电磁式磁轨制动器极靴喷水降温数值模拟

摘要

制动系统作为高速列车九大关键技术之一，它对列车的运行安全有着重要的影响。在制动系统中增加电磁式磁轨制动器，能够有效减小紧急制动距离，提高列车的制动安全。电磁式磁轨制动器极靴在工作过程中因摩擦产生的高温导致极靴磨损严重，进而影响其使用寿命。为了减轻极靴在制动过程中的磨损，本文研究了列车在制动过程中电磁式磁轨制动器极靴喷水降温的数值模拟，主要研究工作如下:
　　首先，针对极靴在工作时会产生高温，提出极靴喷水降温的方法，并建立电磁式磁轨制动器极靴喷水降温的数学物理模型。基于有限元法，对物理模型进行网格划分，并分析极靴喷水降温数值模拟时，需要加载的边界条件类型和相关边界条件及其它参数在商业软件Fluent中的具体设置。
　　其次，结合电磁式磁轨制动器样机的性能参数和CRH2动车组的结构参数，基于高速列车在制动初速度为250km/h的紧急制动工况，建立电磁式磁轨制动器/钢轨摩擦生热模型，详细计算其热负荷，利用有限元软件进行温度场仿真。仿真结果表明，电磁式磁轨制动器极靴的最高温度是1299.06K，制动结束时，最高温度是809.55K，并且高温区域主要分布在极靴表面。数值模拟结果说明极靴在制动时总是工作在高温环境中，导致极靴表面磨损严重。
　　再次，针对极靴在摩擦生热中的数值模拟结果，确定极靴喷水降温对减轻极靴磨损有重要意义，同时利用商业软件Fluent对极靴喷水降温过程进行数值模拟。仿真结果表明，在液膜厚度分别为0.5mm、1mm和1.5mm的三种工况下，液膜厚度为0.5mm的工况具有最好的降温效果。在极靴两端底部，此工况的最高温度比未喷水工况的最高温度低489.95K，当制动结束时此工况的最高温度比未喷水工况的最高温度低369.98K。
　　最后，为了进一步提高极靴喷水降温效果，通过增加极靴两端表面微结构，建立三种不同强化表面（矩形、三角形和梯形）的喷水降温模型。仿真结果表明，微结构是矩形的工况具有最好的降温效果。在制动结束时极靴两端底部，此工况的最高温度比未喷水工况的最高温度低391.92K，其它两种强化表面也具有很好地降温效果，分别低386.26K和388.48K。为了深入研究矩形参数（宽度、高度和矩形数目）变化对极靴喷水降温的影响，通过改变矩形微结构的参数，进行相同的数值模拟。仿真结果表明，增加矩形的数目能对极靴喷水降温起到加强作用，而其他两种参数的变化对极靴喷水降温有抑制作用。
　　本论文的研究结论可以为极靴喷水降温提供重要的理论基础，并且对减轻极靴磨损和延长其使用寿命有重要的实际工程意义。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 高速铁路发展概况

1．1．1 国外高速铁路发展概况

1．1．2 国内高速铁路发展概况

1．2 高速列车的制动方式

1．3 降温对电磁式磁轨制动器的意义

1．4 论文结构安排及课题研究的内容和目的

1．4．1 论文结构安排

1．4．2 本文研究的主要内容

第二章 极靴喷水降温的数学物理模型

2．1 极靴喷水降温数学物理模型

2．1．1 数学模型

2．1．2 物理模型

2．1．3 极靴喷水降温的有限元模型

2．2 载荷与边界条件

2．3 商业软件Fluent理论基础

2．3．1 流体的基本控制方程

2．3．2 UDF的基本理论和应用

2．3．3 商业软件Fluent前处理具体设置

2．4 本章小结

第三章 CRH2动车组磁轨制动器和钢轨摩擦生热分析

3．1 物理模型

3．2 载荷与边界条件

3．3 计算结果与分析

3．3．1 电磁式磁轨制动器温度场云图

3．3．2 钢轨温度场云图

3．4 本章小结

第四章 极靴喷水降温数值模拟

4．1 物理模型和数值计算

4．2 计算结果与分析

4．3 喷水量的计算

4．4 本章小结

第五章 极靴不同强化表面喷水降温数值模拟

5．1 极靴不同形状的强化表面

5．2 物理模型与数值计算

5．3 极靴不同强化表面的仿真结果与分析

5．3 矩形槽道参数的变化对极靴喷水降温的影响

5．4 本章小结

第六章 结论与展望

6．1 本文结论

6．2 后续展望

参考文献

致谢

研究生期间发表的学术论文及申请的专利