УДК 621.81.004.1:624.04

СРАВНЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ТЕРМОУПРУГОГО РАСЧЁТА

СПЛОШНОГО ТОРМОЗНОГО ДИСКА СКОРОСТНОГО ВАГОНА

И САМОВЕНТИЛИРУЮЩЕГОСЯ ДИСКА ТИПА «KNORR-BREMSE»

ДЛЯ РЕЖИМА ЭКСТРЕННОГО ТОРМОЖЕНИЯ

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.

НЕ нашли? Не то? Что вы ищете?

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 (λ=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.

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.

а)

б)

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

Деталь

Материал

E,

ГПа

μ

a10-5,

К-1

r,

кг/м3

с,

Дж/(кг×К)

λ,

Вт/(м×К)

10-5,

м2/с

Диск

(сплошной)

Сталь 20Х13

(ГОСТ 5632-72)

220

0,26

1,05

7660

461

26

0,74

Диск (самовентил.)

Чугун

160

0,267

1,05

7660

500

45

1,18

Втулка

Сталь 55С2-3Г

(ГОСТ 14959-79)

220

0,26

1,05

7660

490

45

1,2

Ступица

Сталь ОС

(ГОСТ 4728-96)

220

0,26

1,05

7660

490

45

1,2

Ось

Сталь ОС

(ГОСТ 4728-96)

220

0,26

1,05

7660

490

45

1,2

а)

б)

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)

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 бóльшая часть тепловой мощности торможения, при этом коэффициент распределения теплового потока повысится для диска и уменьшится для накладок.

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.

а)

б)

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.

а)

б)

в)

г)

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.

а)

б)

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, материалы на базе углерод-углеродных и углерод-асбестовых волокон для тормозных устройств / , , // Железные дороги мира.–2006.– №2.

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

3.  Чугун: справ. изд. / под ред. , .–М.:Металлургия, 1991.–576 с.

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

5.  Марочник сталей и сплавов / , , [и др.]; под общ. ред. .–М.: Машиностроение, 1989.–640 с.

6.  Марочник сталей и сплавов / , , [и др.]; под общ. ред. .–2-е изд., доп. и испр.–М.: Машиностроение, 2003.–784 с.

Материал поступил в редколлегию10.06.11.