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。