轨道车辆制动电阻散热仿真研究与优化设计-车辆工程专业论文.docxVIP

轨道车辆制动电阻散热仿真研究与优化设计 摘 要 目前，再生制动在交通领域中得到了更加广泛的应用，尤其是轨道交通领域。但 由于供电网的电压不能超过 1800V，再生制动的电能并不能完全反馈回电网，部分再 生电能需通过制动电阻器转化为热能，再通过冷空气散逸掉。随着行车速度和牵引重 量的不断增加，对制动电阻散热性能也提出了更高的要求[1]。在车辆紧急制动时，通 过电阻片的电流达到 360A 左右，电阻片温度瞬间急剧增加，最高温度达到 600℃， 从而导致电阻片因温度过高发生形变。当形变量大于两片电阻之间距离时发生接触， 将会烧坏整个电阻器，影响车辆行车安全。对制动电阻进行散热仿真以及提高制动电 阻的散热性能是本项目研究的主要内容。 为了使电阻产生的热量尽快的散去，基于 Ansys/ICEM-CFD 和 CFX 软件，本文 采用有限元仿真分析方法对制动电阻进行散热仿真研究，并进行电阻器结构优化设 计。首先，建立电阻器流场分析模型，比较电阻片叉排和顺排两种不同排列方式的流 场紊流动能，选择流体紊流场效果较好，有利于电阻片散热的排列方式,同时以上海 9 号线地铁制动电阻器为例，建立平行电阻片热-固-流体耦合模型，结合传热学和流 体动力学知识，综合考虑温度对空气热物理参数的影响，对电阻器施加实际工况下的 载荷和风机风量，进行数值模拟仿真。得到的仿真结果表明，在相同空气流量条件下， 电阻单元叉排方式的流体紊流效果明显好于顺排，电阻单元采用叉排方式排列将有效 的提高电阻器的散热性能，且电阻片最高温度出现在最后一排电阻单元，最高温度达 到 600℃。接着，进行相关实验，利用热电偶原理测量电阻片的最高温度，并与仿真 结果进行比较，通过实验验证理论应用和仿真方法的可行性。最后，根据仿真结果， 通过改变散热风机功率，增加空气的对流换热系数；调整电阻器结构尺寸，改善流- 固-热耦合效果；选择其他电阻片材料；或在电阻片表面冲压加强筋或槽口进一步提 高电阻器中流场紊流度，改善整个电阻器的散热效果等措施[1]，对电阻器进行优化设 计。 I II II 本项目研究轨道车辆制动电阻热分析仿真的新方法，为制动电阻的优化设计提供 理论基础。对于轨道车辆的运行安全，提出该项目的研究具有重大的现实意义。 关键词：制动电阻，流场仿真，温度场仿真，优化设计 III III RESEARCH ON THERMAL SIMULATION AND OPTIMIZATION DESIGN FOR BRAKING RESISTOR OF RAILWAY VEHICLE ABSTRACT Nowadays, regeneration braking has been widely used in rail transportation. Due to the voltage of power grid should not exceed 1800v, the regenerative braking energy cannot fully feedback back to the grid, and part of the renewable electricity needs to be converted into heat energy and be dissipated by braking resistor. With the continuous improvement of driving speed and traction tonnage, more requirements has been also put forward for braking resistor. When vehicle emergency braking happens, the electric current, by resistance chip, is about 360 amp, and instantaneously, the temperature of resistor has increased dramatically, up to 600 ℃，resulting in resistor deformation occurred. When the deformation is greater than the distance between two pieces of resistors contact, the resistor will be burn out, and have a serious influence on the vehicle driving safety. Thermal simulation for braking resistor a