70%低地板有軌電車(chē)制動(dòng)盤(pán)熱負(fù)荷特性及優(yōu)化策略研究一、緒論1.1研究背景與意義1.1.1研究背景隨著城市化進(jìn)程的加速，城市人口不斷增長(zhǎng)，交通擁堵和環(huán)境污染等問(wèn)題日益嚴(yán)重。在這樣的背景下，城市軌道交通作為一種高效、環(huán)保、節(jié)能的公共交通方式，得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用和發(fā)展。低地板有軌電車(chē)作為城市軌道交通的重要組成部分，以其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)在城市交通中扮演著愈發(fā)重要的角色。低地板有軌電車(chē)具有造價(jià)低、工期短、污染少、節(jié)能環(huán)保等顯著特點(diǎn)。其軌道可直接在現(xiàn)有馬路上鋪設(shè)，車(chē)輛在地面停靠，運(yùn)行系統(tǒng)建造成本僅為地鐵的1/4到1/3，極大地降低了城市交通建設(shè)的成本壓力，使得更多城市有能力發(fā)展軌道交通。同時(shí)，低地板設(shè)計(jì)使得車(chē)廂地板僅高出地面35-38厘米，與馬路牙子高度相當(dāng)，乘客抬腳就能上車(chē)，無(wú)需修建專(zhuān)用站臺(tái)，方便了乘客上下車(chē)，尤其是老人、兒童和殘疾人等特殊群體，提高了公共交通的可達(dá)性和便利性。此外，低地板有軌電車(chē)的出現(xiàn)，為城市交通提供了多樣化的選擇，能夠與其他交通方式（如地鐵、公交、自行車(chē)等）有效銜接，形成更加完善的城市綜合交通體系。在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，制動(dòng)系統(tǒng)是低地板有軌電車(chē)安全運(yùn)行的關(guān)鍵部件之一，而制動(dòng)盤(pán)則是制動(dòng)系統(tǒng)中的核心元件。當(dāng)車(chē)輛制動(dòng)時(shí)，制動(dòng)盤(pán)與制動(dòng)閘片相互摩擦，將車(chē)輛的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為熱能，從而實(shí)現(xiàn)減速和停車(chē)的目的。然而，在頻繁制動(dòng)或緊急制動(dòng)等工況下，制動(dòng)盤(pán)會(huì)承受巨大的熱負(fù)荷。大量的摩擦熱會(huì)使制動(dòng)盤(pán)溫度急劇升高，如果不能及時(shí)有效地散熱，制動(dòng)盤(pán)的溫度可能會(huì)超過(guò)其材料的承受極限，導(dǎo)致制動(dòng)盤(pán)產(chǎn)生熱疲勞裂紋、磨損加劇、變形甚至斷裂等問(wèn)題。這些問(wèn)題不僅會(huì)影響制動(dòng)盤(pán)的使用壽命，增加維護(hù)成本，更嚴(yán)重的是會(huì)導(dǎo)致制動(dòng)性能下降，危及行車(chē)安全。因此，深入研究70%低地板有軌電車(chē)制動(dòng)盤(pán)的熱負(fù)荷，對(duì)于保障車(chē)輛的安全運(yùn)行、提高制動(dòng)性能、降低運(yùn)營(yíng)成本具有至關(guān)重要的意義。1.1.2研究意義提升制動(dòng)性能：通過(guò)對(duì)70%低地板有軌電車(chē)制動(dòng)盤(pán)熱負(fù)荷的研究，可以深入了解制動(dòng)盤(pán)在不同制動(dòng)工況下的溫度分布規(guī)律和熱應(yīng)力變化情況?；谶@些研究結(jié)果，可以對(duì)制動(dòng)盤(pán)的結(jié)構(gòu)和材料進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高制動(dòng)盤(pán)的散熱性能和熱穩(wěn)定性，從而有效提升制動(dòng)系統(tǒng)的制動(dòng)性能。例如，合理設(shè)計(jì)制動(dòng)盤(pán)的通風(fēng)結(jié)構(gòu)，增加散熱面積，提高對(duì)流換熱效率，能夠降低制動(dòng)盤(pán)的溫度，減少熱衰退現(xiàn)象的發(fā)生，使制動(dòng)系統(tǒng)在各種工況下都能保持穩(wěn)定可靠的制動(dòng)效果。保障行車(chē)安全：制動(dòng)系統(tǒng)的可靠性直接關(guān)系到行車(chē)安全。制動(dòng)盤(pán)熱負(fù)荷過(guò)大引發(fā)的制動(dòng)盤(pán)故障，如熱裂紋、變形等，可能導(dǎo)致制動(dòng)失靈，引發(fā)嚴(yán)重的交通事故。研究制動(dòng)盤(pán)熱負(fù)荷，能夠提前發(fā)現(xiàn)潛在的安全隱患，制定相應(yīng)的預(yù)防措施和安全標(biāo)準(zhǔn)。例如，通過(guò)確定制動(dòng)盤(pán)的熱負(fù)荷極限，在車(chē)輛運(yùn)行過(guò)程中實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)制動(dòng)盤(pán)的溫度，當(dāng)溫度接近或超過(guò)極限值時(shí)，及時(shí)采取預(yù)警或制動(dòng)控制措施，避免制動(dòng)盤(pán)故障的發(fā)生，確保行車(chē)安全。降低維護(hù)成本：制動(dòng)盤(pán)是易損部件，其磨損和損壞需要定期更換和維護(hù)。過(guò)高的熱負(fù)荷會(huì)加速制動(dòng)盤(pán)的磨損和損壞，增加維護(hù)次數(shù)和更換頻率，從而導(dǎo)致維護(hù)成本大幅上升。通過(guò)研究制動(dòng)盤(pán)熱負(fù)荷，優(yōu)化制動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和運(yùn)行參數(shù)，可以延長(zhǎng)制動(dòng)盤(pán)的使用壽命，減少維護(hù)工作量和維護(hù)成本。例如，合理選擇制動(dòng)盤(pán)的材料和制造工藝，優(yōu)化制動(dòng)閘片的摩擦性能，使制動(dòng)過(guò)程中的熱量分布更加均勻，能夠降低制動(dòng)盤(pán)的磨損速率，減少維修和更換的次數(shù)，降低運(yùn)營(yíng)成本。1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.2.1低地板車(chē)輛發(fā)展現(xiàn)狀低地板車(chē)輛的發(fā)展歷程可以追溯到20世紀(jì)80年代。1984年，Duewag公司為日內(nèi)瓦制造的低地板車(chē)揭開(kāi)了低地板車(chē)發(fā)展的序幕。此后，低地板車(chē)輛技術(shù)不斷演進(jìn)，經(jīng)歷了多個(gè)發(fā)展階段。第一代低地板輕軌車(chē)在中間部分設(shè)低地板進(jìn)口，低地板大約占車(chē)長(zhǎng)的10%-15%，后經(jīng)改進(jìn)可達(dá)到車(chē)長(zhǎng)的50%。這類(lèi)車(chē)輛采用常規(guī)高轉(zhuǎn)向架和分段式低地板設(shè)計(jì)，車(chē)內(nèi)需要臺(tái)階過(guò)渡，以實(shí)現(xiàn)不同地板高度區(qū)域的連接。例如，龐巴迪為荷蘭阿姆斯特丹制造的輕軌車(chē)輛，低地板部分的地板高度為277mm，占整個(gè)地板長(zhǎng)度的13.5%。隨著技術(shù)的發(fā)展，第二代低地板輕軌車(chē)出現(xiàn)，其低地板部分約占整車(chē)的60%-70%。雖然車(chē)內(nèi)仍需要臺(tái)階向高地板區(qū)過(guò)渡，但低地板區(qū)域的擴(kuò)大，使得乘客在車(chē)內(nèi)的通行更加便利。這種輕軌車(chē)輛的中間走行部需要一種全新的安裝方式，以適應(yīng)低地板的設(shè)計(jì)要求。第三代低地板輕軌車(chē)則實(shí)現(xiàn)了質(zhì)的飛躍，動(dòng)力轉(zhuǎn)向架采用獨(dú)立輪對(duì)，取消車(chē)軸，使得動(dòng)力轉(zhuǎn)向架上方的中間通道也可以做成低地板，從而實(shí)現(xiàn)車(chē)輛內(nèi)100%低地板。這一設(shè)計(jì)消除了車(chē)內(nèi)的臺(tái)階，乘客可以在車(chē)內(nèi)自由通行，極大地提高了乘客的乘坐體驗(yàn)，尤其是對(duì)于老人、兒童和殘疾人等特殊群體來(lái)說(shuō)，更加方便和安全。70%低地板有軌電車(chē)作為低地板車(chē)輛的一種重要類(lèi)型，具有獨(dú)特的技術(shù)特點(diǎn)和廣泛的應(yīng)用情況。在技術(shù)特點(diǎn)方面，70%低地板有軌電車(chē)的低地板區(qū)域占比較大，通常采用獨(dú)立輪對(duì)轉(zhuǎn)向架技術(shù)，以滿足車(chē)輛在小半徑曲線運(yùn)行時(shí)的靈活性和穩(wěn)定性要求。獨(dú)立輪對(duì)轉(zhuǎn)向架能夠使車(chē)輪獨(dú)立旋轉(zhuǎn)，減少了輪軌之間的相互作用力，降低了車(chē)輪的磨損，提高了車(chē)輛的運(yùn)行平穩(wěn)性。同時(shí)，為了降低車(chē)輛自重，提高能源利用效率，70%低地板有軌電車(chē)的車(chē)體一般采用輕量化材料，如鋁合金等。鋁合金材料具有密度小、強(qiáng)度高、耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，能夠有效減輕車(chē)體重量，降低能耗，延長(zhǎng)車(chē)輛的使用壽命。在應(yīng)用方面，70%低地板有軌電車(chē)在國(guó)內(nèi)外多個(gè)城市得到了廣泛應(yīng)用。例如，在國(guó)內(nèi)的沈陽(yáng)沈撫新區(qū)，70%低地板有軌電車(chē)承擔(dān)著重要的公共交通任務(wù)。其低地板設(shè)計(jì)方便了乘客上下車(chē)，與周邊的城市環(huán)境相融合，成為城市交通的一道亮麗風(fēng)景線。在國(guó)外，德國(guó)、法國(guó)等歐洲國(guó)家的一些城市也大量使用70%低地板有軌電車(chē)。這些城市的有軌電車(chē)線路通常與其他公共交通方式緊密銜接，形成了高效便捷的城市綜合交通網(wǎng)絡(luò)。乘客可以方便地在有軌電車(chē)、地鐵、公交等交通工具之間換乘，提高了出行效率。1.2.2盤(pán)式制動(dòng)發(fā)展現(xiàn)狀盤(pán)式制動(dòng)在軌道交通領(lǐng)域的應(yīng)用范圍日益廣泛。目前，在城市軌道交通車(chē)輛中，如地鐵、輕軌等，盤(pán)式制動(dòng)已成為一種主流的制動(dòng)方式。以地鐵為例，許多城市的新建地鐵線路都采用了盤(pán)式制動(dòng)系統(tǒng)，以滿足地鐵車(chē)輛頻繁啟停、制動(dòng)距離短等運(yùn)行要求。在輕軌交通中，盤(pán)式制動(dòng)也因其優(yōu)越的性能而得到了廣泛應(yīng)用，有效提高了輕軌車(chē)輛的制動(dòng)安全性和可靠性。盤(pán)式制動(dòng)技術(shù)不斷發(fā)展，呈現(xiàn)出多種技術(shù)趨勢(shì)。一方面，制動(dòng)盤(pán)的材料不斷優(yōu)化，新型材料如粉末冶金、陶瓷基復(fù)合材料等逐漸應(yīng)用于制動(dòng)盤(pán)的制造。粉末冶金材料具有良好的摩擦性能和耐磨性，能夠在高溫下保持穩(wěn)定的制動(dòng)性能；陶瓷基復(fù)合材料則具有高硬度、低密度、耐高溫等優(yōu)點(diǎn)，可有效減輕制動(dòng)盤(pán)的重量，提高制動(dòng)效率。另一方面，制動(dòng)夾鉗的設(shè)計(jì)也在不斷改進(jìn)，朝著輕量化、緊湊化、智能化的方向發(fā)展。輕量化設(shè)計(jì)可以降低制動(dòng)系統(tǒng)的自重，減少能源消耗；緊湊化設(shè)計(jì)能夠節(jié)省車(chē)輛的安裝空間，提高車(chē)輛的空間利用率；智能化設(shè)計(jì)則可以實(shí)現(xiàn)制動(dòng)夾鉗的自動(dòng)控制和監(jiān)測(cè)，提高制動(dòng)系統(tǒng)的可靠性和安全性。相較于其他制動(dòng)方式，盤(pán)式制動(dòng)具有顯著的優(yōu)勢(shì)。首先，盤(pán)式制動(dòng)的摩擦接觸面積大，制動(dòng)力強(qiáng)。在相同的制動(dòng)條件下，盤(pán)式制動(dòng)能夠提供更大的制動(dòng)力，使車(chē)輛更快地減速和停車(chē)，滿足軌道交通車(chē)輛對(duì)制動(dòng)性能的要求。其次，盤(pán)式制動(dòng)的熱容量大，散熱性能好。在制動(dòng)過(guò)程中，制動(dòng)盤(pán)與制動(dòng)閘片摩擦產(chǎn)生的大量熱量能夠迅速散發(fā)出去，有效降低了制動(dòng)盤(pán)的溫度，減少了熱衰退現(xiàn)象的發(fā)生，保證了制動(dòng)性能的穩(wěn)定性。此外，盤(pán)式制動(dòng)的噪音較低，對(duì)周?chē)h(huán)境的影響較小。在城市軌道交通中，低噪音的制動(dòng)系統(tǒng)能夠提高乘客的乘坐舒適性，減少對(duì)沿線居民的干擾。而且，盤(pán)式制動(dòng)的閘瓦磨耗低，維修成本小。與傳統(tǒng)的踏面制動(dòng)相比，盤(pán)式制動(dòng)的閘瓦磨損速度較慢，更換周期長(zhǎng)，降低了車(chē)輛的維護(hù)工作量和運(yùn)營(yíng)成本。1.2.3制動(dòng)盤(pán)熱分析研究現(xiàn)狀國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)制動(dòng)盤(pán)熱分析進(jìn)行了大量的研究，采用了多種研究方法。數(shù)值模擬方法是目前研究制動(dòng)盤(pán)熱分析的主要方法之一，常用的軟件有ANSYS、ABAQUS、MSC.MARC等。通過(guò)建立制動(dòng)盤(pán)的有限元模型，利用這些軟件可以模擬制動(dòng)過(guò)程中制動(dòng)盤(pán)的溫度場(chǎng)分布、熱應(yīng)力變化等情況。例如，趙海燕等采用MSC.MARC有限元軟件分析了快速列車(chē)盤(pán)型制動(dòng)器瞬時(shí)溫度場(chǎng)的三維分布特征及制動(dòng)盤(pán)工作面的熱循環(huán)歷程，發(fā)現(xiàn)不同制動(dòng)工況下，閘片與制動(dòng)盤(pán)表面接觸的位置溫度分布不均勻，并隨著環(huán)境溫度的變化呈現(xiàn)整體平移。孟德建等建立了3維瞬態(tài)熱機(jī)耦合理論模型及有限元模型，分析緊急制動(dòng)工況下制動(dòng)盤(pán)瞬態(tài)溫度和法向應(yīng)力在徑向、周向和法向的分布特征，發(fā)現(xiàn)制動(dòng)壓力形成的法向載荷、摩擦力和熱變形之間形成復(fù)雜的熱-機(jī)耦合動(dòng)力學(xué)機(jī)制。除了數(shù)值模擬方法，實(shí)驗(yàn)研究也是制動(dòng)盤(pán)熱分析的重要手段。通過(guò)搭建制動(dòng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)，模擬實(shí)際制動(dòng)工況，測(cè)量制動(dòng)盤(pán)的溫度、熱應(yīng)力等參數(shù)，為數(shù)值模擬提供實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)支持，同時(shí)也可以驗(yàn)證數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性。例如，一些研究人員通過(guò)在制動(dòng)盤(pán)表面安裝熱電偶等溫度傳感器，實(shí)時(shí)測(cè)量制動(dòng)盤(pán)在制動(dòng)過(guò)程中的溫度變化，獲取了制動(dòng)盤(pán)的溫度分布規(guī)律。在研究成果方面，學(xué)者們通過(guò)對(duì)制動(dòng)盤(pán)熱分析的研究，揭示了制動(dòng)盤(pán)在制動(dòng)過(guò)程中的熱物理行為。研究發(fā)現(xiàn)，制動(dòng)盤(pán)的溫度分布與制動(dòng)工況、制動(dòng)時(shí)間、散熱條件等因素密切相關(guān)。在頻繁制動(dòng)或緊急制動(dòng)時(shí)，制動(dòng)盤(pán)的溫度會(huì)急劇升高，可能導(dǎo)致制動(dòng)盤(pán)產(chǎn)生熱疲勞裂紋、磨損加劇、變形等問(wèn)題。此外，還對(duì)制動(dòng)盤(pán)的熱應(yīng)力分布進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)熱應(yīng)力的大小和分布與溫度梯度、材料性能等因素有關(guān)。然而，當(dāng)前的研究仍存在一些不足。一方面，在數(shù)值模擬中，模型的簡(jiǎn)化和假設(shè)可能會(huì)導(dǎo)致模擬結(jié)果與實(shí)際情況存在一定的偏差。例如，在建立有限元模型時(shí)，對(duì)制動(dòng)盤(pán)與制動(dòng)閘片之間的接觸狀態(tài)、摩擦系數(shù)等參數(shù)的簡(jiǎn)化處理，可能會(huì)影響模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性。另一方面，實(shí)驗(yàn)研究受到實(shí)驗(yàn)條件的限制，難以完全模擬實(shí)際運(yùn)行中的復(fù)雜工況。例如，實(shí)驗(yàn)臺(tái)的制動(dòng)工況可能無(wú)法涵蓋所有的實(shí)際運(yùn)行情況，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)結(jié)果的代表性不足。未來(lái)的研究可以在改進(jìn)模型、完善實(shí)驗(yàn)方法等方面進(jìn)行拓展，以更準(zhǔn)確地研究制動(dòng)盤(pán)的熱負(fù)荷問(wèn)題。例如，進(jìn)一步優(yōu)化有限元模型，考慮更多的實(shí)際因素，如制動(dòng)盤(pán)與制動(dòng)閘片的接觸非線性、材料的熱物理性能隨溫度的變化等；同時(shí)，開(kāi)展更多的實(shí)際工況實(shí)驗(yàn)研究，獲取更豐富的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，為制動(dòng)盤(pán)的熱分析提供更堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。1.3研究?jī)?nèi)容與方法1.3.1研究?jī)?nèi)容制動(dòng)盤(pán)熱負(fù)荷產(chǎn)生機(jī)制：深入剖析70%低地板有軌電車(chē)在制動(dòng)過(guò)程中，制動(dòng)盤(pán)與制動(dòng)閘片之間的摩擦生熱原理。從微觀角度分析摩擦表面的相互作用，探討摩擦力、摩擦系數(shù)等因素對(duì)熱量產(chǎn)生的影響。研究不同制動(dòng)工況，如正常制動(dòng)、緊急制動(dòng)、連續(xù)制動(dòng)等情況下，制動(dòng)盤(pán)所承受的熱負(fù)荷特性，包括熱負(fù)荷的大小、分布以及變化規(guī)律。例如，在緊急制動(dòng)時(shí)，制動(dòng)盤(pán)瞬間承受的熱負(fù)荷會(huì)大幅增加，其熱負(fù)荷的分布可能會(huì)出現(xiàn)不均勻的情況，需要詳細(xì)研究這種不均勻分布對(duì)制動(dòng)盤(pán)性能的影響。制動(dòng)盤(pán)熱分析理論基礎(chǔ)：系統(tǒng)闡述傳熱學(xué)中的導(dǎo)熱、對(duì)流和輻射原理在制動(dòng)盤(pán)熱分析中的應(yīng)用。分析制動(dòng)盤(pán)內(nèi)部的導(dǎo)熱過(guò)程，研究熱量在制動(dòng)盤(pán)材料中的傳遞規(guī)律，以及不同材料的導(dǎo)熱性能對(duì)制動(dòng)盤(pán)溫度分布的影響。探討制動(dòng)盤(pán)與周?chē)諝庵g的對(duì)流換熱機(jī)制，分析空氣流速、溫度等因素對(duì)對(duì)流換熱系數(shù)的影響，進(jìn)而研究對(duì)流換熱對(duì)制動(dòng)盤(pán)散熱的作用。同時(shí)，考慮制動(dòng)盤(pán)表面與周?chē)h(huán)境之間的輻射換熱，分析輻射換熱在制動(dòng)盤(pán)熱傳遞過(guò)程中的貢獻(xiàn)。此外，研究熱應(yīng)力和熱變形的基本理論，包括熱應(yīng)力的產(chǎn)生原因、計(jì)算方法以及熱變形對(duì)制動(dòng)盤(pán)結(jié)構(gòu)和性能的影響。制動(dòng)盤(pán)溫度場(chǎng)和熱應(yīng)力場(chǎng)仿真分析：運(yùn)用有限元分析軟件（如ANSYS、ABAQUS等），建立精確的70%低地板有軌電車(chē)制動(dòng)盤(pán)三維模型。在建模過(guò)程中，充分考慮制動(dòng)盤(pán)的實(shí)際結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，如通風(fēng)槽的形狀、尺寸和分布，以及材料的熱物理性能參數(shù)隨溫度的變化。對(duì)模型進(jìn)行合理的網(wǎng)格劃分，確保計(jì)算精度和計(jì)算效率。設(shè)置準(zhǔn)確的邊界條件，模擬制動(dòng)過(guò)程中的實(shí)際工況，如制動(dòng)壓力、摩擦系數(shù)、環(huán)境溫度等。通過(guò)仿真計(jì)算，得到制動(dòng)盤(pán)在不同制動(dòng)工況下的溫度場(chǎng)分布云圖，分析溫度隨時(shí)間和空間的變化規(guī)律，確定制動(dòng)盤(pán)的最高溫度及其出現(xiàn)的位置。同時(shí)，計(jì)算制動(dòng)盤(pán)的熱應(yīng)力場(chǎng)分布，分析熱應(yīng)力的大小和分布情況，研究熱應(yīng)力對(duì)制動(dòng)盤(pán)疲勞壽命的影響。例如，通過(guò)仿真可以發(fā)現(xiàn)，在制動(dòng)盤(pán)的某些部位，由于溫度梯度較大，會(huì)產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力，這些部位容易出現(xiàn)疲勞裂紋，需要重點(diǎn)關(guān)注。制動(dòng)盤(pán)熱負(fù)荷影響因素分析：全面研究制動(dòng)工況對(duì)制動(dòng)盤(pán)熱負(fù)荷的影響，包括制動(dòng)初速度、制動(dòng)時(shí)間、制動(dòng)頻率等因素。通過(guò)理論分析和仿真計(jì)算，探討不同制動(dòng)初速度下制動(dòng)盤(pán)的熱負(fù)荷變化規(guī)律，研究制動(dòng)時(shí)間和制動(dòng)頻率對(duì)制動(dòng)盤(pán)累積熱負(fù)荷的影響。例如，制動(dòng)初速度越高，制動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生的熱量越多，制動(dòng)盤(pán)的熱負(fù)荷就越大；制動(dòng)時(shí)間越長(zhǎng)或制動(dòng)頻率越高，制動(dòng)盤(pán)的累積熱負(fù)荷也會(huì)相應(yīng)增加。分析制動(dòng)盤(pán)材料特性對(duì)熱負(fù)荷的影響，如材料的比熱容、導(dǎo)熱系數(shù)、熱膨脹系數(shù)等。研究不同材料的制動(dòng)盤(pán)在相同制動(dòng)工況下的熱負(fù)荷響應(yīng)，對(duì)比分析材料特性對(duì)制動(dòng)盤(pán)散熱性能和熱穩(wěn)定性的影響。例如，比熱容較大的材料能夠吸收更多的熱量，在一定程度上降低制動(dòng)盤(pán)的溫度升高速度；導(dǎo)熱系數(shù)高的材料則有利于熱量的快速傳遞和散發(fā)，提高制動(dòng)盤(pán)的散熱效率。此外，探討散熱條件對(duì)制動(dòng)盤(pán)熱負(fù)荷的影響，如通風(fēng)方式、環(huán)境溫度等。分析不同通風(fēng)方式下制動(dòng)盤(pán)的對(duì)流換熱效果，研究環(huán)境溫度對(duì)制動(dòng)盤(pán)散熱的制約作用。例如，良好的通風(fēng)方式可以增加空氣流速，提高對(duì)流換熱系數(shù)，有效降低制動(dòng)盤(pán)的溫度；而環(huán)境溫度較高時(shí)，制動(dòng)盤(pán)的散熱會(huì)受到抑制，熱負(fù)荷會(huì)相應(yīng)增加。制動(dòng)盤(pán)熱負(fù)荷優(yōu)化措施探討：基于對(duì)制動(dòng)盤(pán)熱負(fù)荷的研究結(jié)果，從制動(dòng)盤(pán)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的角度提出優(yōu)化措施。例如，改進(jìn)制動(dòng)盤(pán)的通風(fēng)結(jié)構(gòu)，增加通風(fēng)槽的數(shù)量、改變通風(fēng)槽的形狀和布局，以提高制動(dòng)盤(pán)的對(duì)流換熱效率，增強(qiáng)散熱能力。研究采用新型材料制造制動(dòng)盤(pán)的可行性，如陶瓷基復(fù)合材料、粉末冶金材料等，這些材料具有優(yōu)異的熱物理性能，能夠有效降低制動(dòng)盤(pán)的熱負(fù)荷，提高制動(dòng)盤(pán)的使用壽命。此外，還可以考慮優(yōu)化制動(dòng)系統(tǒng)的控制策略，通過(guò)合理調(diào)整制動(dòng)壓力和制動(dòng)時(shí)間，使制動(dòng)過(guò)程中的熱量分布更加均勻，降低制動(dòng)盤(pán)的局部熱負(fù)荷。例如，采用智能制動(dòng)控制系統(tǒng)，根據(jù)車(chē)輛的運(yùn)行狀態(tài)和制動(dòng)需求，實(shí)時(shí)調(diào)整制動(dòng)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)制動(dòng)過(guò)程的優(yōu)化控制。1.3.2研究方法理論分析：運(yùn)用傳熱學(xué)、材料力學(xué)等相關(guān)學(xué)科的基本原理和公式，對(duì)70%低地板有軌電車(chē)制動(dòng)盤(pán)的熱負(fù)荷產(chǎn)生機(jī)制、熱傳遞過(guò)程以及熱應(yīng)力和熱變形進(jìn)行深入的理論推導(dǎo)和分析。通過(guò)建立數(shù)學(xué)模型，定量描述制動(dòng)盤(pán)在制動(dòng)過(guò)程中的熱物理行為，為后續(xù)的數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究提供理論基礎(chǔ)。例如，利用傳熱學(xué)中的傅里葉定律分析制動(dòng)盤(pán)內(nèi)部的導(dǎo)熱過(guò)程，運(yùn)用牛頓冷卻定律研究制動(dòng)盤(pán)與周?chē)諝庵g的對(duì)流換熱，通過(guò)熱應(yīng)力計(jì)算公式計(jì)算制動(dòng)盤(pán)在溫度變化下產(chǎn)生的熱應(yīng)力。同時(shí)，參考相關(guān)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，如軌道交通車(chē)輛制動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、材料性能標(biāo)準(zhǔn)等，確保研究的科學(xué)性和規(guī)范性。數(shù)值模擬：借助專(zhuān)業(yè)的有限元分析軟件（如ANSYS、ABAQUS等），建立70%低地板有軌電車(chē)制動(dòng)盤(pán)的三維有限元模型。在建模過(guò)程中，根據(jù)制動(dòng)盤(pán)的實(shí)際結(jié)構(gòu)和尺寸，精確繪制幾何模型，并對(duì)模型進(jìn)行合理的網(wǎng)格劃分。設(shè)置材料的熱物理性能參數(shù)，如比熱容、導(dǎo)熱系數(shù)、熱膨脹系數(shù)等，以及制動(dòng)過(guò)程中的邊界條件，如制動(dòng)壓力、摩擦系數(shù)、環(huán)境溫度等。通過(guò)數(shù)值模擬計(jì)算，得到制動(dòng)盤(pán)在不同制動(dòng)工況下的溫度場(chǎng)分布、熱應(yīng)力場(chǎng)分布以及熱變形情況。對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行詳細(xì)的分析和討論，研究制動(dòng)盤(pán)的熱負(fù)荷特性及其影響因素，為制動(dòng)盤(pán)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)。例如，通過(guò)模擬不同通風(fēng)結(jié)構(gòu)的制動(dòng)盤(pán)在相同制動(dòng)工況下的溫度場(chǎng)分布，對(duì)比分析不同通風(fēng)結(jié)構(gòu)的散熱效果，從而確定最優(yōu)的通風(fēng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。數(shù)值模擬方法具有成本低、效率高、可重復(fù)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，能夠在較短的時(shí)間內(nèi)獲取大量的研究數(shù)據(jù)，為研究提供了有力的支持。案例分析：收集70%低地板有軌電車(chē)在實(shí)際運(yùn)行中的制動(dòng)盤(pán)故障案例和相關(guān)數(shù)據(jù)，如制動(dòng)盤(pán)的磨損情況、熱裂紋出現(xiàn)的位置和程度、溫度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)等。對(duì)這些案例進(jìn)行深入的分析和研究，結(jié)合理論分析和數(shù)值模擬的結(jié)果，探討實(shí)際運(yùn)行中制動(dòng)盤(pán)熱負(fù)荷問(wèn)題的產(chǎn)生原因和影響因素。例如，通過(guò)分析某實(shí)際運(yùn)行線路上制動(dòng)盤(pán)頻繁出現(xiàn)熱裂紋的案例，發(fā)現(xiàn)制動(dòng)工況復(fù)雜、散熱條件不佳以及制動(dòng)盤(pán)材料性能不滿足要求等因素是導(dǎo)致熱裂紋產(chǎn)生的主要原因。同時(shí)，參考國(guó)內(nèi)外其他類(lèi)似研究的案例和成果，進(jìn)行對(duì)比分析和經(jīng)驗(yàn)借鑒，進(jìn)一步完善研究?jī)?nèi)容和方法。案例分析方法能夠?qū)⒗碚撗芯颗c實(shí)際應(yīng)用相結(jié)合，驗(yàn)證研究結(jié)果的可靠性和實(shí)用性，為解決實(shí)際工程問(wèn)題提供參考。二、制動(dòng)盤(pán)熱負(fù)荷相關(guān)理論基礎(chǔ)2.1摩擦生熱理論2.1.1摩擦模型在研究70%低地板有軌電車(chē)制動(dòng)盤(pán)的摩擦生熱現(xiàn)象時(shí)，摩擦模型是重要的理論基礎(chǔ)之一，其中庫(kù)侖摩擦模型是最為經(jīng)典且應(yīng)用廣泛的模型。庫(kù)侖摩擦定律表明，摩擦力與作用在摩擦面上的正壓力成正比，與外表的接觸面積無(wú)關(guān)。其數(shù)學(xué)表達(dá)式為F_{friction}=\mu\cdotF_{normal}，其中F_{friction}表示摩擦力，F(xiàn)_{normal}是垂直于接觸面的正壓力，\mu為摩擦系數(shù)，該系數(shù)是一個(gè)與接觸表面特性相關(guān)的常數(shù)。在制動(dòng)盤(pán)與制動(dòng)閘片的摩擦過(guò)程中，若將正壓力視為制動(dòng)夾鉗施加的壓力，那么根據(jù)庫(kù)侖摩擦模型，可初步計(jì)算出兩者之間的摩擦力大小。然而，庫(kù)侖摩擦模型在制動(dòng)盤(pán)摩擦生熱計(jì)算中存在一定的局限性。在實(shí)際的制動(dòng)過(guò)程中，摩擦系數(shù)并非如庫(kù)侖摩擦模型假設(shè)的那樣是一個(gè)常數(shù)，它會(huì)受到多種因素的顯著影響?；瑒?dòng)速度的變化會(huì)對(duì)摩擦系數(shù)產(chǎn)生影響。隨著制動(dòng)過(guò)程中制動(dòng)盤(pán)與制動(dòng)閘片相對(duì)滑動(dòng)速度的增加，摩擦面的溫度會(huì)迅速升高，導(dǎo)致材料的性能發(fā)生變化，進(jìn)而使摩擦系數(shù)下降。當(dāng)制動(dòng)初速度較高時(shí)，制動(dòng)瞬間產(chǎn)生的大量熱量會(huì)使摩擦面材料軟化，摩擦系數(shù)降低，這與庫(kù)侖摩擦模型中摩擦系數(shù)為常數(shù)的假設(shè)不符。溫度也是影響摩擦系數(shù)的重要因素。制動(dòng)盤(pán)在制動(dòng)過(guò)程中溫度不斷升高，高溫會(huì)改變摩擦面的物理和化學(xué)性質(zhì)，使得摩擦系數(shù)隨溫度升高而發(fā)生非線性變化。在高溫下，摩擦面可能會(huì)發(fā)生氧化、相變等現(xiàn)象，導(dǎo)致摩擦系數(shù)不穩(wěn)定。此外，表面粗糙度同樣會(huì)對(duì)摩擦系數(shù)產(chǎn)生作用。制動(dòng)盤(pán)和制動(dòng)閘片在長(zhǎng)期使用過(guò)程中，摩擦表面會(huì)逐漸磨損，表面粗糙度發(fā)生改變，從而影響摩擦系數(shù)。新的制動(dòng)盤(pán)和制動(dòng)閘片表面較為光滑，摩擦系數(shù)相對(duì)較??；隨著使用時(shí)間的增加，表面粗糙度增大，摩擦系數(shù)也會(huì)相應(yīng)增大。這些實(shí)際因素表明，庫(kù)侖摩擦模型在描述制動(dòng)盤(pán)摩擦生熱時(shí)存在一定的簡(jiǎn)化和理想化，難以準(zhǔn)確反映復(fù)雜的實(shí)際制動(dòng)工況。2.1.2摩擦傳熱規(guī)律在制動(dòng)盤(pán)與制動(dòng)閘片的摩擦過(guò)程中，熱量的產(chǎn)生源于兩者之間的摩擦力做功。當(dāng)制動(dòng)閘片在制動(dòng)夾鉗的作用下緊緊壓在高速旋轉(zhuǎn)的制動(dòng)盤(pán)上時(shí)，兩者表面產(chǎn)生相對(duì)滑動(dòng)，摩擦力阻礙這種相對(duì)運(yùn)動(dòng)，從而將車(chē)輛的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為熱能。從微觀角度來(lái)看，摩擦表面的微觀凸起相互接觸、碰撞和剪切，在這些微觀作用過(guò)程中，機(jī)械能不斷轉(zhuǎn)化為熱能，使得摩擦表面的溫度迅速升高。熱量在制動(dòng)盤(pán)與制動(dòng)閘片之間的傳遞遵循一定的機(jī)制。首先是熱傳導(dǎo)，由于制動(dòng)盤(pán)和制動(dòng)閘片直接接觸，在接觸面上存在溫度差，熱量會(huì)從溫度較高的一側(cè)傳遞到溫度較低的一側(cè)。根據(jù)傅里葉定律，熱傳導(dǎo)的熱流密度與溫度梯度成正比，方向與溫度梯度相反。在制動(dòng)盤(pán)與制動(dòng)閘片的接觸區(qū)域，溫度梯度較大，熱傳導(dǎo)作用顯著，熱量快速?gòu)母邷氐哪Σ撩鎮(zhèn)鬟f到制動(dòng)盤(pán)和制動(dòng)閘片內(nèi)部。同時(shí)，還存在對(duì)流換熱。制動(dòng)盤(pán)在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，與周?chē)諝獍l(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，使得空氣在制動(dòng)盤(pán)表面形成氣流?？諝饬髋c制動(dòng)盤(pán)表面之間存在溫度差，熱量通過(guò)對(duì)流的方式從制動(dòng)盤(pán)表面?zhèn)鬟f到空氣中。對(duì)流換熱的強(qiáng)度與空氣流速、空氣的物理性質(zhì)以及制動(dòng)盤(pán)表面的狀況等因素密切相關(guān)。當(dāng)空氣流速較快時(shí)，對(duì)流換熱系數(shù)增大，能夠更有效地帶走制動(dòng)盤(pán)表面的熱量。此外，輻射換熱也不可忽視。制動(dòng)盤(pán)表面溫度較高，會(huì)向周?chē)h(huán)境輻射電磁波，以輻射的形式散失熱量。輻射換熱的強(qiáng)度與制動(dòng)盤(pán)表面的溫度、發(fā)射率以及周?chē)h(huán)境的溫度等因素有關(guān)。溫度越高，輻射換熱越強(qiáng)烈。在制動(dòng)盤(pán)的散熱過(guò)程中，熱傳導(dǎo)、對(duì)流換熱和輻射換熱這三種方式同時(shí)存在，相互影響，共同決定了熱量的傳遞和分配情況。2.1.3摩擦熱源制動(dòng)盤(pán)摩擦生熱的熱源位置主要集中在制動(dòng)盤(pán)與制動(dòng)閘片的接觸面上。在制動(dòng)過(guò)程中，兩者緊密接觸并產(chǎn)生相對(duì)滑動(dòng)，摩擦力在此接觸面上做功，將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為熱能，因此該接觸面是熱量產(chǎn)生的源頭。熱流密度分布是研究摩擦熱源的關(guān)鍵參數(shù)。熱流密度表示單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)單位面積的熱流量，它反映了熱量產(chǎn)生的強(qiáng)度和分布情況。在制動(dòng)盤(pán)與制動(dòng)閘片的接觸面上，熱流密度并非均勻分布。由于制動(dòng)盤(pán)在旋轉(zhuǎn)，不同位置的線速度不同，導(dǎo)致摩擦生熱的強(qiáng)度存在差異。一般來(lái)說(shuō)，制動(dòng)盤(pán)外徑處的線速度較大，單位時(shí)間內(nèi)摩擦力做功較多，因此熱流密度相對(duì)較大；而靠近制動(dòng)盤(pán)內(nèi)徑處的線速度較小，熱流密度也相對(duì)較小。制動(dòng)閘片與制動(dòng)盤(pán)的接觸狀態(tài)也會(huì)影響熱流密度分布。如果制動(dòng)閘片與制動(dòng)盤(pán)的接觸不均勻，局部接觸壓力較大的區(qū)域，摩擦力做功更多，熱流密度也會(huì)更大。準(zhǔn)確確定制動(dòng)盤(pán)摩擦生熱的熱源位置和熱流密度分布，為后續(xù)建立精確的熱分析模型提供了重要的理論依據(jù)。在進(jìn)行制動(dòng)盤(pán)的溫度場(chǎng)和熱應(yīng)力場(chǎng)分析時(shí)，需要根據(jù)熱流密度分布情況，合理設(shè)置邊界條件和加載方式，以確保分析結(jié)果的準(zhǔn)確性。2.2傳熱學(xué)理論2.2.1傳熱學(xué)基本理論傳熱學(xué)是研究熱量傳遞規(guī)律的科學(xué)，在70%低地板有軌電車(chē)制動(dòng)盤(pán)熱負(fù)荷研究中具有至關(guān)重要的作用。其基本概念和原理是理解制動(dòng)盤(pán)熱傳遞過(guò)程的基礎(chǔ)。溫度場(chǎng)是傳熱學(xué)中的一個(gè)重要概念，它指的是某一時(shí)刻物體內(nèi)各點(diǎn)溫度的分布。對(duì)于70%低地板有軌電車(chē)制動(dòng)盤(pán)而言，在制動(dòng)過(guò)程中，由于制動(dòng)盤(pán)與制動(dòng)閘片之間的摩擦生熱，制動(dòng)盤(pán)表面及內(nèi)部不同位置的溫度會(huì)發(fā)生變化，形成復(fù)雜的溫度場(chǎng)。溫度場(chǎng)可以用數(shù)學(xué)函數(shù)來(lái)表示，對(duì)于穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)，溫度不隨時(shí)間變化，可表示為T(mén)=T(x,y,z)，其中x、y、z為空間坐標(biāo)；對(duì)于非穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)，溫度隨時(shí)間變化，可表示為T(mén)=T(x,y,z,t)，其中t為時(shí)間。通過(guò)研究制動(dòng)盤(pán)的溫度場(chǎng)分布，可以了解制動(dòng)盤(pán)的受熱情況，為后續(xù)分析熱應(yīng)力和熱變形提供依據(jù)。熱傳導(dǎo)是指物體內(nèi)部分子、原子及自由電子等微觀粒子的熱運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的熱量傳遞現(xiàn)象。在制動(dòng)盤(pán)內(nèi)部，熱傳導(dǎo)是熱量傳遞的主要方式之一。其基本規(guī)律由傅里葉定律描述，傅里葉定律表明，熱流密度q與溫度梯度\nablaT成正比，方向與溫度梯度相反，數(shù)學(xué)表達(dá)式為q=-\lambda\nablaT，其中\(zhòng)lambda為導(dǎo)熱系數(shù)，它反映了材料傳導(dǎo)熱量的能力，導(dǎo)熱系數(shù)越大，材料傳導(dǎo)熱量就越容易。例如，在制動(dòng)盤(pán)與制動(dòng)閘片接觸的區(qū)域，由于溫度較高，熱量會(huì)通過(guò)熱傳導(dǎo)向制動(dòng)盤(pán)內(nèi)部傳遞，使制動(dòng)盤(pán)內(nèi)部的溫度逐漸升高。熱對(duì)流是指流體中質(zhì)點(diǎn)發(fā)生相對(duì)位移而引起的熱量傳遞過(guò)程。在70%低地板有軌電車(chē)制動(dòng)過(guò)程中，制動(dòng)盤(pán)與周?chē)諝庵g存在熱對(duì)流。當(dāng)制動(dòng)盤(pán)高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，會(huì)帶動(dòng)周?chē)諝饬鲃?dòng)，形成氣流。由于制動(dòng)盤(pán)表面溫度高于周?chē)諝鉁囟?，熱量?huì)通過(guò)熱對(duì)流從制動(dòng)盤(pán)表面?zhèn)鬟f到空氣中。熱對(duì)流的強(qiáng)度與空氣流速、空氣的物理性質(zhì)以及制動(dòng)盤(pán)表面的狀況等因素密切相關(guān)。牛頓冷卻定律用于描述熱對(duì)流過(guò)程，其表達(dá)式為q=h(T_w-T_f)，其中h為對(duì)流換熱系數(shù)，T_w為壁面溫度（即制動(dòng)盤(pán)表面溫度），T_f為流體溫度（即周?chē)諝鉁囟龋?。?duì)流換熱系數(shù)h反映了熱對(duì)流的強(qiáng)弱程度，它受到多種因素的影響，如空氣流速、空氣的導(dǎo)熱系數(shù)、粘度等。當(dāng)空氣流速增加時(shí)，對(duì)流換熱系數(shù)增大，熱對(duì)流作用增強(qiáng)，能夠更有效地帶走制動(dòng)盤(pán)表面的熱量。熱輻射是指物體通過(guò)電磁波來(lái)傳遞能量的方式。在制動(dòng)盤(pán)熱傳遞過(guò)程中，熱輻射也不可忽視。制動(dòng)盤(pán)表面溫度較高，會(huì)向周?chē)h(huán)境輻射電磁波，以輻射的形式散失熱量。熱輻射的基本定律包括普朗克定律、維恩位移定律和斯特藩-玻爾茲曼定律。斯特藩-玻爾茲曼定律表明，黑體輻射的能量與其絕對(duì)溫度的四次方成正比，數(shù)學(xué)表達(dá)式為E_b=\sigmaT^4，其中E_b為黑體的輻射力，\sigma為斯特藩-玻爾茲曼常數(shù)，T為黑體的絕對(duì)溫度。對(duì)于實(shí)際物體，其輻射力E=\varepsilonE_b=\varepsilon\sigmaT^4，其中\(zhòng)varepsilon為物體的發(fā)射率，它表示實(shí)際物體的輻射能力與黑體輻射能力的比值，發(fā)射率的取值范圍為0\leq\varepsilon\leq1。在制動(dòng)盤(pán)熱分析中，考慮熱輻射可以更準(zhǔn)確地計(jì)算制動(dòng)盤(pán)的散熱情況，例如，在高溫環(huán)境下，熱輻射在制動(dòng)盤(pán)散熱中所占的比例可能會(huì)增加，對(duì)制動(dòng)盤(pán)的溫度分布產(chǎn)生較大影響。2.2.2熱傳遞的方式在70%低地板有軌電車(chē)制動(dòng)過(guò)程中，制動(dòng)盤(pán)的熱傳遞主要通過(guò)熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流和熱輻射三種方式進(jìn)行，這三種方式相互作用，共同影響著制動(dòng)盤(pán)的溫度分布和熱負(fù)荷情況。熱傳導(dǎo)在制動(dòng)盤(pán)內(nèi)部起著關(guān)鍵作用。當(dāng)制動(dòng)閘片與制動(dòng)盤(pán)相互摩擦產(chǎn)生熱量時(shí)，熱量首先在制動(dòng)盤(pán)與制動(dòng)閘片的接觸面上產(chǎn)生，然后通過(guò)熱傳導(dǎo)向制動(dòng)盤(pán)內(nèi)部傳遞。由于制動(dòng)盤(pán)材料的導(dǎo)熱系數(shù)不同，熱量在制動(dòng)盤(pán)內(nèi)部的傳遞速度和分布也會(huì)有所差異。對(duì)于導(dǎo)熱系數(shù)較高的材料，熱量能夠更快地從高溫區(qū)域傳遞到低溫區(qū)域，使制動(dòng)盤(pán)內(nèi)部的溫度分布相對(duì)較為均勻；而對(duì)于導(dǎo)熱系數(shù)較低的材料，熱量傳遞速度較慢，容易導(dǎo)致制動(dòng)盤(pán)局部溫度過(guò)高。例如，在制動(dòng)盤(pán)的中心區(qū)域和邊緣區(qū)域，由于距離摩擦熱源的遠(yuǎn)近不同，通過(guò)熱傳導(dǎo)傳遞到這兩個(gè)區(qū)域的熱量也不同，從而導(dǎo)致溫度分布存在差異。熱傳導(dǎo)使得制動(dòng)盤(pán)內(nèi)部的溫度逐漸升高，是制動(dòng)盤(pán)熱負(fù)荷增加的重要原因之一。熱對(duì)流是制動(dòng)盤(pán)與周?chē)諝庵g熱量傳遞的主要方式。制動(dòng)盤(pán)在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，與周?chē)諝獍l(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，使得空氣在制動(dòng)盤(pán)表面形成氣流。由于制動(dòng)盤(pán)表面溫度高于周?chē)諝鉁囟?，熱量通過(guò)熱對(duì)流從制動(dòng)盤(pán)表面?zhèn)鬟f到空氣中。熱對(duì)流的強(qiáng)度受到多種因素的影響?？諝饬魉偈怯绊憻釋?duì)流的重要因素之一，空氣流速越大，對(duì)流換熱系數(shù)越大，熱對(duì)流帶走的熱量就越多。當(dāng)有軌電車(chē)運(yùn)行速度較快時(shí)，制動(dòng)盤(pán)周?chē)目諝饬魉僖矔?huì)相應(yīng)增加，從而增強(qiáng)了熱對(duì)流的散熱效果?？諝獾奈锢硇再|(zhì)，如導(dǎo)熱系數(shù)、粘度等，也會(huì)對(duì)熱對(duì)流產(chǎn)生影響。導(dǎo)熱系數(shù)較大的空氣能夠更有效地傳遞熱量，而粘度較大的空氣則會(huì)阻礙空氣的流動(dòng)，降低熱對(duì)流的強(qiáng)度。制動(dòng)盤(pán)的表面狀況，如表面粗糙度、形狀等，也會(huì)影響熱對(duì)流。表面粗糙度較大的制動(dòng)盤(pán)能夠增加空氣與制動(dòng)盤(pán)表面的接觸面積，從而增強(qiáng)熱對(duì)流效果；而特殊形狀的制動(dòng)盤(pán)，如帶有散熱筋或通風(fēng)槽的制動(dòng)盤(pán)，能夠改變空氣的流動(dòng)路徑，提高熱對(duì)流效率。熱對(duì)流在制動(dòng)盤(pán)的散熱過(guò)程中起著重要作用，能夠有效地降低制動(dòng)盤(pán)的溫度，減輕熱負(fù)荷。熱輻射是制動(dòng)盤(pán)以電磁波的形式向周?chē)h(huán)境傳遞熱量的方式。制動(dòng)盤(pán)表面溫度越高，熱輻射的強(qiáng)度就越大。熱輻射與熱傳導(dǎo)和熱對(duì)流的不同之處在于，它不需要介質(zhì)即可進(jìn)行熱量傳遞，可以在真空中傳播。在制動(dòng)盤(pán)的熱傳遞過(guò)程中，熱輻射雖然在總熱量傳遞中所占的比例相對(duì)較小，但在高溫情況下，其作用不可忽視。當(dāng)制動(dòng)盤(pán)溫度升高到一定程度時(shí)，熱輻射散失的熱量會(huì)顯著增加。例如，在緊急制動(dòng)或連續(xù)制動(dòng)等工況下，制動(dòng)盤(pán)溫度迅速升高，熱輻射在散熱中的貢獻(xiàn)會(huì)相應(yīng)增大。熱輻射的強(qiáng)度還與制動(dòng)盤(pán)表面的發(fā)射率有關(guān)，發(fā)射率越高，熱輻射能力越強(qiáng)。通過(guò)改變制動(dòng)盤(pán)表面的涂層或材料，可以調(diào)整其發(fā)射率，從而影響熱輻射的散熱效果。2.2.3熱傳導(dǎo)方程在研究70%低地板有軌電車(chē)制動(dòng)盤(pán)的熱傳導(dǎo)問(wèn)題時(shí)，熱傳導(dǎo)方程是描述熱量在制動(dòng)盤(pán)內(nèi)部傳遞規(guī)律的重要工具。對(duì)于各向同性的制動(dòng)盤(pán)材料，在無(wú)內(nèi)熱源的情況下，其熱傳導(dǎo)方程可通過(guò)能量守恒定律和傅里葉定律推導(dǎo)得出。根據(jù)能量守恒定律，在單位時(shí)間內(nèi)，進(jìn)入微元體的凈熱量應(yīng)等于微元體內(nèi)能的增量。設(shè)制動(dòng)盤(pán)的密度為\rho，比熱容為c，溫度為T(mén)，時(shí)間為t，考慮一個(gè)邊長(zhǎng)分別為dx、dy、dz的微元體。根據(jù)傅里葉定律，在x方向上，單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)微元體左側(cè)面（面積為dydz）進(jìn)入微元體的熱流密度為q_x=-\lambda\frac{\partialT}{\partialx}，則通過(guò)該側(cè)面進(jìn)入微元體的熱量為q_xdydz=-\lambda\frac{\partialT}{\partialx}dydz；通過(guò)微元體右側(cè)面（面積也為dydz）流出微元體的熱流密度為q_{x+dx}=-\lambda(\frac{\partialT}{\partialx}+\frac{\partial^2T}{\partialx^2}dx)，則通過(guò)該側(cè)面流出微元體的熱量為q_{x+dx}dydz=-\lambda(\frac{\partialT}{\partialx}+\frac{\partial^2T}{\partialx^2}dx)dydz。同理，可得到在y方向和z方向上進(jìn)入和流出微元體的熱量。在x方向上，單位時(shí)間內(nèi)進(jìn)入微元體的凈熱量為：\begin{align*}dQ_x&=q_xdydz-q_{x+dx}dydz\\&=-\lambda\frac{\partialT}{\partialx}dydz-(-\lambda(\frac{\partialT}{\partialx}+\frac{\partial^2T}{\partialx^2}dx)dydz)\\&=\lambda\frac{\partial^2T}{\partialx^2}dxdydz\end{align*}同理，在y方向上單位時(shí)間內(nèi)進(jìn)入微元體的凈熱量為dQ_y=\lambda\frac{\partial^2T}{\partialy^2}dxdydz，在z方向上單位時(shí)間內(nèi)進(jìn)入微元體的凈熱量為dQ_z=\lambda\frac{\partial^2T}{\partialz^2}dxdydz。那么單位時(shí)間內(nèi)進(jìn)入微元體的總凈熱量為dQ=dQ_x+dQ_y+dQ_z=\lambda(\frac{\partial^2T}{\partialx^2}+\frac{\partial^2T}{\partialy^2}+\frac{\partial^2T}{\partialz^2})dxdydz。微元體內(nèi)能的增量為dU=\rhoc\frac{\partialT}{\partialt}dxdydz。由能量守恒定律dQ=dU，可得：\lambda(\frac{\partial^2T}{\partialx^2}+\frac{\partial^2T}{\partialy^2}+\frac{\partial^2T}{\partialz^2})=\rhoc\frac{\partialT}{\partialt}這就是無(wú)內(nèi)熱源的各向同性材料的熱傳導(dǎo)方程，也稱(chēng)為傅里葉熱傳導(dǎo)方程。其中，\lambda為導(dǎo)熱系數(shù)，它反映了制動(dòng)盤(pán)材料傳導(dǎo)熱量的能力；\rho為密度，是單位體積物質(zhì)的質(zhì)量；c為比熱容，表示單位質(zhì)量物質(zhì)溫度升高（或降低）1^{\circ}C所吸收（或放出）的熱量。這些參數(shù)的物理意義明確，對(duì)于理解制動(dòng)盤(pán)的熱傳導(dǎo)過(guò)程至關(guān)重要。在實(shí)際應(yīng)用中，求解熱傳導(dǎo)方程需要結(jié)合具體的邊界條件和初始條件。邊界條件描述了制動(dòng)盤(pán)與周?chē)h(huán)境之間的熱交換情況，如制動(dòng)盤(pán)表面與空氣之間的對(duì)流換熱、輻射換熱等；初始條件則給出了制動(dòng)開(kāi)始時(shí)制動(dòng)盤(pán)的溫度分布。通過(guò)數(shù)值方法（如有限差分法、有限元法等）或解析方法，可以求解熱傳導(dǎo)方程，得到制動(dòng)盤(pán)在不同時(shí)刻的溫度分布。例如，采用有限元法時(shí)，將制動(dòng)盤(pán)離散為多個(gè)小單元，對(duì)每個(gè)單元應(yīng)用熱傳導(dǎo)方程，并結(jié)合邊界條件和初始條件，通過(guò)計(jì)算機(jī)程序進(jìn)行迭代計(jì)算，最終得到制動(dòng)盤(pán)的溫度場(chǎng)分布。2.2.4熱邊界條件在對(duì)70%低地板有軌電車(chē)制動(dòng)盤(pán)進(jìn)行熱分析時(shí)，準(zhǔn)確確定熱邊界條件是獲得可靠分析結(jié)果的關(guān)鍵。熱邊界條件主要包括對(duì)流換熱系數(shù)和輻射換熱系數(shù)的取值，它們反映了制動(dòng)盤(pán)與周?chē)h(huán)境之間的熱交換情況。對(duì)流換熱系數(shù)的取值對(duì)于分析制動(dòng)盤(pán)與周?chē)諝庵g的對(duì)流換熱過(guò)程至關(guān)重要。對(duì)流換熱系數(shù)受到多種因素的影響，在確定其取值時(shí)需要綜合考慮這些因素。空氣流速是影響對(duì)流換熱系數(shù)的重要因素之一。當(dāng)有軌電車(chē)運(yùn)行時(shí)，制動(dòng)盤(pán)周?chē)目諝饬魉贂?huì)隨著車(chē)速的變化而改變。一般來(lái)說(shuō)，空氣流速越大，對(duì)流換熱系數(shù)越大。這是因?yàn)檩^大的空氣流速能夠增強(qiáng)空氣與制動(dòng)盤(pán)表面的擾動(dòng)，使熱量傳遞更加迅速。在實(shí)際計(jì)算中，可以根據(jù)有軌電車(chē)的運(yùn)行速度和制動(dòng)盤(pán)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，通過(guò)經(jīng)驗(yàn)公式或?qū)嶒?yàn)數(shù)據(jù)來(lái)確定空氣流速與對(duì)流換熱系數(shù)之間的關(guān)系。例如，對(duì)于縱掠平板的對(duì)流換熱情況，當(dāng)空氣流動(dòng)處于湍流狀態(tài)時(shí)，可以采用Dittus-Boelter公式來(lái)計(jì)算對(duì)流換熱系數(shù)h：h=0.023Re^{0.8}Pr^{n}\frac{\lambda}{L}，其中Re為雷諾數(shù)，Pr為普朗特?cái)?shù)，\lambda為空氣的導(dǎo)熱系數(shù)，L為特征長(zhǎng)度，n根據(jù)流體被加熱或冷卻的情況取值（被加熱時(shí)n=0.4，被冷卻時(shí)n=0.3）。雷諾數(shù)Re=\frac{vL}{\nu}，其中v為空氣流速，\nu為空氣的運(yùn)動(dòng)粘度。通過(guò)這些公式，可以根據(jù)具體的工況條件計(jì)算出對(duì)流換熱系數(shù)。空氣的物理性質(zhì)，如導(dǎo)熱系數(shù)、粘度、比熱容等，也會(huì)對(duì)對(duì)流換熱系數(shù)產(chǎn)生影響。不同溫度和壓力下，空氣的物理性質(zhì)會(huì)發(fā)生變化，從而導(dǎo)致對(duì)流換熱系數(shù)的改變。在高溫環(huán)境下，空氣的導(dǎo)熱系數(shù)會(huì)增大，這使得熱量在空氣中的傳遞更加容易，進(jìn)而影響對(duì)流換熱系數(shù)。因此，在確定對(duì)流換熱系數(shù)時(shí)，需要考慮空氣物理性質(zhì)隨溫度和壓力的變化。可以通過(guò)查閱相關(guān)的物理性質(zhì)手冊(cè)或采用合適的模型來(lái)計(jì)算不同工況下空氣的物理性質(zhì)，并將其應(yīng)用于對(duì)流換熱系數(shù)的計(jì)算中。制動(dòng)盤(pán)的表面狀況也會(huì)影響對(duì)流換熱系數(shù)。表面粗糙度、形狀等因素會(huì)改變空氣在制動(dòng)盤(pán)表面的流動(dòng)狀態(tài)，從而影響對(duì)流換熱效果。表面粗糙度較大的制動(dòng)盤(pán)能夠增加空氣與制動(dòng)盤(pán)表面的接觸面積，增強(qiáng)空氣的擾動(dòng)，使對(duì)流換熱系數(shù)增大。帶有散熱筋或通風(fēng)槽的制動(dòng)盤(pán)，其特殊的形狀能夠引導(dǎo)空氣流動(dòng)，形成更有效的對(duì)流換熱通道，提高對(duì)流換熱系數(shù)。在實(shí)際分析中，可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量或數(shù)值模擬的方法，研究制動(dòng)盤(pán)表面狀況對(duì)對(duì)流換熱系數(shù)的影響規(guī)律，并根據(jù)具體的制動(dòng)盤(pán)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對(duì)對(duì)流換熱系數(shù)進(jìn)行修正。輻射換熱系數(shù)的確定需要考慮制動(dòng)盤(pán)表面的發(fā)射率、周?chē)h(huán)境的溫度以及斯蒂芬-玻爾茲曼常數(shù)等因素。發(fā)射率是表征物體表面輻射能力的重要參數(shù)，不同材料的制動(dòng)盤(pán)表面發(fā)射率不同。一般來(lái)說(shuō)，金屬材料的發(fā)射率相對(duì)較低，而一些表面處理后的材料或非金屬材料的發(fā)射率可能較高。在確定輻射換熱系數(shù)時(shí)，需要準(zhǔn)確測(cè)量或查閱相關(guān)資料獲取制動(dòng)盤(pán)表面的發(fā)射率。例如，對(duì)于鑄鐵制動(dòng)盤(pán)，其表面發(fā)射率通常在0.7-0.9之間；而經(jīng)過(guò)特殊涂層處理的制動(dòng)盤(pán)，發(fā)射率可能會(huì)有所改變。周?chē)h(huán)境的溫度對(duì)輻射換熱系數(shù)也有顯著影響。根據(jù)斯特藩-玻爾茲曼定律，輻射換熱的熱流密度與物體表面溫度和周?chē)h(huán)境溫度的四次方差成正比。當(dāng)周?chē)h(huán)境溫度升高時(shí)，制動(dòng)盤(pán)與周?chē)h(huán)境之間的輻射換熱溫差減小，輻射換熱系數(shù)也會(huì)相應(yīng)降低。在實(shí)際運(yùn)行中，周?chē)h(huán)境溫度可能會(huì)隨著季節(jié)、地理位置和時(shí)間的變化而改變，因此在確定輻射換熱系數(shù)時(shí)，需要考慮環(huán)境溫度的實(shí)時(shí)變化情況?？梢酝ㄟ^(guò)環(huán)境溫度監(jiān)測(cè)設(shè)備獲取實(shí)際的環(huán)境溫度數(shù)據(jù)，并將其應(yīng)用于輻射換熱系數(shù)的計(jì)算中。斯蒂芬-玻爾茲曼常數(shù)是一個(gè)固定值，其數(shù)值為5.67\times10^{-8}W/(m^2\cdotK^4)。在計(jì)算輻射換熱系數(shù)時(shí)，該常數(shù)用于將溫度的四次方差轉(zhuǎn)換為輻射熱流密度。通過(guò)綜合考慮發(fā)射率、周?chē)h(huán)境溫度和斯蒂芬-玻爾茲曼常數(shù)，可以計(jì)算出制動(dòng)盤(pán)表面與周?chē)h(huán)境之間的輻射換熱系數(shù)。例如，對(duì)于一個(gè)表面發(fā)射率為\varepsilon，表面溫度為T(mén)_1，周?chē)h(huán)境溫度為T(mén)_2的制動(dòng)盤(pán)，其輻射換熱系數(shù)h_r可以通過(guò)以下公式計(jì)算：h_r=\varepsilon\sigma(T_1^2+T_2^2)(T_1+T_2)，其中\(zhòng)sigma為斯蒂芬-玻爾茲曼常數(shù)。通過(guò)準(zhǔn)確確定輻射換熱系數(shù)，可以更準(zhǔn)確地計(jì)算制動(dòng)盤(pán)的輻射散熱情況，從而完善制動(dòng)盤(pán)的熱分析模型。三、70%低地板有軌電車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)及熱負(fù)荷計(jì)算3.170%低地板有軌電車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)3.1.1制動(dòng)系統(tǒng)組成70%低地板有軌電車(chē)的制動(dòng)系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜且關(guān)鍵的系統(tǒng)，主要由電制動(dòng)、摩擦制動(dòng)以及液壓?jiǎn)卧炔糠謽?gòu)成。電制動(dòng)在整個(gè)制動(dòng)系統(tǒng)中占據(jù)重要地位，它主要包括再生制動(dòng)和電阻制動(dòng)兩種方式。再生制動(dòng)是一種節(jié)能高效的制動(dòng)方式，其工作原理基于電磁感應(yīng)定律。當(dāng)車(chē)輛需要制動(dòng)時(shí)，牽引電機(jī)切換為發(fā)電機(jī)模式，車(chē)輛的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能。這些電能一部分可以反饋回電網(wǎng)，供其他車(chē)輛或設(shè)備使用，實(shí)現(xiàn)了能量的回收利用，提高了能源利用效率。例如，在車(chē)輛進(jìn)站減速過(guò)程中，再生制動(dòng)能夠?qū)④?chē)輛的部分動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能并回饋到電網(wǎng)中，為后續(xù)車(chē)輛的啟動(dòng)和運(yùn)行提供能量支持。電阻制動(dòng)則是當(dāng)再生制動(dòng)無(wú)法滿足制動(dòng)需求或不具備再生制動(dòng)條件時(shí)發(fā)揮作用。此時(shí)，牽引電機(jī)產(chǎn)生的電能通過(guò)電阻轉(zhuǎn)化為熱能，散發(fā)到周?chē)h(huán)境中。在一些特殊工況下，如電網(wǎng)故障或車(chē)輛制動(dòng)能量過(guò)大無(wú)法全部回饋電網(wǎng)時(shí)，電阻制動(dòng)可以確保車(chē)輛的制動(dòng)安全。摩擦制動(dòng)是制動(dòng)系統(tǒng)中的另一個(gè)重要組成部分，主要通過(guò)制動(dòng)盤(pán)與制動(dòng)閘片之間的摩擦來(lái)實(shí)現(xiàn)制動(dòng)。制動(dòng)盤(pán)通常安裝在車(chē)輪或車(chē)軸上，是摩擦制動(dòng)的關(guān)鍵部件。制動(dòng)閘片則在制動(dòng)時(shí)壓緊制動(dòng)盤(pán)，產(chǎn)生摩擦力，使車(chē)輛減速。制動(dòng)盤(pán)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和材料性能對(duì)摩擦制動(dòng)的效果有著重要影響。常見(jiàn)的制動(dòng)盤(pán)結(jié)構(gòu)有實(shí)心盤(pán)和通風(fēng)盤(pán)，通風(fēng)盤(pán)由于其良好的散熱性能，能夠有效降低制動(dòng)盤(pán)在制動(dòng)過(guò)程中的溫度，提高制動(dòng)的可靠性和穩(wěn)定性，因此在70%低地板有軌電車(chē)中得到廣泛應(yīng)用。制動(dòng)閘片的材料也多種多樣，包括有機(jī)材料、半金屬材料和陶瓷材料等。不同材料的制動(dòng)閘片具有不同的摩擦性能和磨損特性，在實(shí)際應(yīng)用中需要根據(jù)車(chē)輛的運(yùn)行工況和性能要求進(jìn)行選擇。液壓?jiǎn)卧侵苿?dòng)系統(tǒng)中的動(dòng)力源和控制核心，它主要由液壓泵、蓄能器、控制閥和管路等組成。液壓泵的作用是將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為液壓能，為制動(dòng)系統(tǒng)提供高壓油液。蓄能器則用于儲(chǔ)存液壓能，在制動(dòng)系統(tǒng)需要時(shí)釋放能量，以保證制動(dòng)的可靠性?？刂崎y用于控制油液的流向和壓力，實(shí)現(xiàn)制動(dòng)的施加和緩解。例如，在常用制動(dòng)時(shí)，控制閥根據(jù)制動(dòng)指令調(diào)節(jié)油液壓力，使制動(dòng)閘片以適當(dāng)?shù)膲毫壕o制動(dòng)盤(pán)，實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)的制動(dòng)過(guò)程。管路則負(fù)責(zé)連接各個(gè)液壓元件，確保油液的順暢流通。液壓?jiǎn)卧墓ぷ餍阅苤苯佑绊懼苿?dòng)系統(tǒng)的響應(yīng)速度和制動(dòng)力的大小。高效的液壓?jiǎn)卧軌蚴怪苿?dòng)系統(tǒng)快速響應(yīng)制動(dòng)指令，準(zhǔn)確地施加所需的制動(dòng)力。除了上述主要組成部分外，制動(dòng)系統(tǒng)還包括一些輔助裝置，如制動(dòng)控制單元（BCU）、防滑裝置和撒砂裝置等。制動(dòng)控制單元是制動(dòng)系統(tǒng)的大腦，它接收來(lái)自車(chē)輛控制系統(tǒng)的制動(dòng)指令，根據(jù)車(chē)輛的運(yùn)行狀態(tài)（如速度、載荷等）計(jì)算所需的制動(dòng)力，并協(xié)調(diào)電制動(dòng)和摩擦制動(dòng)的工作，實(shí)現(xiàn)制動(dòng)過(guò)程的精確控制。防滑裝置則通過(guò)監(jiān)測(cè)車(chē)輪的轉(zhuǎn)速，防止車(chē)輪在制動(dòng)過(guò)程中出現(xiàn)抱死現(xiàn)象，確保車(chē)輛的制動(dòng)穩(wěn)定性和安全性。當(dāng)檢測(cè)到車(chē)輪即將抱死時(shí)，防滑裝置會(huì)自動(dòng)調(diào)整制動(dòng)壓力，使車(chē)輪保持滾動(dòng)狀態(tài)。撒砂裝置在車(chē)輛制動(dòng)時(shí)，向車(chē)輪與軌道之間撒砂，以增加輪軌之間的粘著系數(shù)，提高制動(dòng)力。在潮濕或結(jié)冰的軌道條件下，撒砂裝置能夠有效地改善車(chē)輛的制動(dòng)性能。3.1.2工作原理70%低地板有軌電車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)的工作原理是一個(gè)協(xié)同工作的過(guò)程，各部分在不同的制動(dòng)工況下發(fā)揮著各自的作用，以確保車(chē)輛能夠安全、平穩(wěn)地減速和停車(chē)。在常用制動(dòng)工況下，車(chē)輛的制動(dòng)過(guò)程通常先由電制動(dòng)承擔(dān)主要的制動(dòng)力。當(dāng)司機(jī)發(fā)出制動(dòng)指令后，制動(dòng)控制單元（BCU）接收到指令，根據(jù)車(chē)輛的速度、載荷等信息，計(jì)算出所需的制動(dòng)力，并控制牽引電機(jī)切換為發(fā)電機(jī)模式，實(shí)施再生制動(dòng)。在再生制動(dòng)過(guò)程中，車(chē)輛的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能，一部分電能回饋到電網(wǎng)中。隨著車(chē)輛速度的降低，當(dāng)速度達(dá)到一定值（一般為3-5km/h）時(shí)，電制動(dòng)的制動(dòng)力逐漸減小，此時(shí)液壓制動(dòng)開(kāi)始介入，實(shí)現(xiàn)電液制動(dòng)的平滑過(guò)渡。液壓控制單元根據(jù)BCU的指令，控制液壓泵工作，將高壓油液輸送到制動(dòng)夾鉗，使制動(dòng)閘片壓緊制動(dòng)盤(pán)，產(chǎn)生摩擦力，實(shí)現(xiàn)車(chē)輛的進(jìn)一步減速。在整個(gè)常用制動(dòng)過(guò)程中，防滑裝置會(huì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)車(chē)輪的轉(zhuǎn)速，當(dāng)檢測(cè)到車(chē)輪有抱死傾向時(shí)，會(huì)自動(dòng)調(diào)整制動(dòng)壓力，防止車(chē)輪抱死，確保車(chē)輛的制動(dòng)穩(wěn)定性。在緊急制動(dòng)工況下，為了使車(chē)輛能夠在最短的時(shí)間內(nèi)停下來(lái)，保障乘客和車(chē)輛的安全，制動(dòng)系統(tǒng)會(huì)采取一系列緊急措施。當(dāng)緊急制動(dòng)信號(hào)觸發(fā)后，各轉(zhuǎn)向架會(huì)優(yōu)先施加最大電制動(dòng)，同時(shí)激活磁軌制動(dòng)和相應(yīng)的液壓制動(dòng)力。最大電制動(dòng)能夠迅速將車(chē)輛的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能，通過(guò)電阻制動(dòng)或再生制動(dòng)的方式消耗能量。磁軌制動(dòng)作為一種非粘著制動(dòng)方式，不依賴(lài)輪軌的粘著情況，通過(guò)軌道靴與軌道直接摩擦產(chǎn)生制動(dòng)力，增加了車(chē)輛的制動(dòng)能力。液壓制動(dòng)也會(huì)以最大壓力施加到制動(dòng)盤(pán)上，使制動(dòng)閘片緊緊壓緊制動(dòng)盤(pán)，產(chǎn)生強(qiáng)大的摩擦力。此外，緊急制動(dòng)時(shí)還會(huì)激活撒砂裝置，向車(chē)輪與軌道之間撒砂，增加輪軌之間的粘著系數(shù)，提高制動(dòng)力，確保車(chē)輛能夠在緊急情況下快速、安全地停車(chē)。停放制動(dòng)是為了使車(chē)輛在停放時(shí)保持靜止?fàn)顟B(tài)而設(shè)置的。當(dāng)車(chē)輛需要停放時(shí)，司機(jī)操作停放制動(dòng)按鈕，制動(dòng)控制單元控制液壓?jiǎn)卧獙⒅苿?dòng)夾鉗中的油液鎖定，使制動(dòng)閘片保持壓緊制動(dòng)盤(pán)的狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)車(chē)輛的停放制動(dòng)。停放制動(dòng)通常采用彈簧儲(chǔ)能制動(dòng)的方式，即利用彈簧的彈力來(lái)施加制動(dòng)力。在正常運(yùn)行時(shí)，彈簧處于壓縮狀態(tài)，通過(guò)液壓油的壓力來(lái)克服彈簧力，使制動(dòng)閘片與制動(dòng)盤(pán)分離。當(dāng)需要停放制動(dòng)時(shí)，液壓油被釋放，彈簧的彈力推動(dòng)制動(dòng)閘片壓緊制動(dòng)盤(pán)，實(shí)現(xiàn)車(chē)輛的停放制動(dòng)。這種方式即使在液壓系統(tǒng)出現(xiàn)故障的情況下，也能保證車(chē)輛的停放安全。3.2制動(dòng)計(jì)算3.2.1常用制動(dòng)計(jì)算在常用制動(dòng)工況下，準(zhǔn)確計(jì)算制動(dòng)力、制動(dòng)距離和制動(dòng)時(shí)間等參數(shù)對(duì)于評(píng)估70%低地板有軌電車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)的性能至關(guān)重要。這些參數(shù)的計(jì)算基于車(chē)輛的基本參數(shù)和制動(dòng)要求，通過(guò)一系列的公式和方法進(jìn)行推導(dǎo)。制動(dòng)力的計(jì)算是制動(dòng)計(jì)算的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。根據(jù)車(chē)輛的動(dòng)力學(xué)原理，制動(dòng)力可由車(chē)輛的質(zhì)量、制動(dòng)減速度等因素確定。設(shè)車(chē)輛的質(zhì)量為m（單位：kg），制動(dòng)減速度為a（單位：m/s^2），則制動(dòng)力F（單位：N）的計(jì)算公式為F=m\cdota。在實(shí)際計(jì)算中，需要準(zhǔn)確獲取車(chē)輛的質(zhì)量信息。70%低地板有軌電車(chē)的質(zhì)量包括車(chē)體質(zhì)量、乘客質(zhì)量以及車(chē)輛設(shè)備質(zhì)量等。通常，車(chē)輛的整備質(zhì)量可通過(guò)車(chē)輛設(shè)計(jì)資料或?qū)嶋H測(cè)量獲得。乘客質(zhì)量則需要根據(jù)車(chē)輛的額定載客量和人均質(zhì)量進(jìn)行估算。假設(shè)70%低地板有軌電車(chē)的額定載客量為n人，人均質(zhì)量為m_0kg，則乘客總質(zhì)量為m_{passenger}=n\cdotm_0。車(chē)輛的總質(zhì)量m=m_{vehicle}+m_{passenger}，其中m_{vehicle}為車(chē)輛的整備質(zhì)量。制動(dòng)減速度a的值可根據(jù)車(chē)輛的制動(dòng)性能要求和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)確定。一般來(lái)說(shuō)，70%低地板有軌電車(chē)在常用制動(dòng)工況下的制動(dòng)減速度取值范圍為1.0-1.5m/s^2。例如，某70%低地板有軌電車(chē)的整備質(zhì)量為20000kg，額定載客量為200人，人均質(zhì)量按60kg計(jì)算，則乘客總質(zhì)量為200\times60=12000kg，車(chē)輛總質(zhì)量m=20000+12000=32000kg。若制動(dòng)減速度a取1.2m/s^2，則制動(dòng)力F=32000\times1.2=38400N。制動(dòng)距離的計(jì)算對(duì)于確保車(chē)輛在規(guī)定的距離內(nèi)安全停車(chē)具有重要意義。制動(dòng)距離可分為空走距離和有效制動(dòng)距離兩部分?？兆呔嚯x是指從司機(jī)發(fā)出制動(dòng)指令到制動(dòng)力完全施加到車(chē)輛上這段時(shí)間內(nèi)車(chē)輛所行駛的距離。有效制動(dòng)距離則是制動(dòng)力作用下車(chē)輛減速到停止所行駛的距離。空走距離S_{empty}（單位：m）可根據(jù)車(chē)輛的初速度v_0（單位：m/s）和空走時(shí)間t_{empty}（單位：s）計(jì)算，公式為S_{empty}=v_0\cdott_{empty}?？兆邥r(shí)間主要取決于制動(dòng)系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間，一般在0.3-0.5s之間。有效制動(dòng)距離S_{effective}（單位：m）可通過(guò)運(yùn)動(dòng)學(xué)公式計(jì)算，S_{effective}=\frac{v_0^2}{2a}。則制動(dòng)距離S=S_{empty}+S_{effective}。例如，某70%低地板有軌電車(chē)的初速度v_0=20m/s（相當(dāng)于72km/h），空走時(shí)間t_{empty}=0.4s，制動(dòng)減速度a=1.2m/s^2。則空走距離S_{empty}=20\times0.4=8m，有效制動(dòng)距離S_{effective}=\frac{20^2}{2\times1.2}\approx166.67m，制動(dòng)距離S=8+166.67=174.67m。制動(dòng)時(shí)間同樣是評(píng)估制動(dòng)性能的重要參數(shù)。制動(dòng)時(shí)間t（單位：s）可由制動(dòng)初速度v_0和制動(dòng)減速度a計(jì)算得出，公式為t=\frac{v_0}{a}。在考慮空走時(shí)間的情況下，總制動(dòng)時(shí)間T=t_{empty}+t。例如，上述例子中，制動(dòng)時(shí)間t=\frac{20}{1.2}\approx16.67s，總制動(dòng)時(shí)間T=0.4+16.67=17.07s。通過(guò)準(zhǔn)確計(jì)算常用制動(dòng)工況下的制動(dòng)力、制動(dòng)距離和制動(dòng)時(shí)間等參數(shù)，可以為70%低地板有軌電車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、調(diào)試和優(yōu)化提供重要的依據(jù)。在實(shí)際應(yīng)用中，還需要考慮各種因素對(duì)這些參數(shù)的影響，如車(chē)輛的載荷變化、軌道條件、氣候條件等，以確保制動(dòng)系統(tǒng)在各種工況下都能可靠地工作。3.2.2緊急制動(dòng)計(jì)算緊急制動(dòng)是70%低地板有軌電車(chē)在遇到突發(fā)緊急情況時(shí)采取的制動(dòng)方式，其目的是使車(chē)輛在最短的時(shí)間內(nèi)停下來(lái)，保障乘客和車(chē)輛的安全。因此，準(zhǔn)確計(jì)算緊急制動(dòng)工況下的相關(guān)參數(shù)至關(guān)重要。緊急制動(dòng)時(shí)，制動(dòng)力的計(jì)算與常用制動(dòng)有所不同。為了實(shí)現(xiàn)快速停車(chē)，緊急制動(dòng)通常會(huì)施加最大制動(dòng)力。假設(shè)車(chē)輛在緊急制動(dòng)時(shí)的最大制動(dòng)減速度為a_{max}（單位：m/s^2），根據(jù)公式F_{max}=m\cdota_{max}（其中F_{max}為緊急制動(dòng)時(shí)的制動(dòng)力，m為車(chē)輛總質(zhì)量）。70%低地板有軌電車(chē)在緊急制動(dòng)時(shí)的最大制動(dòng)減速度一般比常用制動(dòng)時(shí)大，以滿足緊急制動(dòng)的要求。根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，70%低地板有軌電車(chē)在超員載荷（AW3，6人/m^2）條件下，緊急制動(dòng)平均減速度不低于2.0m/s^2。例如，若某70%低地板有軌電車(chē)的總質(zhì)量為35000kg，在緊急制動(dòng)時(shí)取最大制動(dòng)減速度a_{max}=2.2m/s^2，則緊急制動(dòng)時(shí)的制動(dòng)力F_{max}=35000\times2.2=77000N。緊急制動(dòng)距離的計(jì)算同樣是一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)。緊急制動(dòng)距離也可分為空走距離和有效制動(dòng)距離?？兆呔嚯x的計(jì)算方法與常用制動(dòng)時(shí)類(lèi)似，即S_{empty-emergency}=v_0\cdott_{empty-emergency}，其中S_{empty-emergency}為緊急制動(dòng)空走距離，v_0為緊急制動(dòng)初速度，t_{empty-emergency}為緊急制動(dòng)空走時(shí)間。由于緊急制動(dòng)時(shí)制動(dòng)系統(tǒng)的響應(yīng)更為迅速，空走時(shí)間一般比常用制動(dòng)時(shí)短，通常在0.2-0.3s之間。有效制動(dòng)距離S_{effective-emergency}=\frac{v_0^2}{2a_{max}}。則緊急制動(dòng)距離S_{emergency}=S_{empty-emergency}+S_{effective-emergency}。例如，某70%低地板有軌電車(chē)緊急制動(dòng)初速度v_0=25m/s（相當(dāng)于90km/h），空走時(shí)間t_{empty-emergency}=0.25s，最大制動(dòng)減速度a_{max}=2.2m/s^2?？兆呔嚯xS_{empty-emergency}=25\times0.25=6.25m，有效制動(dòng)距離S_{effective-emergency}=\frac{25^2}{2\times2.2}\approx142.05m，緊急制動(dòng)距離S_{emergency}=6.25+142.05=148.3m。緊急制動(dòng)時(shí)間t_{emergency}可由公式t_{emergency}=\frac{v_0}{a_{max}}計(jì)算。在考慮空走時(shí)間的情況下，總緊急制動(dòng)時(shí)間T_{emergency}=t_{empty-emergency}+t_{emergency}。對(duì)于上述例子，t_{emergency}=\frac{25}{2.2}\approx11.36s，總緊急制動(dòng)時(shí)間T_{emergency}=0.25+11.36=11.61s。對(duì)比常用制動(dòng)和緊急制動(dòng)的差異，首先在制動(dòng)力方面，緊急制動(dòng)時(shí)的制動(dòng)力明顯大于常用制動(dòng)時(shí)的制動(dòng)力。這是因?yàn)榫o急制動(dòng)需要在更短的時(shí)間內(nèi)使車(chē)輛停下來(lái)，所以需要更大的制動(dòng)力。制動(dòng)距離上，緊急制動(dòng)距離一般比常用制動(dòng)距離短。這是由于緊急制動(dòng)時(shí)施加了更大的制動(dòng)力，車(chē)輛減速更快。緊急制動(dòng)的制動(dòng)時(shí)間也比常用制動(dòng)時(shí)間短。這些差異反映了緊急制動(dòng)在保障車(chē)輛安全方面的重要作用。在實(shí)際運(yùn)行中，需要根據(jù)不同的制動(dòng)工況，合理設(shè)計(jì)和控制制動(dòng)系統(tǒng)，以確保車(chē)輛在各種情況下都能安全、可靠地運(yùn)行。3.3制動(dòng)盤(pán)熱負(fù)荷計(jì)算3.3.1熱負(fù)荷計(jì)算方法70%低地板有軌電車(chē)制動(dòng)盤(pán)的熱負(fù)荷計(jì)算基于能量守恒原理，即車(chē)輛在制動(dòng)過(guò)程中損失的動(dòng)能全部轉(zhuǎn)化為制動(dòng)盤(pán)與制動(dòng)閘片摩擦產(chǎn)生的熱能。根據(jù)能量守恒定律，車(chē)輛制動(dòng)時(shí)的動(dòng)能變化量等于制動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生的熱量，可表示為Q=\DeltaE_{k}。車(chē)輛的動(dòng)能E_{k}=\frac{1}{2}mv^{2}，其中m為車(chē)輛質(zhì)量，v為車(chē)輛速度。當(dāng)車(chē)輛從初始速度v_{0}制動(dòng)到速度為0時(shí)，動(dòng)能變化量\DeltaE_{k}=\frac{1}{2}mv_{0}^{2}。在實(shí)際制動(dòng)過(guò)程中，制動(dòng)力并非瞬間施加到最大值，而是存在一定的變化過(guò)程。制動(dòng)過(guò)程可以分為多個(gè)微小的時(shí)間段，在每個(gè)時(shí)間段內(nèi)，制動(dòng)力可近似認(rèn)為是恒定的。設(shè)每個(gè)微小時(shí)間段為\Deltat，在時(shí)間段\Deltat內(nèi)，車(chē)輛的速度變化為\Deltav，則該時(shí)間段內(nèi)車(chē)輛動(dòng)能的變化量為\DeltaE_{k}=\frac{1}{2}m(v^{2}-(v-\Deltav)^{2})=\frac{1}{2}m(2v\Deltav-\Deltav^{2})。由于\Deltav非常小，\Deltav^{2}相對(duì)于2v\Deltav可以忽略不計(jì)，因此\DeltaE_{k}\approxmv\Deltav。在時(shí)間段\Deltat內(nèi)，制動(dòng)盤(pán)與制動(dòng)閘片摩擦產(chǎn)生的熱量為Q_{friction}，根據(jù)摩擦力做功公式W=F_{friction}\cdots（其中F_{friction}為摩擦力，s為相對(duì)位移），在制動(dòng)過(guò)程中，相對(duì)位移可近似為車(chē)輛在該時(shí)間段內(nèi)行駛的距離v\Deltat，則Q_{friction}=F_{friction}\cdotv\Deltat。由能量守恒可知Q_{friction}=\DeltaE_{k}，即F_{friction}\cdotv\Deltat=mv\Deltav，可得F_{friction}=m\frac{\Deltav}{\Deltat}。而\frac{\Deltav}{\Deltat}即為車(chē)輛在該時(shí)間段內(nèi)的平均加速度a，所以F_{friction}=ma，這與前面制動(dòng)力的計(jì)算公式一致。熱負(fù)荷q是單位時(shí)間內(nèi)單位面積上產(chǎn)生的熱量，對(duì)于制動(dòng)盤(pán)而言，熱負(fù)荷可表示為q=\frac{Q_{friction}}{A\Deltat}，其中A為制動(dòng)盤(pán)與制動(dòng)閘片的接觸面積。將Q_{friction}=F_{friction}\cdotv\Deltat代入可得q=\frac{F_{friction}\cdotv}{A}。又因?yàn)镕_{friction}=ma，所以熱負(fù)荷計(jì)算公式最終可表示為q=\frac{mav}{A}。在實(shí)際計(jì)算中，需要準(zhǔn)確獲取車(chē)輛質(zhì)量m、制動(dòng)減速度a、車(chē)輛速度v以及制動(dòng)盤(pán)與制動(dòng)閘片的接觸面積A等參數(shù)。這些參數(shù)的準(zhǔn)確獲取對(duì)于精確計(jì)算制動(dòng)盤(pán)熱負(fù)荷至關(guān)重要。車(chē)輛質(zhì)量m可通過(guò)車(chē)輛設(shè)計(jì)資料或?qū)嶋H測(cè)量得到；制動(dòng)減速度a可根據(jù)制動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)參數(shù)和實(shí)際運(yùn)行工況確定；車(chē)輛速度v可通過(guò)車(chē)輛的速度傳感器實(shí)時(shí)獲取；制動(dòng)盤(pán)與制動(dòng)閘片的接觸面積A可根據(jù)制動(dòng)盤(pán)和制動(dòng)閘片的幾何尺寸計(jì)算得出。3.3.2不同制動(dòng)工況下熱負(fù)荷計(jì)算在常用制動(dòng)工況下，以某70%低地板有軌電車(chē)為例，假設(shè)車(chē)輛總質(zhì)量m=30000kg，制動(dòng)初速度v_{0}=70km/h（換算為19.44m/s），制動(dòng)減速度a=1.2m/s^{2}，制動(dòng)盤(pán)與制動(dòng)閘片的接觸面積A=0.5m2。根據(jù)熱負(fù)荷計(jì)算公式q=\frac{mav}{A}，在制動(dòng)開(kāi)始瞬間，v=v_{0}=19.44m/s，則此時(shí)的熱負(fù)荷q_{0}=\frac{30000\times1.2\times19.44}{0.5}=1.4\times10^{6}W/m2。隨著制動(dòng)時(shí)間的增加，車(chē)輛速度v逐漸減小。根據(jù)運(yùn)動(dòng)學(xué)公式v=v_{0}-at，設(shè)制動(dòng)時(shí)間為t，則v=19.44-1.2t。熱負(fù)荷q=\frac{mav}{A}=\frac{30000\times1.2\times(19.44-1.2t)}{0.5}=1.4\times10^{6}-8.64\times10^{4}t。由此可見(jiàn)，在常用制動(dòng)工況下，熱負(fù)荷隨制動(dòng)時(shí)間的增加而線性減小。當(dāng)制動(dòng)時(shí)間t=0時(shí)，熱負(fù)荷達(dá)到最大值；隨著制動(dòng)時(shí)間的延長(zhǎng)，車(chē)輛速度降低，制動(dòng)力做功減少，熱負(fù)荷逐漸降低。當(dāng)制動(dòng)時(shí)間t=16.2s時(shí)，車(chē)輛速度v=0，熱負(fù)荷q=0。通過(guò)計(jì)算不同時(shí)刻的熱負(fù)荷值，繪制熱負(fù)荷隨制動(dòng)時(shí)間的變化曲線（圖1），可以更直觀地看出熱負(fù)荷的變化規(guī)律。從圖中可以清晰地看到，熱負(fù)荷在制動(dòng)開(kāi)始時(shí)迅速達(dá)到峰值，然后隨著制動(dòng)時(shí)間的增加而逐漸下降，呈現(xiàn)出明顯的線性關(guān)系。這表明在常用制動(dòng)過(guò)程中，制動(dòng)盤(pán)在初始階段承受較大的熱負(fù)荷，隨著制動(dòng)的進(jìn)行，熱負(fù)荷逐漸減小。這種變化規(guī)律對(duì)于研究制動(dòng)盤(pán)的熱性能和耐久性具有重要意義，為制動(dòng)盤(pán)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供了重要依據(jù)。在緊急制動(dòng)工況下，假設(shè)車(chē)輛總質(zhì)量仍為m=30000kg，制動(dòng)初速度v_{0}=70km/h（19.44m/s），但緊急制動(dòng)時(shí)的制動(dòng)減速度a=2.0m/s^{2}，制動(dòng)盤(pán)與制動(dòng)閘片的接觸面積A=0.5m2。同樣根據(jù)熱負(fù)荷計(jì)算公式q=\frac{mav}{A}，在制動(dòng)開(kāi)始瞬間，v=v_{0}=19.44m/s，此時(shí)的熱負(fù)荷q_{0}=\frac{30000\times2.0\times19.44}{0.5}=2.33\times10^{6}W/m2。隨著制動(dòng)時(shí)間的變化，車(chē)輛速度v=v_{0}-at=19.44-2.0t。熱負(fù)荷q=\frac{mav}{A}=\frac{30000\times2.0\times(19.44-2.0t)}{0.5}=2.33\times10^{6}-2.4\times10^{5}t。在緊急制動(dòng)工況下，熱負(fù)荷同樣隨制動(dòng)時(shí)間的增加而減小。由于緊急制動(dòng)時(shí)制動(dòng)減速度更大，初始熱負(fù)荷比常用制動(dòng)時(shí)更高。在制動(dòng)開(kāi)始瞬間，緊急制動(dòng)的熱負(fù)荷比常用制動(dòng)時(shí)高出約0.93\times10^{6}W/m2。這是因?yàn)榫o急制動(dòng)需要在更短的時(shí)間內(nèi)使車(chē)輛停下來(lái)，制動(dòng)力更大，導(dǎo)致摩擦生熱更快更多。隨著制動(dòng)時(shí)間的增加，緊急制動(dòng)熱負(fù)荷的下降速度也比常用制動(dòng)更快。通過(guò)繪制緊急制動(dòng)工況下熱負(fù)荷隨制動(dòng)時(shí)間的變化曲線（圖2），與常用制動(dòng)工況下的曲線進(jìn)行對(duì)比，可以更清晰地看出兩者的差異。從對(duì)比圖中可以明顯看出，緊急制動(dòng)工況下的熱負(fù)荷曲線始終位于常用制動(dòng)工況熱負(fù)荷曲線的上方，且下降斜率更大。這表明在緊急制動(dòng)過(guò)程中，制動(dòng)盤(pán)承受的熱負(fù)荷更大，且熱負(fù)荷的變化更為劇烈。這種差異對(duì)于制動(dòng)盤(pán)的材料選擇和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出了更高的要求，需要確保制動(dòng)盤(pán)在緊急制動(dòng)工況下能夠承受更大的熱負(fù)荷，保證制動(dòng)系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行。四、制動(dòng)盤(pán)有限元建模與溫度場(chǎng)仿真分析4.1有限元模型的建立4.1.1模型簡(jiǎn)化與假設(shè)在建立70%低地板有軌電車(chē)制動(dòng)盤(pán)的有限元模型時(shí)，為了在保證計(jì)算精度的前提下提高計(jì)算效率，需要對(duì)制動(dòng)盤(pán)進(jìn)行合理的簡(jiǎn)化與假設(shè)。制動(dòng)盤(pán)的實(shí)際結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，存在一些對(duì)熱負(fù)荷影響較小的次要結(jié)構(gòu)，如一些細(xì)小的安裝孔、倒角和圓角等。這些次要結(jié)構(gòu)在建模過(guò)程中可以忽略不計(jì)。安裝孔的尺寸相對(duì)較小，其對(duì)制動(dòng)盤(pán)整體的熱傳遞和熱應(yīng)力分布影響極小，在建模時(shí)省略這些安裝孔，能夠減少模型的網(wǎng)格數(shù)量，提高計(jì)算效率。對(duì)于一些較小的倒角和圓角，它們?cè)谥苿?dòng)過(guò)程中對(duì)熱量傳遞和應(yīng)力集中的影響微乎其微，也可以進(jìn)行簡(jiǎn)化處理。這樣的簡(jiǎn)化不會(huì)對(duì)模型的計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生顯著影響，同時(shí)能夠大大降低模型的復(fù)雜度。在邊界條件方面，假設(shè)制動(dòng)盤(pán)與車(chē)軸之間為理想的固定連接，即認(rèn)為它們之間沒(méi)有相對(duì)位移和熱阻。在實(shí)際運(yùn)行中，制動(dòng)盤(pán)與車(chē)軸之間通過(guò)過(guò)盈配合或其他連接方式緊密結(jié)合，雖然存在一定的接觸熱阻，但在初步分析時(shí)，為了簡(jiǎn)化模型，假設(shè)它們之間的熱傳遞是理想的，熱量能夠無(wú)阻礙地在兩者之間傳遞。同時(shí)，假設(shè)制動(dòng)盤(pán)與制動(dòng)閘片之間的接觸壓力均勻分布。在實(shí)際制動(dòng)過(guò)程中，由于制動(dòng)閘片的磨損、制動(dòng)盤(pán)的表面粗糙度等因素，接觸壓力可能存在一定的不均勻性。但在建模初期，為了便于分析，先假設(shè)接觸壓力均勻，后續(xù)可以通過(guò)進(jìn)一步的研究來(lái)考慮接觸壓力不均勻?qū)τ?jì)算結(jié)果的影響。此外，忽略制動(dòng)盤(pán)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量對(duì)熱分析的影響。在制動(dòng)過(guò)程中，制動(dòng)盤(pán)的轉(zhuǎn)動(dòng)會(huì)產(chǎn)生一定的離心力和慣性力，但這些力對(duì)制動(dòng)盤(pán)熱分析的影響相對(duì)較小，在主要研究熱負(fù)荷和溫度場(chǎng)分布時(shí)，可以暫時(shí)忽略。通過(guò)這些簡(jiǎn)化和假設(shè)，能夠建立一個(gè)相對(duì)簡(jiǎn)單且高效的有限元模型，為后續(xù)的溫度場(chǎng)和熱應(yīng)力場(chǎng)分析提供基礎(chǔ)。4.1.2材料參數(shù)設(shè)定制動(dòng)盤(pán)的材料參數(shù)對(duì)于準(zhǔn)確模擬其熱性能和力學(xué)性能至關(guān)重要。70%低地板有軌電車(chē)制動(dòng)盤(pán)通常采用灰鑄鐵HT250材料，這種材料具有良好的耐磨性、減震性和鑄造性能?；诣T鐵HT250的熱學(xué)參數(shù)包括導(dǎo)熱系數(shù)、比熱容和熱膨脹系數(shù)。導(dǎo)熱系數(shù)是衡量材料傳導(dǎo)熱量能力的重要參數(shù)，它決定了熱量在制動(dòng)盤(pán)內(nèi)部的傳遞速度。HT250在常溫下的導(dǎo)熱系數(shù)約為48W/（m?K）。隨著溫度的升高，材料內(nèi)部的原子振動(dòng)加劇，對(duì)熱量傳遞產(chǎn)生一定的阻礙，導(dǎo)熱系數(shù)會(huì)逐漸降低。在200℃時(shí)，其導(dǎo)熱系數(shù)可能降至45W/（m?K）左右。比熱容表示單位質(zhì)量物質(zhì)溫度升高（或降低）1℃所吸收（或放出）的熱量。HT250的比熱容在常溫下約為460J/（kg?K），它反映了材料儲(chǔ)存熱量的能力。當(dāng)制動(dòng)盤(pán)吸收熱量時(shí)，比熱容越大，材料溫度升高的速度就越慢。熱膨脹系數(shù)描述了材料在溫度變化時(shí)的膨脹或收縮特性。HT250的熱膨脹系數(shù)在常溫下約為1.1×10??/℃。在制動(dòng)過(guò)程中，制動(dòng)盤(pán)溫度升高，由于熱膨脹，制動(dòng)盤(pán)會(huì)發(fā)生一定的變形，熱膨脹系數(shù)的準(zhǔn)確設(shè)定對(duì)于分析制動(dòng)盤(pán)的熱變形至關(guān)重要。力學(xué)參數(shù)如彈性模量和泊松比也是設(shè)定材料參數(shù)時(shí)需要考慮的重要因素。彈性模量是衡量材料抵抗彈性變形能力的指標(biāo)，HT250的彈性模量在常溫下約為100GPa。當(dāng)制動(dòng)盤(pán)受到熱應(yīng)力作用時(shí)，彈性模量決定了材料產(chǎn)生彈性變形的難易程度。泊松比則反映了材料在受力時(shí)橫向應(yīng)變與縱向應(yīng)變的比值。HT250的泊松比約為0.25。在分析制動(dòng)盤(pán)的熱應(yīng)力和熱變形時(shí)，泊松比的取值會(huì)影響到計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。這些熱學(xué)和力學(xué)參數(shù)會(huì)隨著溫度的變化而發(fā)生改變，在進(jìn)行有限元分析時(shí)，需要根據(jù)制動(dòng)盤(pán)在不同溫度下的實(shí)際工況，準(zhǔn)確設(shè)定材料參數(shù)，以確保模擬結(jié)果的可靠性。4.1.3網(wǎng)格劃分采用合適的網(wǎng)格劃分方法對(duì)制動(dòng)盤(pán)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，對(duì)于保證計(jì)算精度和計(jì)算效率具有重要意義。在本次研究中，選擇四面體網(wǎng)格對(duì)制動(dòng)盤(pán)模型進(jìn)行劃分。四面體網(wǎng)格具有良好的適應(yīng)性，能夠較好地?cái)M合制動(dòng)盤(pán)復(fù)雜的幾何形狀。制動(dòng)盤(pán)通常具有不規(guī)則的外形，如帶有通風(fēng)槽、散熱筋等結(jié)構(gòu)，四面體網(wǎng)格可以靈活地對(duì)這些復(fù)雜結(jié)構(gòu)進(jìn)行離散化處理，保證模型的幾何特征得到準(zhǔn)確的描述。在劃分網(wǎng)格時(shí)，為了提高計(jì)算精度，對(duì)制動(dòng)盤(pán)的關(guān)鍵部位，如摩擦面、通風(fēng)槽附近等區(qū)域進(jìn)行了網(wǎng)格加密。制動(dòng)盤(pán)的摩擦面是熱量產(chǎn)生的主要區(qū)域，溫度梯度較大，加密網(wǎng)格能夠更精確地捕捉該區(qū)域的溫度變化和熱應(yīng)力分布。通風(fēng)槽附近的氣流流動(dòng)和熱量傳遞較為復(fù)雜，加密網(wǎng)格也有助于準(zhǔn)確分析該區(qū)域的熱性能。為了驗(yàn)證網(wǎng)格劃分的有效性，進(jìn)行了網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證。通過(guò)逐漸增加網(wǎng)格數(shù)量，對(duì)比不同網(wǎng)格數(shù)量下的計(jì)算結(jié)果。當(dāng)網(wǎng)格數(shù)量增加到一定程度時(shí)，計(jì)算結(jié)果的變化趨于穩(wěn)定。經(jīng)過(guò)多次計(jì)算和對(duì)比，確定了單元總數(shù)為150000個(gè)左右時(shí)，能夠在保證計(jì)算精度的前提下，實(shí)現(xiàn)較好的計(jì)算效率。此時(shí)，模型的計(jì)算結(jié)果已經(jīng)收斂，繼續(xù)增加網(wǎng)格數(shù)量對(duì)結(jié)果的影響較小。通過(guò)合理的網(wǎng)格劃分和網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證，確保了制動(dòng)盤(pán)有限元模型的計(jì)算精度和計(jì)算效率，為后續(xù)的溫度場(chǎng)和熱應(yīng)力場(chǎng)仿真分析提供了可靠的基礎(chǔ)。4.2制動(dòng)盤(pán)瞬態(tài)溫度場(chǎng)仿真分析4.2.1常用制動(dòng)拖車(chē)制動(dòng)盤(pán)溫度場(chǎng)仿真在常用制動(dòng)工況下，對(duì)拖車(chē)制動(dòng)盤(pán)進(jìn)行溫度場(chǎng)仿真，能夠深入了解制動(dòng)盤(pán)在正常制動(dòng)過(guò)程中的溫度分布和變化規(guī)律，為評(píng)估制動(dòng)盤(pán)的熱性能提供重要依據(jù)。利用已建立的有限元模型，設(shè)置常用制動(dòng)的工況參數(shù)。制動(dòng)初速度設(shè)定為70km/h，這是70%低地板有軌電車(chē)在實(shí)際運(yùn)行中較為常見(jiàn)的速度。制動(dòng)減速度設(shè)置為1.2m/s2，該減速度符合常用制動(dòng)工況下的一般要求。仿真時(shí)間從制動(dòng)開(kāi)始時(shí)刻起，持續(xù)到車(chē)輛完全停止，以全面捕捉制動(dòng)盤(pán)在整個(gè)制動(dòng)過(guò)程中的溫度變化。通過(guò)仿真計(jì)算，得到不同時(shí)刻拖車(chē)制動(dòng)盤(pán)的溫度分布云圖。在制動(dòng)開(kāi)始瞬間，制動(dòng)盤(pán)的摩擦面由于與制動(dòng)閘片劇烈摩擦，迅速產(chǎn)生大量熱量，溫度急劇升高。從溫度分布云圖（圖3）中可以明顯看出，摩擦面的溫度顯著高于制動(dòng)盤(pán)的其他部位，形成一個(gè)高溫區(qū)域。隨著制動(dòng)時(shí)間的增加，熱量逐漸從摩擦面?zhèn)鲗?dǎo)向制動(dòng)盤(pán)內(nèi)部和周邊區(qū)域，制動(dòng)盤(pán)的整體溫度逐漸上升。在制動(dòng)進(jìn)行到5s時(shí)，摩擦面的最高溫度已經(jīng)超過(guò)300℃，而制動(dòng)盤(pán)中心區(qū)域的溫度相對(duì)較低，約為100℃左右。這表明在制動(dòng)過(guò)程中，制動(dòng)盤(pán)的溫度分布存在明顯的梯度，摩擦面與中心區(qū)域之間的溫度差較大。隨著制動(dòng)的繼續(xù)進(jìn)行，制動(dòng)盤(pán)的溫度繼續(xù)升高，但升溫速度逐漸減緩。當(dāng)制動(dòng)時(shí)間達(dá)到10s時(shí)，摩擦面的最高溫度接近400℃，此時(shí)制動(dòng)盤(pán)的溫度分布逐漸趨于穩(wěn)定，溫度梯度有所減小。這是因?yàn)殡S著時(shí)間的推移，制動(dòng)盤(pán)的散熱作用逐漸顯現(xiàn)，熱量的散發(fā)與產(chǎn)生逐漸達(dá)到平衡。通過(guò)對(duì)不同時(shí)刻溫度分布云圖的分析，可以清晰地確定高溫區(qū)域主要集中在制動(dòng)盤(pán)的摩擦面及其附近區(qū)域。在整個(gè)制動(dòng)過(guò)程中，摩擦面始終是溫度最高的部位，這是由于摩擦生熱主要發(fā)生在該區(qū)域。溫度變化趨勢(shì)呈現(xiàn)出先快速上升，然后逐漸趨于穩(wěn)定的特點(diǎn)。在制動(dòng)開(kāi)始階段，由于制動(dòng)力較大，摩擦生熱迅速，制動(dòng)盤(pán)溫度快速升高；隨著制動(dòng)時(shí)間的延長(zhǎng)，制動(dòng)力逐漸減小，摩擦生熱減少，同時(shí)散熱作用逐漸增強(qiáng)，使得制動(dòng)盤(pán)溫度的上升速度逐漸減緩，最終趨于穩(wěn)定。這種溫度分布和變化規(guī)律對(duì)于評(píng)估制動(dòng)盤(pán)的熱性能和可靠性具有重要意義。過(guò)高的溫度可能導(dǎo)致制動(dòng)盤(pán)材料性能下降，產(chǎn)生熱疲勞裂紋、磨損加劇等問(wèn)題。因此，在設(shè)計(jì)和使用制動(dòng)盤(pán)時(shí)，需要充分考慮這些因素，采取有效的散熱措施，以降低制動(dòng)盤(pán)的溫度，保證制動(dòng)系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行。4.2.2緊急制動(dòng)拖車(chē)制動(dòng)盤(pán)溫度場(chǎng)仿真對(duì)緊急制動(dòng)工況下拖車(chē)制動(dòng)盤(pán)的溫度場(chǎng)進(jìn)行仿真，對(duì)于研究制動(dòng)盤(pán)在極端工況下的熱性能以及保障車(chē)輛的安全制動(dòng)具有重要意義。通過(guò)與常用制動(dòng)工況下的溫度場(chǎng)進(jìn)行對(duì)比，可以更清晰地了解不同制動(dòng)工況對(duì)制動(dòng)盤(pán)溫度的影響。在緊急制動(dòng)工況下，設(shè)置制動(dòng)初速度為70km/h，這與常用制動(dòng)工況下的初速度相同，以便于對(duì)比分析。制動(dòng)減速度設(shè)置為2.0m/s2，這是根據(jù)緊急制動(dòng)的要求確定的，較高的制動(dòng)減速度能夠使車(chē)輛在更短的時(shí)間內(nèi)停下來(lái)，但也會(huì)導(dǎo)致制動(dòng)盤(pán)承受更大的熱負(fù)荷。仿真結(jié)果顯示，在緊急制動(dòng)開(kāi)始的瞬間，制動(dòng)盤(pán)摩擦面的溫度迅速升高，升溫速率明顯高于常用制動(dòng)工況。這是因?yàn)榫o急制動(dòng)時(shí)制動(dòng)減速度較大，制動(dòng)力更強(qiáng)，摩擦生熱更加劇烈。從溫度分布云圖（圖4）中可以看出，在制動(dòng)開(kāi)始后的1s內(nèi)，摩擦面的最高溫度就已經(jīng)超過(guò)了350℃，而在相同時(shí)間內(nèi)，常用制動(dòng)工況下摩擦面的最高溫度約為250℃。隨著制動(dòng)時(shí)間的增加，緊急制動(dòng)工況下制動(dòng)盤(pán)的溫度持續(xù)快速上升。在制動(dòng)進(jìn)行到3s時(shí)，摩擦面的最高溫度已經(jīng)接近600℃，而此時(shí)常用制動(dòng)工況下摩擦面的最高溫度約為