Сравнение результатов термоупругого расчёта сплошного тормозного диска скоростного вагона

Размещено на http://www.allbest.ru/

УДК 621.81.004.1:624.04

Сравнение результатов термоупругого расчёта сплошного тормозного диска скоростного вагона

А.А. Мишин

Методом конечных элементов выполнен термоупругий расчёт двух вариантов тормозного диска - сплошного конструкции Тверского вагоностроительного завода и самовентилирующегося типа «Knorr-Bremse» - для режима экстренного торможения. Проведен сравнительный анализ результатов расчёта.

Ключевые слова: метод конечных элементов, экстренное торможение, термоупругий расчёт, тормозной диск.

Развитие высокоскоростного пассажирского сообщения предполагает оснащение вагонов эффективными тормозными системами. Применение колодочного торможения ограничивается скоростями движения: для чугунных колодок - 140 км/ч (в связи с падением коэффициента трения между колодкой и колесом), для композиционных - 160 км/ч (в связи с чувствительностью к внешним условиям) [1]. К тому же нагрев поверхности катания колеса способствует образованию на ней трещин и влияет на значение коэффициента трения системы «колесо-рельс» [2]. Оптимальная же по ряду параметров скорость составляет около 350 км/ч [1]. При дисковом торможении нагревание диска ограничивается лишь его механическими свойствами при максимальной температуре и усталостной долговечностью. Не последнюю роль в достижении допускаемых максимальных значений температуры и напряжений для материала диска играет его конструкция, а именно решения, направленные на повышение интенсивности теплообмена, как внешнего, так и внутреннего.

Тормозной диск, применяемый на тележках Тверского вагоностроительного завода моделей 68-4075 и 68-4095, представляет собой сплошной диск из стали 20Х13. Наряду с положительным свойством - высокой коррозионной стойкостью - эта сталь имеет низкую внутреннюю теплопроводность (л=26 Вт/(м•К)), что приводит к появлению повышенных температур на поверхности трения диска.

Самовентилирующийся чугунный диск немецкой фирмы «Knorr-Bremse» выполнен как единое целое и состоит из двух щёк, соединенных между собой короткими сплошными стержнями небольшого диаметра в количестве нескольких сотен. Стержни распределены равномерно по площади щёк с сохранением необходимого пространства для прохождения обдувочного воздуха. торможение термоупругий скоростной

На рис.1 приведены конечноэлементные схемы сплошного и самовентилирующегося дисков. В схемах учтены симметрия дисков относительно трёх плоскостей декартовых координат, симметричность теплового нагружения, а также возможность наложения связей. При решении температурной задачи использовалась схема, в которую входили фрагмент оси колёсной пары 1, ступица 2, втулки 3, тормозной диск 5. Термическое сопротивление в контакте с втулками учтено введением слоя конечных элементов малой толщины 4 с низким коэффициентом теплопроводности. В решении упругой задачи использовалась схема только тормозного диска 5. Термоупругая задача решалась для двух вариантов тормозного диска, сплошного и самовентилирующегося, с одинаковыми граничными и начальными условиями:

- движение поезда задаётся как равнозамедленное со скорости 200 км/ч до полной остановки в течение 80 с, сила нажатия на накладку принимается равной 21 кН, режим торможения соответствует экстренному;

- мощность торможения вычисляется на основе эпюры контактных давлений между диском и тормозной накладкой от силы 21 кН и текущего значения скорости при коэффициенте трения 0,25;

- 69% всей мощности торможения подаётся на диск как равномерно распределённая в окружном направлении величина;

- теплообмен посредством конвекции и излучения осуществляется всеми свободными поверхностями и частью поверхности трения, не находящейся под накладкой;

- в отсекающих плоскостях симметрии накладываются связи в направлениях соответствующих нормалей к ним, тепловые граничные условия в плоскостях выполняются автоматически;

- температура окружающей среды и начальная температура диска принимается 20?С.

Выбор для расчёта условий работы тормоза в режиме экстренного торможения обусловлен возникновением максимальных температур и напряжений на этом режиме.

Рис. 1. Конечноэлементные схемы деталей дискового тормоза: а - вариант со сплошным диском; б - самовентилирующийся диск

Характеристики материалов деталей тормоза приведены в таблице. Для самовентилирующегося диска характеристики материала были выбраны в соответствии со средним значением коэффициента температуропроводности для ковкого чугуна и чугуна с вермикулярным графитом и близким к верхнему пределу для чугуна с шаровидным графитом [3].

Расчёты проводились с использованием специально разработанной автором компьютерной программы расчёта [4]. Распределение температур вдоль радиуса для сплошного и самовентилируюшегося дисков представлено на рис. 2.

Для обоих вариантов диска максимальные значения температуры достигаются на 45-й с для узлов, расположенных на поверхности трения на радиусе 220 мм. Для сплошного диска максимум составляет 426°С, для самовентилирующегося - 311°С (рис. 2). Построенная кривая приведенной тепловой мощности 4 (рис. 2) позволяет проследить некоторое сходство между распределением температур вдоль радиуса и ею самой, особенно в начальные моменты времени. К концу торможения максимум на графиках температур 3 уже не приходится на один из максимумов графика мощности 4, а находится между ними.

Таблица. Характеристики материалов деталей дискового тормоза

Сравнение графиков, приведенных на рис. 2, а и 2, б, показывает более низкие абсолютные температуры в самовентилирующемся диске, что благоприятно для работы не только диска, но и накладок, работающих с ним в паре. В менее нагретый диск будет уходить бульшая часть тепловой мощности торможения, при этом коэффициент распределения теплового потока повысится для диска и уменьшится для накладок.

Рис. 2. Распределение температур вдоль радиуса для сплошного (а) и самовентилирующегося (б) дисков для моментов времени: 1 - 20 с; 2 - 45 с; 3 - 80 с (4-силовая составляющая приведенной тепловой мощности)

Повышение температуры приводит к объёмному расширению материала и появлению температурных напряжений. Можно выделить две характерные области появления напряжений в тормозном диске: поверхность трения и цилиндрические посадочные поверхности под втулки. На поверхности трения, как в области с максимальными температурами, возникают напряжения сжатия, поэтому распределение эквивалентных напряжений в этой области по радиусу (рис. 3) сходно с распределением температур (рис. 2).

Максимум эквивалентных напряжений в области сжатия для двух вариантов тормозного диска достигается на 20-й с на радиусе 220 мм и для сплошного диска составляет 507 МПа, а для самовентилирующегося - 261 МПа.

Рис. 3. Распределение вдоль радиуса эквивалентных напряжений в области сжатия на поверхности трения для сплошного (а) и самовентилирующегося (б) дисков для моментов времени: 1 - 20 с; 2 - 45 с; 3 - 80 с

В области растягивающих напряжений максимальные эквивалентные напряжения для обоих вариантов тормозного диска возникают на 45-й с на дуге цилиндрической поверхности посадочного гнезда, находящейся в срединной плоскости симметрии тормозного диска (рис. 4, а, в). Распределения напряжений вдоль образующей посадочной поверхности приведены на рис. 4, б, г. Для сплошного диска максимум составляет 575 МПа, а для самовентилирующегося - 343 МПа.

Из сопоставления графиков следует, что значительно меньшие эквивалентные напряжения, вызванные растяжением, возникают в случае самовентилирующегося диска. Вид кривых на рис. 4, г остаётся одинаковым и равномерным по всей образующей с течением времени, что обусловлено удалённостью посадочной поверхности от поверхности трения в случае самовентилирующегося диска. В случае сплошного диска примыкание посадочной поверхности к поверхности трения и связанное с этим влияние температуры поверхности трения снижает растягивающие напряжения, что можно наблюдать на рис. 4, б, где напряжения с течением времени выравниваются.

По отдельно взятым распределениям температур и напряжений не так очевидна нагруженность областей тормозного диска. Если свести характеристики нагруженности для узлов в опасной области на одном графике, построенном в координатах «напряжения-температуры», и наложить на них экспериментально полученные диаграммы зависимости механических свойств материала от температуры, то можно получить более наглядное представление о нагруженности в выбранных узлах. На рис. 5 представлены такие графики для сплошного стального и самовентилирующегося чугунного дисков.

Рис. 4. Распределение эквивалентных напряжений в области растяжения: а - по дуге для сплошного диска; б - по глубине для сплошного диска; в - по дуге для самовентилирующегося диска; г - по глубине для самовентилирующегося диска (для моментов времени: 1 - 20 с; 2 - 45 с; 3 - 80 с)

Для сплошного диска, выполненного из коррозионно-стойкой стали 20Х13, имеем превышение условного предела текучести в точках областей сжатия и растяжения (рис. 5, а), а также отсутствие какого-либо запаса по отношению к кривой предела прочности [5;6].

Аналогичные кривые для самовентилирующегося диска, наложенные на кривые условного предела текучести и предела прочности для различных типов чугунов, показаны на рис. 5, б. Кривые для ковкого чугуна и чугуна с вермикулярным графитом (ЧВГ) пересекаются кривыми для узлов таким же образом, как для стали 20Х13 в случае сплошного диска. Даже если учесть, что предел прочности при сжатии у чугуна в несколько раз превышает предел прочности при растяжении, то всё равно остаётся опасный участок в зоне растягивающих напряжений 1 (рис. 5, б). Наибольшая несущая способность будет у тормозного диска при применении ферритного чугуна с шаровидным графитом (ЧШГ) (рис. 5б). Следует отметить, что в расчёте использовались средние для ЧВГ и ковкого чугуна характеристики материала и механических свойств [3]. При использовании специальных чугунов таких типов с повышенными требуемыми характеристиками в условиях конкретного производства возможно удовлетворение условиям прочности и для ковкого чугуна, и для чугуна с вермикулярным графитом. Некоторый резерв содержит конструкция самовентилирующегося диска, усилив ступичную часть которого можно снизить уровень напряжений в области растяжения.

Рис. 5. Зависимости эквивалентных напряжений от температуры в узлах в опасных областях для сплошного (а) и самовентилирующегося (б) дисков: 1-кривая для узла в области растяжения; 2-кривая для узла в области сжатия; 3, 4, 6, 8 - кривые условного предела текучести для ЧШГ, ЧВГ, ковкого чугуна и стали 20Х13 соответственно; 5, 7, 9 - кривые предела прочности для ЧВГ, ковкого чугуна и стали 20Х13 соответственно

В целом следует отметить, что применение самовентилирующегося тормозного диска позволяет снизить уровень температур, а при выполнении его из чугуна и уровень напряжений. Из свойств чугуна можно выделить и лучшую сопротивляемость коррозии по сравнению со слаболегированными сталями, имеющими такой же коэффициент температуропроводности, и лучшие литейные свойства по сравнению со сталями, что принципиально при изготовлении самовентилирующегося диска.

Список литературы

1. Старченко,В.Н. Фрикционные материалы на базе углерод-углеродных и углерод-асбестовых волокон для тормозных устройств / В.Н.Старченко, В.А.Гурин, В.П.Быкадоров, Е.Н.Шапран // Железные дороги мира.-2006.- №2.

2. Жаров,И.А. Температуры на пятнах контакта системы «колодка-колесо-рельс» при торможении экипажа / И.А.Жаров, С.Б.Курцев // Вестн. ВНИИЖТ.-2008.-№3.-С. 34-39.

3. Чугун: справ. изд. / под ред. А.Д.Шермана, А.А.Жукова.-М.:Металлургия, 1991.-576 с.

4. Мишин,А.А. Моделирование нестационарных температурных полей с использованием совместных конечноэлементных схем / А.А.Мишин // Вестн. ВГТУ.-2009.-Т. 5.-№10.- С. 54-59.

5. Марочник сталей и сплавов / В.Г.Сорокин, А.В.Волосникова, С.А.Вяткин [и др.]; под общ. ред. В.Г.Сорокина.-М.: Машиностроение, 1989.-640 с.

6. Марочник сталей и сплавов / А.С.Зубченко, М.М.Колосков, Ю.В.Каширский [и др.]; под общ. ред. А.С.Зубченко.-2-е изд., доп. и испр.-М.: Машиностроение, 2003.-784 с.

Размещено на Allbest.ru