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基于温度场、应力场的制动盘失效行为及寿命预测研究
| 论文题名： | 基于温度场、应力场的制动盘失效行为及寿命预测研究 |
| 关键词： | 制动盘;高速列车;温度场;应力场;偏磨机理;寿命预测 |
| 摘要： | 制动盘是高速列车重要的基础制动装置之一，其在服役过程中的安全可靠性直接影响到列车的运行安全。列车在制动过程中，制动盘受摩擦力与热应力的反复循环作用，经过长时间的服役，制动盘会产生疲劳导致制动效率下降甚至失效。磨损也是制动盘的失效原因之一，严重的磨损同样会大幅降低制动盘的制动效率，因此研究制动盘在制动过程中温度、热应力的分布规律以及制动盘磨损机理，并对制动盘的使用寿命进行预测，对高速列车行车安全有十分重要的意义。本文以24CrNiMo铸钢材料制动盘为研究对象，针对制动盘在制动过程中的温度场、应力场、磨损行为以及使用寿命进行了以下几个方面的研究： （1）基于Catia三维建模平台建立简化制动盘模型以及全尺寸制动盘模型，结合热-机耦合分析理论，利用ABAQUS有限元分析软件，对两种制动盘模型在多种不同工况下的温度及应力分布规律进行模拟，并将两种模型的模拟结果与相关试验结果对比，对比结果显示全尺寸制动盘模型模拟结果与实际结果偏差较小。为了避免结果偶然性，补充一组全尺寸制动盘模型模拟并与试验结果对比，结果仍然符合实际。在数值模拟过程中，制动盘模型的结构对模拟结果有较大影响，简化模型没有散热结构，出现局部温度过高的现象，全尺寸模型制动盘散热性能较好，盘体的温度及应力处于正常水平。 （2）采用全尺寸制动盘模型，模拟24CrNiMo铸钢材料制动盘在380km/h制动初速度紧急制动工况下，制动盘表面的温度及应力分布规律。制动过程持续94s，制动盘表面温度呈环状分布，最高温度环靠近制动盘外侧，最高温度为830℃。制动盘应力分布规律与温度分布规律基本一致，盘面最大等效应力为855MPa。 （3）基于制动盘温度场、应力场以及盘面法向热膨胀场，结合制动盘表面实际磨损形状，分析了制动盘的偏磨机理。制动盘在制动过程中会出现不均匀的温度分布，制动盘表面沿径向的温度梯度较大，盘面两侧温度高，中部区域温度低。盘面热膨胀受温度场影响，两侧膨胀较大，中部区域膨胀较小，膨胀大的部分与闸片接触更紧实，磨损严重，经过多次制动循环，制动盘表面呈两侧凹陷，中部略微凸起的“W”状。利用Manson-Coffin公式以及四点相关法总结出的经验公式，结合380km/h制动初速度紧急制动工况下的模拟结果以及24CrNiMo的材料热力学性能，预测制动盘在380km/h制动初速度紧急制动工况下的使用寿命，结果显示，制动盘的失效循环次数为1527次。 |
| 作者： | 莫立庸 |
| 专业： | 材料与化工 |
| 导师： | 祖国庆;邵南 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 长春工业大学 |
| 学位年度： | 2023 |
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