Thermal Analysis of Mechanical Brakes in Rail Vehicles: Modelling and Simulation
Tid: Fr 2025-12-05 kl 09.00
Plats: F3 (Flodis), Lindstedtsvägen 26 & 28, Stockholm
Videolänk: https://kth-se.zoom.us/j/63495040006
Språk: Engelska
Ämnesområde: Farkostteknik
Respondent: Yanjun Zhang , Fordonsteknik och akustik, Rail vehicle group
Opponent: Professor Philippe Dufrenoy, École polytechnique universitaire de Lille
Handledare: Professor Sebastian Stichel, Fordonsteknik och akustik; Researcher Zhendong Liu, Fordonsteknik och akustik
QC 251111
Abstract
Järnvägsfordon är kända för att vara energieffektiva både inom person- och godstransport. Ett kritiskt delsystem i dessa fordon är bromssystemet, som säkerställer driftsäkerheten. Bland de olika typerna av bromssystem anses de mekaniska bromsarna vara mer tillförlitliga tack vare sin failsafe-design, vilket möjliggör effektiv bromsning även vid systemfel – något som elektriska bromsar i dagsläget inte kan garantera.
Mekaniska bromsar genererar bromskraft genom friktion, vilket leder till friktionsvärme och slitage. Den ökade temperaturen och slitaget på bromsbelägg, skivor eller hjul orsakar ojämna kontaktytor. Dessa ojämnheter skapar osäkerhet i friktionsparen och kan minska friktionskoefficienten. Friktionsvärmen påverkar alltså bromsprestandan och gör termisk analys nödvändig för mekaniska bromsar. Denna analys fokuserar främst på hur värme alstras och avleds. Att genomföra en exakt termisk analys av järnvägens mekaniska bromsar är en utmanande uppgift.
Även om experiment är ett effektivt sätt att undersöka termiska egenskaper, är de kostsamma och begränsade i datainsamling. Modellering och simulering utgör däremot kostnadseffektiva alternativ som ger unika insikter i de termiska egenskaperna. Denna forskning fokuserar på modellering och simulering av järnvägens mekaniska bromsar med avseende på deras termiska egenskaper. Tre olika modelleringsmetoder används: analytiska, numeriska och data-drivna modeller. Dessa metoder syftar till att undersöka varför kompositbromsklossar under vinterförhållanden leder till längre bromssträckor, hur bromsskivans temperatur kan simuleras med hög noggrannhet, samt vilken beräkningskostnad som är förknippad med respektive modell.
Först undersöker en analytisk modell hur is smälter och avlägsnas, och visar att kompositmaterialets vätbarhet är den främsta orsaken till de långa bromssträckorna hos godståg. Simuleringsresultaten överensstämmer med olycksrapporter, som främst inträffar vid låga omgivningstemperaturer, omkring –15 °C, låga hastigheter, cirka 20 km/h, och tomma vagnar. Därefter används en numerisk modell som tillämpar finita elementmetoden (FEM) för att lösa värmeöverförings- och elasticitetsekvationer, inklusive termisk expansion, slitage och kontakt. Simuleringsresultaten jämförs sedan med experimentella data och visar att denna FEM-modell är robust, snabb och noggrann. Slutligen utvecklas en data-driven modell för att minska beräkningskostnaden för FEM. Resultaten visar att den data-drivna modellen överträffar FEM vad gäller noggrannhet, beräkningstid och komplexitet, med ett medelkvadratfel på 12,1 °C jämfört med 23,4 °C, en beräkningstid på 3 minuter jämfört med 104 minuter, samt färre indata – mindre än 20 jämfört med över 115.
Sammanfattningsvis använder denna forskning modellerings- och simuleringsmetoder för att genomföra termisk analys av järnvägens mekaniska bromssystem och erbjuder unika insikter i termiskt relaterade mekaniska problem.