高速列车制动盘表面对流换热系数的研究进展.doc

高速列车制动盘表面对流换热系数的研究进展金 星，魏秀琴(兰州交通大学机电工程学院 甘肃 兰州 730070)（Tel ：15101319858 Email：945949129@.com）摘要：随着列车运行速度的提高，动能急剧增加，制动时产生的热能也大大增加，巨大的制动热负荷使制动盘产生很大的温度梯度,因此制动盘在表面的对流换热系数的大小，直接影响制动盘在制动过程中的散热程度如果制动盘各表面散热不好，则容易发生制动失效和热裂纹等因此，很多学者通过数值和实验的方法得到制动盘表面对流换热系数的规律本文将详细介绍制动盘表面对流换热特性的研究现状，并对最新的研究现状作了分析关键词：制动盘；摩擦表面；旋转圆盘；传热；对流换热系数The study development of Convective heat transfer coefficient on the surface of the high-speed train brake discJin Xing, Wei Xiu-Qin(School of Mechatronic Engineering, Lanzhou Jiaotong University, Lanzhou 730070, China)( Tel：15101319858 Email：945949129@.com)Abstract: With the increasing of train speed, the kinetic energy of train increases dramatically, also the heat energy produced by breaking process increases greatly. The huge heat load produced by breaking of the brake disc makes large temperature gradient, thus the convective heat transfer coefficient on the surface of the brake disc affects the degree of heat transfer directly in the process of braking. If the heat transfer on the surfaces of the brake disc is very weak, it leads to various thermal cracks, brake failure and so on. Therefore, many researchers get the law of the convective heat transfer coefficient on the brake disc surface through numerical and experimental methods. This paper will present the research status of convective heat transfer characteristics on the brake disc surface detailly and analyse the latest research status.Keywords: brake disc; friction surface; rotating disc; heat transfer; convective heat transfer coefficient0.简介制动盘又名“刹车盘” ，它是以端平面为摩擦工作面的圆盘形运动部件。

20 世纪初盘型制动机的成功问世，为高速列车的实现提供了必要条件，盘型制动不但具有良好的摩擦性能，而且列车停车平稳、制动距离短、维护方便近些年，世界高速旅客列车基础制动均采用盘形制动，某些国家在高速重载货物列车上也开始采用盘形制动装置我国九十年代初开始研究盘形制动，对制动盘的材质、结构及制动闸片的材质作了大量研究列车的制动装置及制动形式是保证列车安全运行的关键问题之一制动系统的优劣直接影响了动车组的安全性和舒适性以及部件的轻量化和维修量,而制动盘是制动系统中技术含量最高的零件之一因此，高速列车无论在陡坡制动还是停车制动，车辆的制动系统都是至关重要的目前对于制动盘表面对流换热系数的研究，最主要的有三种：其一，将制动盘表面的对流换热等效为流体外掠平板；其二，将实验旋转圆盘试件放在风洞里进行实验研究；其三，基于旋转圆盘在静止空气中的研究，得到制动盘表面的对流换热系数的规律1. 制动盘表面的对流换热等效为流体外掠平板关于制动盘热应力、应变及摩擦磨损的研究中,多数研究者 [1-11]把制动盘表面对流换热按如下几何体的对流传热等效：制动盘摩擦面等效为流体外掠平板，用已知公式（1）,这样，根据对应几何体，确定制动盘各表面的对流换热系数，基于该系数得到制动盘上的温度和其它参数。

由于所确定的换热系数没有可靠的理论依据，从而大大降低了研究结果的可靠性1）1/2/30.64()PrauxhL式中,Pr为普朗特数; λa为空气导热系数，W/(m K);L为壁面长度, m;u∞ 为空气流动速度,m/s; ν为空气的运动粘度,m 2/s2. 将实验旋转圆盘试件放在风洞里进行实验研究目前对于制动圆盘表面对流换热特性的研究基本上是将旋转圆盘放在风洞里，通过调节空气的流速和旋转圆盘的转速，从而得到旋转圆盘表面的对流换热系数的规律，然后把这种规律推广到制动盘的散热过程He Yan 等人 [12-13] 在风洞中采用热质比拟原理，对风吹旋转圆盘的对流换热规律进行了研究，得到了圆盘表面无量纲因次方程式（2） 基于该公式来研究制动盘表的温度、热应力、热变形等相关参数，应该相对来说比较可靠2）0.925.8RecNu（3）()/crV式中 Rec为局部雷诺数，公式（3） ，可以发现改雷诺数既考虑了旋转又考虑了风吹3. 空气以一定速度横掠圆盘的实验研究关于旋转圆盘在不同工况下的研究，有很多学者做了大量的研究其中最主要的有三种工况三种工况分别是：将旋转圆盘放在静止空气中；空气以一定速度横掠静止圆盘；空气以一定速度横掠旋转圆盘。

通过阅读最新的文献，发现 Latour 等人 [14-15]通过红外线的方法，对以上三种工况做了详细的实验研究，并且得到了对应工况的下旋转圆盘表面的对流换热系数的大小3.1 旋转圆盘在静止空气中Latour 等人 [16-17]通过实验的方法，得到旋转圆盘在空气中的对流换热系数的关联式如下：(3)0.50.6UNuRe式中 Reω 为旋转雷诺数，其范围为：21500.77 (8)0.82=01.345uReNu(-7)公式（7）和公式（8）中的 Nuω=0 的计算方法为公式（5）.通过调节 Reω/Reu 的比值可以得到空气横掠旋转圆盘时其表面对流换热系数的大小当 Reω/Reu=1 时，该工况可以模拟为车轮（轮胎）的运动工况，即该结论也同样应用到滚动轮表面的对流换热系数的研究因此，本文认为 Latour 等人 [14-15]的实验研究结论具有很好的实用性，为制动盘以及车轮的表面的对流换热系数的大小提供了理论依据关于滚动轮表面对流换热系数的研究比较少，下面介绍一下最新的关于滚动轮表面对流换热系数的研究4.滚动轮表面对流换热系数的研究要想得到滚动轮表面对流换热系数的规律，必须建立与实际较接近的物理模型，吴渊等 [16]（ 2013）设计一个圆形的轨道，圆形的轨道的半径远远大于实验滚动轮的半径，让实验小轮在轨道上即旋转又前进，这种试验模型更接近实际工况。

他通过萘升华实验研究，得到滚动轮表面局部和平均对流换热系数的变化规律，并得到滚动轮表面对流换热系数的关联式（9） ，并将该关联式与 Latour 等人 [14-15 的结果做了对比，发现其结论相差不大9)0.67mNu.1Re式中 Num为平均努塞尔数，Re ω 为旋转雷诺数，利用公式（4）可以得到5.总结通过阅读大量文献发现，国内关于制动盘的传热特性的研究，大部分都是基于公式（1），进一步得到制动盘的温度，热应力，热变形等相关参数本文认为这样得到的结论距离实际工况相差甚远，不够合理若想得到制动盘表面局部对流换热系数及相关参数，本文推荐用 He Yan 等人 [12-13] 在风洞中采用热质比拟实验得到的关联式（2） 空气以一定流速横掠旋转圆盘来等效研究制动盘表面的对流传热特性，本文认为 Latour 等人 [14-15]得到的关联式（7）和（8）可以提供准确的理论依据对于滚动轮（车轮）表面的对流换热系数大小的理论依据，本文推荐用吴渊等 [16]（2013）通过传热传质比拟得到的关联式（9） ，因为其建立的实验物理模型更接近滚动轮的实际工况，得到的结论更具有理论依据参考文献[1] 丁 群,谢基龙.基于三维模型的制动盘温度场和应力场计算[J]. 铁道学报,2002,12, 24(6): 34-38.[2] 杨 莺，王 刚.基于三维模型的机车制动盘瞬态温度场仿真[J]. 机械仿真, 2005,10, 22( 10):225-227.[3] 李继山.高速列车合金段光制动盘寿命评估研究[D]. 铁道科学研究院博士学位论文,2006.6.[4] 陈德玲.高速轮轨列车制动盘热应力有限元研究[J]. 铁道学报,2006,4, 28(2):39-43.[5] 王晓东，陈 辉.高速列车制动盘的温度场、热应力场的数值模拟 [J]. 铁道车辆,2009,4,47(4):5-9.[6] 杨 强.列车制动盘温度场和应力场仿真与分析[D]. 北京交通大学硕士学位论文,2009,6.[7] 张乐乐，杨 强，谭南林，李卫京.基于摩擦功率法的列车制动盘瞬态温度场分析 [J]. 中国铁道科学,2010,1, 31(1):99-103.[8] 郭祥贵,高全庆.120km／h B型地铁车辆制动盘设计计算分析 [J]. 铁道车辆,2011,2,49(2):4-7.[9] 韩 江 ,吴萌岭,王 勇,刘 睿.新型磁浮式轨道巡检车制动盘温度场及热应力场分析 [J]. 同济大学电力机车与城轨车辆,2011,9, 34(5):13-17.[10] 张新芳.快速货车制动盘热应力分析[J]. 铁道机车车辆,2012,2,32(1):35-38.[11]农万华.基于闸片结构的列车盘形制动温度和应力的数值模拟及试验研究[D]. 大连交通大学博士论文,2012,6.[12] Y. He, L. X. Ma, S. Y. Huang, Convection heat and mass transfer from a disk, Heat Mass Transfer 41(2005)766–772.[13]何　燕，马连湘，黄素逸. 滚动轮胎表面对流换热系数的研究[ J].华中科技大学学报(自然科学版)2007,35（11）:28-30.[14] B. Latour, P. Bouvier, S. Harmand, Convective heat transfer on a rotating disk with transverse air crossflow, Journal of Heat Transfer 133 (2011) 021702-1–10.[15] B.Latour, S.Harmand, Local convective heat transfer identification by infrared thermography from a disk mounted on a cylinder in air crossflow, 11th International Confe。