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列车盘式制动器温度场与振动模态的分析研究

作　者: 王国顺
导　师: 赵亮
学　校: 大连交通大学
专　业: 机械制造及其自动化
关键词: 盘式制动形状因子温度场模态分析
分类号: U270.35
类　型: 博士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

制动盘和闸片是高速列车盘式制动器的重要组成部分,本文在查阅大量相关文献的基础上,以制动盘和单个制动块组成的“基本制动元”为研究对象,应用有限元软件ABAQUS,建立了“基本制动元”模型,采用热—机耦合方法,研究了稳态制动温度场的变化规律,并进行了实验验证,提出了等面积制动块形状因子的概念,对制动盘和闸片进行了实模态分析,研究了结构和约束对制动盘和闸片固有频率的影响规律,为制动器减振降噪提供依据。以常用的圆形制动块与制动盘构成的摩擦副为研究对象,采用定速、恒压条件进行了制动温度场和接触压力的仿真分析。结果表明,制动盘和制动块的接触面温度变化曲线都呈现出锯齿状的变化特征,制动盘温度场云图由开始的尾巴形状,逐渐过渡到环带状,最后由斑点状高温区域相互连通而形成条带状分布。制动块温度场云图由开始的舌头状逐渐变为带状,温度向出口方向扩散,最后沿厚度方向辐射至整个模型上。制动温度场实验研究表明,模拟温度曲线和实验温度曲线趋势相同。说明使用“基本制动元”模型进行研究的方法是可行的,其结果也具有揭示过程本质特征的特点。提出了制动块等面积形状因子的概念,并进行了公式推导,即Fs=0.0174R·θ/L表达式中既包含了制动块关键要素,又包含了摩擦半径,所以能够比较全面的反映摩擦副之间的相互作用。形状因子描述的是一类图形的属性,等面积形状因子可以衡量制动块形状的区别,也可反映其在制动盘上的摆放位置不同。仿真结果对比分析表明,制动块形状因子越小,制动盘和制动块的温度越低；制动块形状因子越大,制动盘和制动块的温度越高。等面积制动块形状因子的提出为设计者提供了制动块形状设计的理论参考依据。研究了结构和约束对制动盘和闸片振动模态的影响,制动盘边缘处结构的改变对制动盘每一阶频率的影响趋势基本一致,约束的改变对频率大于5000Hz以上的模态影响敏感,设计者可以根据实际测量的噪声频率范围,通过改变结构或约束的方法,避开噪声频率,达到减振降噪的目的；制动块排列方式改变后,各阶频率都不同程度的变化,频率越高,变化越大,在约束数量不变的情况下,将闸片钢背的约束影响半径由原来的5mm增大到10mm,闸片的模态频率也随之增加,10KHz以内的增加幅度较小,大于10KHz的增加幅度较大,所以设计者可以通过改变制动块的排列和增大约束半径范围的方式改变所关心的模态振动频率。

全文目录

摘要  5-6
Abstract  6-11
第一章绪论  11-28
  1.1 高速列车国内外发展状况和列车盘形制动技术  11-15
    1.1.1 高速列车的发展概况  11-12
    1.1.2 列车盘式制动技术  12-15
  1.2 高速列车制动系统温度场仿真模拟研究现状  15-20
  1.3 高速列车制动系统振动噪声研究现状  20-26
  1.4 研究的主要内容和意义  26-27
  本章小结  27-28
第二章基于有限元法分析温度场的基本理论  28-40
  2.1 有限元法概述  28-31
    2.1.1 有限元法原理  28-30
    2.1.2 有限单元法的分析过程  30-31
    2.1.3 有限元分析基本步骤  31
  2.2 温度场的基本计算方程  31-32
  2.3 热-机耦合分析基本方程  32-33
  2.4 非线性有限元软件ABAQUS  33-34
  2.5 摩擦制动温度场计算过程中应注意的问题  34-39
    2.5.1 接触问题  34-36
    2.5.2 摩擦问题  36-38
    2.5.3 能量转换问题  38
    2.5.4 热分配问题  38-39
    2.5.5 磨损问题  39
  本章小结  39-40
第三章定速条件下制动温度场的仿真研究  40-64
  3.1 模拟方案  40-43
    3.1.1 基本假设  40
    3.1.2 建立模型  40-41
    3.1.3 参数确定  41-43
  3.2 仿真结果分析  43-55
    3.2.1 制动盘温度场仿真结果  43-50
    3.2.2 制动块温度场仿真结果  50-54
    3.2.3 制动盘与制动块温度最高点的温度变化曲线  54-55
  3.3 接触压力分析  55-56
  3.4 1000r/min下的仿真结果分析  56-58
  3.5 实验研究  58-62
    3.5.1 实验设计  58-59
    3.5.2 定速摩擦实验机  59
    3.5.3 实验结果分析  59-62
  本章小结  62-64
第四章制动块几何参数对温度场的影响研究  64-81
  4.1 研究背景  64
  4.2 等面积制动块形状因子及其意义  64-66
    4.2.1 等面积制动块形状因子  64-65
    4.2.2 等面积制动块形状因子的意义  65-66
  4.3 不同形状因子制动块对温度场的影响  66-76
    4.3.1 制动盘温度场分析  67-72
    4.3.2 制动块温度场分析  72-76
  4.4 制动块排列方式对温度场的影响  76-80
    4.4.1 制动块的摆放方式和模拟条件  76-77
    4.4.2 仿真结果分析  77-80
  本章小结  80-81
第五章制动盘和闸片的模态分析  81-97
  5.1 模态分析的意义  81-82
  5.2 模态分析的基本步骤  82-83
  5.3 模态分析的基本理论  83-84
  5.4 制动盘的模态分析  84-87
    5.4.1 制动盘的基本参数与建模  84-85
    5.4.2 制动盘的模态分析结果  85-87
  5.5 闸片的模态分析  87-96
    5.5.1 闸片的结构与种类  87-88
    5.5.2 闸片的材料参数  88-90
    5.5.3 闸片的模态分析结果  90-96
  本章小结  96-97
第六章结构和约束对制动盘和闸片实模态的影响分析  97-111
  6.1 问题的提出  97
  6.2 解决方案  97
  6.3 实施步骤  97-109
    6.3.1 制动盘的结构设计与模态分析  97-104
    6.3.2 闸片结构设计与模态分析  104-109
  本章小结  109-111
结论与展望  111-113
创新点摘要  113-114
参考文献  114-118
攻读博士学位期间发表的学术论文  118-119
致谢  119

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