制动盘作为制动装置的重要部件，多年来有许多专业人员从材料和结构方面进行研究。本书专门针对制动盘进行了研究。首先系统阐述了列车制动盘发展的历史，给出了制动盘设计的相关理论，然后利用FLUENT软件对比两种结构的制动盘在同种工况下的散热及其流场情况，选定较好的散热结构，并以此设计出一款制动盘，对制动盘的热容量及热应力进行计算，为后续的制动盘寿命的计算做好铺垫。由于制动盘在制动时会出现偏磨甚至异常磨耗，这会严重影响制动盘的正常使用，研究制动盘厚度对制动盘热容量和热应力的影响，为制动盘镟修提供参考。最后针对新设计的制动盘在实际线路的运行过程进行仿真计算，说明了设计的合理性。？

列车制动盘制动时的温度场和应力场是影响制动盘寿命的主要原因，但常规的测量方法很难将制动盘的温度场和应力场测量出来，而且由于在研制新制动盘时需要对制动盘结构的可行性进行分析，对制动盘的热容量试验需要消耗大量的人力物力。随着计算机技术的发展，仿真模拟技术在各个领域都有了广泛的应用，也为制动盘的设计研究提供了新的方法，节省了时间与资金。
本书阐述盘形制动在国内外的发展历程以及相关的研究和应用情况，并系统介绍了制动盘设计和研究的相关理论，然后针对制动盘在应用过程中的环境特征，利用Fluent软件仿真制动盘的流场情况，研究对比两种结构的制动盘在同种工况下的散热问题。选定较好的散热结构，并以此设计出一款制动盘，对制动盘的热容量及热应力进行计算，为后续的制动盘寿命计算做好铺垫。由于制动盘在制动时会出现偏磨甚至异常磨耗，这会严重影响制动盘的正常使用，研究制动盘厚度对制动盘热容量和热应力的影响，为制动盘旋修提供参考。最后针对新设计的制动盘在实际线路的运行过程进行仿真计算，说明了设计的合理性。
全书共有7章。第1章介绍列车制动系统的发展和不同的制动方式，并对比盘形制动和闸瓦制动阐述了盘形制动的优点，总结国内外制动盘在研究方面取得的一些成绩。第2章阐述了盘形制动的摩擦性能及影响因素，并分别介绍盘形制动的闸片材质与结构的设计发展，还有制动盘材质和结构形式的发展，比较了不同闸片和制动盘材料的优势。在此基础上指出了盘形制动存在的一些问题和局限性。最后从不同方面给出了盘形制动设计中有关的理论，包括摩擦半径的确定、制动盘冷却的原理等。第3章以两种不同散热筋制动盘为研究对象，采用计算流体动力学的方法，用ICEM软件对模型进行网格划分，导入到Fluent中仿真计算两种制动盘的速度场及对流换热系数，综合对比两种制动盘对流换热系数分布云图可以看出，相对于叶片筋制动盘，圆柱筋制动盘的对流换热系数分布更加均匀，散热性能更优。第4章以前文所设计的新型铸钢制动盘为研究对象，取其1/10模型进行网格划分，并对关键部位进行网格细化以增加计算精度和减少计算时间。通过能量折算法对制动盘温度场进行仿真分析。提取制动盘盘面、摩擦面背面、盘爪及散热筋处的温度数据并绘制四处温度随时间的变化曲线，研究盘体各部分温度变化规律。第5章采用间接耦合的方法，将仿真计算得到的温度场结果作为初始条件，仿真分析初速度为300 km/h工况下一次紧急制动时制动盘的应力场，并根据其应力场的分布，提取制动盘盘面、盘爪以及散热筋处的应力随时间的变化曲线，研究其热应力分布规律。第6章对新设计的轴装式铸钢制动盘进行仿真计算，研究制动盘盘面厚度对其温度场及应力场的影响规律，发现随着制动盘摩擦环厚度降低，制动盘热容量随之降低，摩擦环厚度对应力场的影响要高于对温度场的影响。第7章在充分调研国内外铸钢制动盘结构的基础上，结合现有铸钢制动盘服役过程中出现的问题，依据主机厂提出的接口尺寸和制动工况（全程往返和连续两次紧急）要求，开展了160 km/h客车铸钢轴装制动盘的结构设计和热容量分析研究。
本书在撰写过程中，北京建筑大学研究生赵兴晗、孙宇铎、张昭、刘静远、童欣、杨亚杰做了部分工作。同时，锦州捷通铁路机械股份有限公司给予了资助，在此一并表示感谢。
由于著者水平有限，书中难免有不妥之处，恳请读者和同行批评指正。
周素霞2020620？

第1章绪论1


11列车制动方式介绍1

12盘形制动介绍2

13国内外制动盘研究现状4

第2章盘形制动的相关结构和理论9

21盘形制动的摩擦性能9

22盘形制动闸片的材质和结构9

23盘形制动的制动盘材质和结构10

24盘形制动存在的问题11

25盘形制动设计中有关的理论13

第3章动车组制动盘流场分析19

31计算流体动力学理论基础19

32边界条件21

33湍流模型及其应用22

34数值模拟方法和分类22

35Fluent软件介绍23

36Fluent软件的特点24

37制动盘模型的建立26

38仿真结果分析27

39基于流体仿真的制动盘结构设计34

第4章制动盘的热容量计算分析36

41热容量分析基础理论36

42建立制动盘有限元模型37

43高速列车制动盘热容量分析理论模型39

44铸钢制动盘材料的物理性能41

45ANSYS软件简介42

46制动盘温度场计算结果与分析42

第5章制动盘热应力场分析45

51热力学基础理论45

52制动盘制动过程中的间接耦合46

53热应力计算原理46

54有限元计算结果分析47

第6章制动盘盘面厚度对热容量及热应力的影响50

61制动盘盘面厚度对温度场的影响50

62制动盘盘面厚度对应力场的影响52


第7章制动盘设计实践:热—机耦合多维度分析56

71基本参数56

72制动盘的热—机耦合模拟分析58

73计算方法59

74温度场模拟计算62

75应力场模拟计算74

参考文献131

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周素霞，北京建筑大学车辆工程系主任，副教授，工学博士，多年从事机车车辆强度分析研究，作为主要参加人参与国家“973”计划项目复杂材料载荷下金属材料的超高周疲劳损伤机理及寿命预测（2007CB714705）研究、提速货车（120kmh）转向架疲劳安全可靠性评估及改进措施研究等，近年来发表多篇学术论文，在我社出版两部专著。？

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