Компьютерное моделирование кинетики тепловых процессов в элементах дискового тормоза

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Компьютерное моделирование кинетики тепловых процессов в элементах дискового тормоза

Важное место в расчете нестационарных температурных полей, возникающих в деталях дискового тормоза при торможении, занимает контактная задача [1-3]. Интенсивность теплового потока, выделяемого на поверхностях торможения, определяется распределением давлений между накладками и диском, и скоростью движения вагона.

Особенность контактной задачи для башмака и диска состоит в том, что определяющее влияние на законы распределения контактных давлений оказывают конструкция накладок, способы соединения колодки с башмаком, а также накладок с пластиной колодки [4]. В процессе торможения законы распределения контактных давлений могут меняться из-за температурных деформаций элементов тормоза.

В работе выполнены исследования нестационарных температурных полей с допущением о постоянстве распределения давлений во времени на поверхности торможения. Температурная задача для диска решалась в предположении постоянства температур в окружном направлении. Для ее решения могла бы использоваться осесимметричная расчетная схема, представляющая собой осевое сечение диска. Для такой схемы требуется распределение давлений в радиальном направлении.

При решении задачи задавались следующие краевые условия. По поверхности торможения - подвод и отвод тепла, по другим поверхностям - отвод тепла, для других неконтактирующих узлов - никаких специальных краевых условий не задавалось, что обеспечивало учет симметрии схемы относительно этих плоскостей. Информация о температурах и напряжениях выдавалась для узлов, расположенных в плоскости у = 0. Температура окружающей среды принималась равной 0°С.

Для проведения компьютерного моделирования кинетики тепловых процессов для элементов дисковых тормозов сделаем следующие допущения. Моделирование проводим в режиме экстренного торможения поезда, при этом максимальная конструкционная скорость тележек модели 48-6075 составляет 160 км/ч. По данным Тверского института вагоностроения коэффициент трения между накладками и венцом в процессе торможения довольно стабилен и может быть принят постоянным и равным 0,25 [5]. Другие постоянные величины принимались в соответствии с конструктивными особенностями электропоездов: радиус вагонного колеса по кругу катания - 0,475 м, для нестационарного процесса - шаг интегрирования по времени 5 с. Из анализа результатов решения максимальное значение температуры для накладок 1439°С получается на поверхности трения на 30 с, для венца максимальное значение температуры 426°С получается также для узлов на поверхности трения на радиусе 220 мм, в момент времени 43 с (рис. 1, 2).

Рис. 1. Распределение температуры по длине венца на 43 с

Рис. 2. Распределение температуры по толщине венца на длине 220 мм (43 с)

Если мысленно представить конечно-элементную расчётную схему температурной задачи как некоторую зависимость вектора узловых температур, аргументами которой является время и вектор приведенной тепловой мощности, а конечно-элементную расчётную схему температурной задачи как зависимость вектора узловых эквивалентных температурных напряжений от аргумента - вектора узловых температур, то сопоставление исходных данных и результатов расчёта может дать представление о характере этих зависимостей.

Построим распределение силовой составляющей приведенной тепловой мощности и распределение температур вдоль радиуса, проходящего через центр кольцевой проточки под разрезные кольца, в моменты времени 20, 43 и 80 с (рис. 3). Прослеживается сходство между видом силовой составляющей приведенной мощности и распределением температуры вдоль радиуса, особенно на начальных моментах времени. К концу торможения максимум на графике температуры 3 уже не приходится на один из максимумов графика мощности 4, а находится между ними. Это происходит потому, что по истечении времени кинематическая составляющая уменьшается вследствие торможения, что приводит к меньшей зависимости температуры от поступающей тепловой мощности и большей зависимости от процесса теплопроводности внутри объёма и от граничных условий теплоотдачи.

Температура в окружном направлении из-за неосесимметричности венца несколько выше в области посадки втулок, чем в точках на том же радиусе между соседними такими областями, где теплопередача осуществляется через металл венца. На более удалённых радиусах температуры в окружном направлении практически одинаковы.

Рис. 3. Распределение вдоль радиуса венца температуры для моментов времени: 1 - 20 с; 2 - 43 с; 3 - 80 с; 4 - силовая составляющая приведенной тепловой мощности

температурный торможение теплота тормоз

Для исследования изменения температуры в накладке и венце во времени выберем узлы, где температуры достигают максимальных значений, а также узел с максимальными напряжениями растяжения. Соответствующие кривые показаны на рис. 4. Следует отметить наличие максимумов внутри временного интервала для узлов, лежащих на поверхности трения, что также связано с падающим во времени значением тепловой мощности. Превышение в узлах мощности теплоотдачи над подводимой мощностью приводит к падению температуры в этих узлах.

Достижение максимума температуры для накладок раньше, чем для венца, и следующий за ним более интенсивно падающий участок можно объяснить значительно большим значением коэффициента температуропроводности для накладок, чем для венца (рис. 1).

Рис. 4. Зависимости изменения во времени температуры в узлах с её максимальными значениями для накладок (а) и венца (б) для узлов: 1 - на поверхности трения; 2 - на посадочной поверхности под втулки

Изменение температуры в узле с максимальным напряжением растяжения (кривая 2, рис. 4, б) связано с конечностью скорости распространения теплоты, что отражается на задержке во времени наращивания температуры в начальные моменты времени и сдвиге момента достижения максимума, реализации его в конце временного интервала, своего рода тепловая инерция. Распределение температур по толщине венца вдоль линии, содержащей узел с максимальным значением температуры, для моментов времени 20, 43 и 80 с показано на рис. 5. Более равномерное распределение температуры, которое наблюдается в конце временного интервала (кривая 3, рис. 5) несмотря на высокую абсолютную величину, влечёт за собой значительно более низкий уровень напряжений в области сжатия.

Рис. 5. Распределение для венца температур на поверхности трения по глубине в моменты времени: 1 - 20 с; 2 - 43 с; 3 - 80 с

На рис. 3 и 5 видно, что к концу торможения уровень температур на поверхности трения остаётся достаточно высоким. В зоне посадки под втулки температуры по толщине хоть и выравниваются, но уровень их довольно высок. Все это связано с равномерностью прогрева венца по глубине в конце интервала времени торможения.

Для конечно-элементной модели со слабым отклонением от осевой симметрии при достаточной для вступления в силу граничных условий длительности подвода тепловой мощности получено поле температур практически близкое к осесимметричному (рис. 1), что удовлетворяет условию дальнейшего равномерного подвода теплоты в окружном направлении и доказывает правомерность использования схемы осесимметричного теплового нагружения в такой схеме. При таком подходе используется крупный шаг при интегрировании и соответствующая ему сравнительно большая ширина конечных элементов в окружном направлении, что значительно сокращает размерность конечно-элементной схемы и, соответственно, время расчёта.

Литература

1. Байбакова Е.Н. Тепловое состояние дискового тормоза высокоскоростного подвижного состава: автореф. дис. …канд. техн. наук. - Л.: ЛИИЖТ, 1986. - 22 с.

2. Сакало В.И., Коссов В.С. Контактные задачи железнодорожного транспорта. - М.: Машиностроение, 2004. - 496 с.

3. Берри Г., Барбер Д. Распределение тепла, выделяемого при трении, - путь к изучению природы контактных явлений при скольжении // Труды американского общества инженеров-механиков. Серия «Проблемы трения и смазки». - 1984. - №3. - С. 83-96.

4. Вигак В.М. Оптимальное управление нестационарными тепловыми режимами. - К.: Наукова думка, 1979. - 359 с.

5. Вуколов Л.А. Сравнительные характеристики железнодорожных колодок различных поставщиков / Л.А. Вуколов, В.А. Жаров // Вестник ВНИИЖТ. - №2. - 2005. - С. 16-20.

Размещено на Allbest.ru