随着我国高速铁路运营里程的增加,国民经济得到快速发展,民生问题也大为改善。高铁建设和运营的首要目标是保障运行的安全、可靠,而实现该目标的关键设备就是基础制动装置。制动技术已成为影响高速铁路技术发展的重要因素之一。随着列车运行速度的提高,制动产生的热量也随之大幅增加,如何保障列车的安全减速,成为迫切需要研究、解决的问题。目前,高速列车以盘式制动为主,电阻或再生制动为辅。制动过程中,当电气制动突然失效时,摩擦制动系统就要承载巨大的热负荷冲击,这就要求制动盘具有较高的制动性能。盘式制动系统的性能主要取决于制动盘和闸片承受热容量、磨损以及散热的能力,热容量和磨损主要受摩擦面温度和应力的影响,制动盘良好的散热性能有助于降低制动盘表面的温度和热应力,保证高速列车实现安全停车或减速。本论文主要研究紧急制动工况下制动盘的散热性能,温度场和热应力场的分布和变化规律,为优化制动盘结构,改善制动盘的传热性能,实现高速列车安全运行提供依据。本文主要研究内容及结论如下:(1)采用数值模拟的方法对紧急制动过程中制动盘表面对流换热系数进行了分析。在ANSYS FLUENT软件中建立了流-固耦合传热模型,采用分区、边界耦合的方法求解,计算模型考虑了制动盘的转动和平动。采用瞬态分析,求解了紧急制动过程中制动盘各表面的对流换热系数分布及其随制动时间的变化规律。分析得出:制动过程中,制动盘周围空气形成复杂的涡结构流动,有助于对流散热;制动盘各表面的平均对流换热系数随制动时间的增长逐渐减小,制动结束时各表面平均对流换热系数接近于自然对流换热系数;除接近制动结束各时刻外,同一制动时刻,制动盘外径边缘迎风区的对流换热系数高于背风区的对流换热系数,而制动盘内径边缘处对流换热系数与外径边缘对流换热系数呈相反的变化趋势;制动盘各外表面处的平均对流换热系数高于内部通道各表面处的平均对流换热系数,而且外表面处随制动时间变化的平均对流换热系数要比其内部通道的稳定;通过网格独立性验证得出本次求解的数值结果比较精确。(2)应用ANSYS Workbench平台集成的ANSYS Transient Thermal和ANSYS Transient Structural计算模块分别建立制动系统的热-机耦合对称结构模型。确定计算边界条件为热流输入边界和对流散热边界。采用瞬态热分析,求解分析了250km/h高速列车在紧急制动工况下制动盘的温度场和热应力场的分布及变化规律,研究时还考虑了不同加载对流载荷的方法和不同材料对制动盘温度场和热应力场的影响。计算分析之后得出:使用输入制动盘各表面平均对流换热系数的方法加载对流载荷,计算得到在制动过程中制动盘的瞬时最高温度和瞬时最高热应力都随制动时间的增长先增大后减小。使用直接耦合方法加载对流载荷,计算得到的制动盘瞬时最高温度随制动时间的增长先增大后减小,最后又逐渐增大,得到的瞬时最高热应力却是随制动时间的增长先增大后减小,该种求解方法有助于反映制动盘制动时的实际热负荷情况。两种方法的求解结果对比分析得出,在整个制动过程中,制动盘的热应力峰值比温度峰值提前出现几秒,说明制动盘热应力的大小不仅仅与温度场有关,还与制动盘结构等有关;使用直接耦合方式加载对流载荷得到的制动盘温度峰值和热应力峰值都比以平均对流换热系数方式加载对流载荷求解的两个峰值出现的时间要提前,而且前者求解方法得到的温度峰值和热应力峰值要比后者求解方法得到的值低,说明以平均对流换热系数方式加载对流载荷求解的数据结果更为保守。对比分析不同材料对制动盘热负荷的影响,得出材料HT300和25Cr2MoV都不满足250km/h高速列车制动盘的性能要求,在选用制动盘材料时建议考虑具有抗拉强度和比热容大而热膨胀系数和弹性模量小的材料。