重载货车制动闸瓦温度场和应力场仿真分析-论文.pdf

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1、·机械研究与应用·2013年第5期(第26卷，总第127期)研究与分析重载货车制动闸瓦温度场和应力场仿真分析陈旭，肖绯雄(西南交通大学牵引动力国家重点实验室，四川成都610031)摘要：采用顺序耦合法对重载货车在长大下坡道上的踏面制动进行热一结构耦合分析，结果表明：摩擦热量主要集中于摩擦表面层，闸瓦温度和应力在制动过程中先升后降，但是应力最大值比温度最大值提前到达。仿真结果较真实的反映了整个过程中闸瓦的瞬态温度和应力变化情况，为闸瓦的使用寿命和疲劳分析提供了理论基础。关键词：热一结构顺序耦合；重载货车；闸瓦制动；热应力中图分类号：TH

2、123．4文献标志码：A文章编号：1007—4414(2013)05—0019—05SimulationAnalysisoftheTemperatureFieldandStressFieldoftheBrakeShoeoftheHeavy-LoadWagonCHENXu．XIAOFei—xiong(TractionPowerStateKeyLaboratory，SouthwestJiaotongUniversity，ChengduSichuan610031，China)Abstract：Thethermal—structureorde

3、rcouplingmethodisusedtoanalyzethetread-brakeoftheheavy—loadwagonunderlongrampbraking，ItSfoundthatfrictionalheatismainlyconcentratedonthesurfacelayer，thebrakeshoeStemperatureandstressincreasedfirstlyandthendecreased．Butthem~imumstressappearsbeforethemaximumtemperatureapp

4、ears．There—suhofsimulationaccuratelyresponsetothetransienttemperatureandstressesofthebrakeshoeinthewholeprocess．Itsup—pliesthetheoreticalbasisfortheanalysisoftheservicelifeandthefatiguelifeofthebrakeshoe．Keywords：thermal—structuralordercoupled；heavy—loadwagon；shoebrake；

5、heatstress1前言2数值仿真理论目前，我国货车的主要制动方式仍然是踏面制2．1传热学理论动。踏面制动用铸铁或其他材料制成的瓦状制动块2．1．1非稳态传热理论(闸瓦)紧压滚动着的车轮踏面，通过闸瓦与车轮踏由于踏面制动的温度场分析是三维非稳态传热面的机械摩擦将列车的动能转变成为热能，消散在大过程，故根据能量守恒原理，非稳态热平衡可以表示气中，并产生制动力，使得列车停车，如图1所示。为：[C]{}+[K]{T}={Q}(1)式中：[c]比热矩阵，考虑系统内能的增加；[K]传导矩阵，包含热传导系数，对流换热系数，辐射率和形状系数；{}

6、节点温度矢量；T温度对时问的导数；{Q}节点热流率矢量，包含热生成。2．1．2热传递方式热量传递三种基本方式J：导热、对流和辐射。当物体内部存在温度差，即存在温度梯度时，热图1踏面制动示意图量从物体的高温部分传递到物体的低温部分，具体表现在物体的传热系数A。而在长大坡道上的紧急制动，由于热量长时间输对流是指由于流体的宏观运动，从而使流体各部入，可能导致闸瓦和车轮踏面热胶合，影响列车的安分之间发生相对位移、冷热流体相互掺混所引起的热全行驶。量传递过程。对流换热可以分为自然对流和强制对因此本文以坡道10％e、轴重23t、列车制动换流。热对

7、流可以使用牛顿冷却公式表示：算率为0．3、进坡制动初速为90km／h的货车为研究q=h(Tw—Tv)(2)对象，运用大型有限元分析软件ANSYS对制动闸瓦式中：h为对流换热系数；Tw为固体表面的温度；TF进行有限元建模和热一机顺序耦合分析，验证所使用为周围流体的温度。闸瓦是否满足其标准要求。因热的原因而发出辐射能的现象称为热辐射。收稿日期：2013—09—02作者简介：陈旭(1988一)，男，江苏淮安人，在读硕士，主要从事机车车辆设计理论方向研究。·19·研究与分析2013年第5期(第26卷，总第127期)·机械研究与应用·物体温度越

8、高，单位时间辐射的热量越多。两物体之共同作用下的结构变形，可根据叠加原理求得；[]，间辐射净能量传递可以用斯蒂芬一波尔兹曼(Stefan—为温度变化引起的载荷；[F]为机械载荷。以两端约Boltzmann)方程来计算：束