摘要
制动系统是保障动车组安全运行的重要组成部分，制动盘是制动系统的核心部件，在制动过程中起着至关重要的作用。列车在制动时会产生大量的热量导致制动盘的温度升高，严重影响着列车的制动性能，进而影响行车安全，因此改善制动盘的散热性能对提高制动系统的制动能力极为重要。设计良好的散热结构将热量及时散发出去是改善制动盘散热性能的有效途径，受限于传统的制造工艺，现阶段所设计的制动盘散热筋结构比较单一，散热效率较低，而增材制造技术可以打破制造技术对制动盘结构设计的局限。本论文以CRH5型动车组拖车制动盘为研究对象，对其散热筋结构及增材制造工艺参数进行研究并试制，主要内容如下: （1）基于传热学基础与有限元分析软件，采用数值模拟的方法计算并分析了制动盘在一次紧急制动过程中温度场、热应力场的变化。遵循模型简化的原则（物理的真实性与数学计算的可行性）对制动盘模型进行合理简化，并建立三维模型。采用能量折算法计算了动车组以250km/h的速度运行时在一次紧急制动过程中所产生的热量，进而求得热流密度作为有限元分析的热载荷;建立制动盘不同部位的对流换热模型分别求得制动盘摩擦面、制动盘圆周面、散热筋的强迫对流换热系数作为有限元分析的边界条件并进行热分析。结果表明，制动进行到66s左右时制动盘温度升至最高，最高温度为472.3℃，位于制动盘摩擦面，并且呈阶梯状分布;制动进行到81s左右时，制动盘热应力达到最大，其值为195.9MPa,位于制动盘内缘。 （2）基于温度场、热应力场的分析结果，借鉴自然界高效的散热结构，设计了带有弧形槽散热筋（A型）、矩形槽散热筋（B型）、V形槽散热筋（C型）的制动盘结构。分别对三种新型制动盘进行了有限元热分析与静强度评价，结果表明，新型制动盘均可有效抑制紧急制动过程中的温升、减小应力峰值，且满足静强度要求。其中B型制动盘的效果最佳，摩擦面最高温度较传统制动盘降低12.7℃，应力峰值减小24.3MPa。 （3）鉴于新型制动盘散热筋的结构特点及增材制造技术的优势，进行了新型制动盘的增材制造仿真、工艺参数寻优与实体成型。设计以激光功率、扫描速度、激光直径、层厚、底板温度5项工艺参数为实验因素的五因素四水平的正交试验，采用Ansys Additive软件进行新型制动盘的增材制造仿真，以残余应力与变形量为增材制造成型质量的评价指标，采用极差分析法对仿真结果进行分析，获得了成型质量较优的工艺参数组合:激光功率为100W、扫描速度为2500mm/s、激光直径为110μm、层厚为40μm、底板温度为70℃。在该工艺参数组合下成型的制动盘残余应力较整体试验所得结果的平均值分别降低了 18.3％、变形量降低了 10.9％。 本文所设计的三款新型制动盘散热性能较传统制动盘均有提升，其中具有矩形槽状散热筋的制动盘散热效果最为显著，该制动盘结构较为复杂，因此考虑采用增材制造技术成型。通过仿真验证了优化后的工艺参数组合可大幅提升制动盘成型质量，并进行了试制。
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