复杂流场环境下高速列车制动盘组动态特性及其对运行列车影响研究

随着高速列车运行速度的提高，制动盘组的热容问题随之凸显，同时制动盘组与运行列车间的耦合也随之加剧，目前还没有关于从系统的角度对制动盘组相关科学问题进行研究的报道。.项目拟首先在建立高速列车运行过程近地面车下复杂流场模型的基础上，通过分析制动盘组部分的流场变化规律，研究制动盘组的散热与热应力等动态特性问题；然后结合制动盘组运动学动力学模型，分析制动盘组构成与牵引功率消耗之间的定量关系，提出减小制动盘组对运行列车影响的设计方法与理论依据；最后，基于系统建模、分析与综合理论，创新性的提出高速列车制动盘组空气流场引导机构设计方案，并分析其主动散热和增加非粘制动的能力。.项目研究将为完善高速列车制动盘组的系统设计提供科学依据。

运行的高速列车近地面空间将形成一个复杂流场，该流场直接作用在车底各部件（包括制动盘组）并相互作用。项目首先在建立运行高速列车近地面车下复杂流场模型以及制动盘组模型基础上，以提出制动盘组优化方向为目标，围绕两大问题展开：1.通过流场耦合仿真，研究制动盘组力作用耦合规律，从降阻与提高制动能力角度提出制动盘组的优化方向；2.通过耦合传热分析，揭示制动盘组的动态对流散热系数变化以及瞬态散热规律，从热容量角度提出制动盘组的优化方法与评价指标。研究成果为高速列车制动摩擦副的系统研究提供了理论支撑。具体来讲：. 运用模型划分与重构的仿真处理方法，解决了运行列车近地面车下复杂流场、制动盘组、轨道地面等系统建模仿真问题；首次揭示了高速列车车下复杂流场与制动盘组间的力作用耦合规律，分析了典型配置下制动盘组对牵引功率消耗的定量关系。当设定列车以0.8m/s2提速到300km/h后惰行20s，再紧急制动。仿真表明300km/h时列车阻力69.3kN，车下部分尤其转向架附近流场分布各异，阻力约占33.6%；制动盘周围空气域复杂、“泵风效应”明显，由于制动盘阻力和阻力矩消耗牵引功率分别为230.31kW、421.82kW；空车惰行工况下因制动盘阻力和阻力矩消耗牵引功1.3×107焦，占总牵引功率近24.1%。因此从降阻与提高制动能力角度优化制动盘非常必要，为此提出了“堵/通”式制动盘组泵风主动引导机构思路，仿真表明优化后轮盘和轴盘阻力矩可分别降低90%和60%，改善明显。. 基于耦合传热法建立了制动盘组的瞬态温度、应力场仿真模型，解决了考虑复杂运行工况下制动盘温度、应力场的全息仿真问题，揭示了制动盘组的动态对流散热系数分布和瞬态散热变化规律。以300km/h紧急制动为例仿真表明：制动盘摩擦面温度经历了先增大再减小的过程；摩擦面径向中间位置在54s达到最高温度528.3℃，在34s达到最大热应力485.5Mpa；制动盘表面对流散热系数在空间上分布复杂，且随时间变化；前20s制动盘散热筋温升较小，对流散热贡献不大。基于此提出了加强制动前期散热筋温升速率、减缓制动后期对流散热下降速率的制动盘优化方向，提出了“对流散热效率”指标的制动盘优化评价方法。完成了提高制动盘导热系数、减小制动盘摩擦面与散热筋之间壁厚2个案例的优化与评价。同时仿真设计出了具有椭圆切向叉排形式的制动盘散热筋优化案例。