点提前
4 结论
10 s 左右，因为制动中期 盘内温度分布较制动初期
综上所述，从制动盘所能承受的温度和热应力角 度 出 发 ，考 虑 制 动 盘 抗 热 应 力 能 力 ，该 制 动 盘 适 应 最
制动减速度及轴重的增加而增加。
知 ，制 动 盘 摩 擦
② 动车组制动初速度300 km/h，轴重14t、制动减速
面附近应力集中
度0.9 m/s2和轴重15 t、制动减速度0.7 m/s2，这2种制动
明 显 ，原 因 在 于
工 况 下 ，制 动 盘 摩 擦 面 已 经 达 到 允 许 温 度 极 限 ，有 可
2009 年第 5 期 2009 年 9 月 10 日
机车电传动 ELECTRIC DRIVE FOR LOCOMOTIVES
№ 5, 2009 Sep. 10, 2009
研
基于有限元法的动车组
究
制动盘制动能力分析
开
顾磊磊，左建勇，朱剑月，吴萌岭
发 （同ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ大学 铁道与城市轨道交通研究院，上海 200331）
男，硕士研究生，从事轨道 车辆制动与安全技术的研 究与开发。
能力。
关键词：有限元法；制动盘；温度场；应力场；动车组
中图分类号：U266.2；U260.35 文献标识码 ：A 文章编号：1000-128X(2009)05-0007-03
Research of EMUs Disc Braking Ability Based on Finite Element Method
摩擦区域表面温
能在制动盘摩擦表面形成热裂纹。
度高于非摩擦区
③ 轴重14 t、制动初速度为300 km/h、制动减速度
域，在径向、周向
为0.8 m/s2 以上的一次制动工况下，制动盘摩擦面应力
产生很大温度梯
图 5 轮盘应力分布图
已经超过合金锻钢的屈服强度，但均未达到其强度极
度，使得制动盘摩擦区域向径向和周向膨胀，又受到机械 限。轴重15 t，制动初速300 km/h、350 km/h、380 km/h的
才能保护制动盘的使用安全。
性的中间相，容易引起应力集中。
由图 5（b）可知，制动盘长筋板靠
盘 毂 侧 应 力 较 大 ，原 因 在 于 筋 板 上
下 端 存 在 很 大 温 度 差 ，而 盘 毂 处 制
动 过 程 中 升 温 不 明 显 ，随 着 盘 体 的
膨 胀 ，温 度 较 低 的 盘 毂 约 束 着 盘 体
的 径 向 变 形 ，使 应 力 集 中 在 盘 毂 根
热 量 由 外 径 侧 向 内 径 侧 ，由 摩 擦 面 向 内 部 传 导 ，形 成
温度梯度，散热筋具有较好的热传导和热对流散热作
用，减小了制动盘温度梯度。
由图4 可知，在初速度300 km/h 的制动过程中，制
动盘摩擦面温度变化历程分 3 个阶段：第一阶段，制动
初期，列车速度快，动能大，制动盘转速快，瞬间产生
制动过程中，制动盘还将受到闸片压力、摩擦力、 离心力以及振动等载荷作用。由于振动载荷与轨道谱 有关，对制动影响较小且计算复杂，这里不作考虑。 2.2.2 温度场、应力场分析
锻钢材料制动盘的极限耐温为 630℃，抗拉强度为 980 MPa，屈服强度840 MPa[6]。为研究该锻钢制动盘制 动能力，分别进行在14 t 和15 t 轴重下，当制动初速度 为200 km/h、250 km/h、300 km/h、350 km/h与380 km/h，以 0.6 m/s2、0.7 m/s2、0.8 m/s2、0.9 m/s2与1.0 m/s2为5个不同 的平均减速度制动时，制动盘的温度场和应力场的有 限元仿真。
制动盘散热筋实体模型如图 2（a ），包括长筋板和 短筋板2 种类型散热筋，长筋板根部有螺栓安装孔。制 动盘有限元实体模型如图 2（b）所示，制动盘通过螺栓 安装在车轮上，车轮外形对研究制动盘温度场分布影 响不大，因此进行简化，轮缘部分只用平面圆周代替。
制动盘有限元网格划分如图 2（c ）所示。进行制动 盘温度场分析时，采用 8 节点 6 面体和 5 面体实体单元 (Solid70) 进行网格划分。进行制动盘应力场分析时，将 热分析单元Solid70 转换为结构分析单元Solid45，制动 盘应力应变场分析采用多线性随动强化弹塑性模型。 车轴附近制动盘固定螺栓的弹性销采用弹簧阻尼单元 (Combin14)模拟。
(a)盘散热筋 实体模型
—8—
(b)制动盘局有限元 实体模型
（c）制动盘有限元 网格模型
图 2 轮盘有限元模型
2.2 温度场、应力场计算与分析
2.2.1 边界条件和载荷分析 制动盘摩擦热量耗散方式有热传导、热对流和热
辐射 。边界 条件 的确 定参 考文 献[ 4 ] 。选用摩 擦功率模 型作为制动盘热输入的模型。按照摩擦功率法计算得 出热量载荷通过热流密度均匀加载到摩擦面上。按摩 擦力做功的 9 0% 被制动盘吸收来计算[5]。将各参数通 过表格或公式输入ANSYS 有限元模型中。
作者简介：顾磊磊（1983-），
摘 要 ：采用 ANSYS10.0有限元软件，建立了制动盘三维对称循环有限元模型，对不同制动初 速度、减速度和载重条件下，紧急制动过程中的三维瞬态温度场和热应力场进行仿真和分析，得出了 给定条件下制动盘温度、应力情况，并从制动盘所能承受的最高温度和最大应力两方面分析了其制动
的 摩 擦 热 急 剧 增 加 ，制 动 盘 来 不 及 散 热 ，摩 擦 表 面 温
度 急 剧 升 高 ，热 量 由 表 面 向 内 部 ，由 外 径 侧 向 内 径 侧
传 递 ； 第 二 阶 段 ，制 动 过 程 中 期 ，随 着 列 车 速 度 的 下
降 ，摩 擦 生 热 和 制 动 盘 散 热 效 果 逐 渐 趋 于 平 衡 ，制 动
GU Lei-lei, ZUO Jian-yong, ZHU Jian-yue, WU Meng-ling
(Institute of Railway and Urban Mass Transit, Tongji University, Shanghai 200331)
Abstract: Based on the highly nonlinear finite element analysis software ANSYS10.0, a coupled thermo-mechanical three-dimensional model of brake disc is built. Transient temperature field and stress field of brake disc are simulated and analyzed in different initial velocities, accelerations and axle weights in state of emergency braking. The states of the brake disc temperature and stress under the given condition are obtained by simulation. Based on these result, the abilities of the brake disc are analyzed.
本文以我国高速动车组采用的锻钢制动盘为研究 对象，采用 ANSYS 有限元分析软件，分析其在多种工 况下一次制动过程中温度场和应力场分布情况和温 度、应力上升规律，进而分析该制动盘的制动能力。
1 典型动车组锻钢制动盘介绍
锻 钢 材 料 常 温 和 高 温 机 械 性 能 好 ，韧 性 好 ，抗 热
—7—
部 位 置 ，这 要 求 螺 栓 有 较 高 的 拉 伸
强度和疲劳强度。
由图 6 可知，应力上升也是分 3 个
阶段：制动初期，应力急剧上升，因
为 制 动 刚 开 始 ，热 量 在 盘 内 传 递 范
围 有 限 ，而 制 动 盘 摩 擦 面 温 度 上 升
较快，使应力急剧增加；制动中期，
随 着 热 量 在 制 动 盘 内 传 导 ，虽 然 温
盘温度上升速度减缓，达到最高温度；第三阶段，制动
后期，列车速度变慢，热量输入进一步减小，制动盘的
热量耗散超过了热量输入，温度开始下降。
由于最高温度已经达到 630℃，接近锻钢材料的极
限耐温，该制动盘有产生热裂纹的可能。
第5期
顾磊磊，左建勇，朱剑月，吴萌岭：基于有限元法的动车组制动盘制动能力分析
由图5（a）可
图 1 轮盘和轴盘
2 锻钢制动盘有限元热分析
本文采用ANSYS 软件热- 结构的间接耦合法计算 一次制动过程中制动盘的瞬态温度场与热应力分布， 确定盘体的最高温度和热应力水平，通过与材料性能 比较确定该制动盘是否有失效的危险。分析时采用一 个统一的有限元模型来进行热分析和结构分析，热模 型和结构模型间无需进行数据转换处理，既减少了计 算量又提高了计算精度。 2.1 制动盘有限元模型
通过计算，轴重14 t，制动初速度300 km/h，制动减 速度0.8 m/s2，一次制动工况下，制动盘最高温度达到 极限温度。该工况下温度场分布见图 3 和图 4，应力场 分布见图5 和图6。
图 3 制动过程中轮盘最高 温度时温度场分布（正视）
图 4 轮盘摩擦面温度 最高点温度变化曲线
由图 3 可知，制动盘温度最高的区域为摩擦表面，
收稿日期：20 09 - 0 4 - 0 3
制动过程中，制动盘与闸片摩擦短时间内产生大 量热量，造成制动盘温度急剧升高，产生温度梯度，并 在制动盘内部产生热应力，反复作用就会产生热疲劳， 一 旦 超 过 材 料 的 强 度 极 限 ，就 会 产 生 裂 纹 ，造 成 制 动 盘的破坏并影响行车安全。因此制动盘的高温工作性 能是制动盘制动能力研究的重点，研究制动盘紧急制 动过程中的瞬态温度场和应力场分布对研究制动盘制 动能力具有参考意义。