Modeling and analysis of a railway brake

Abstract

Projektgruppen har fått i uppdrag att omskapa en befintlig CAD-modell av en tågbroms bestående av endast ytor till en sammanställning av solida, separata komponenter och delsystem. Modellen ska användas för att beskriva bromsens funktion och ligga till grund för FEM-analyser av kontaktförhållandet mellan belägg och skiva. Med hjälp av en litteraturstudie, beräkningar, datorprogrammen Solid Edge och ANSYS samt muntliga källor angreps uppgiften. En enkel skiss av bromsens grundläggande mekanik togs därefter fram. Den erhållna CAD modellen var endast ett tomt skal bestående av ytor. Dessa var placerade på ett sådant sätt att tågbromsen till synes var en 3D-solid. För att använda fler av Solid Edges funktioner och även exportera bromsen till andra program krävdes att solida delar skapades. Då detta gjorts sammanställdes en något förenklad modell av tågbromsen. En enkel överslagsberäkning av den bromskraft som krävs gjordes och användes sedan då en analys av kontakttrycket i bromsskivan gjordes i ANSYS. I programmet gjordes FEM-beräkningar och jämförelser av kontakttrycksfördelningen för tre olika typer av bromsbelägg, ett organiskt belägg utan slitsar, ett organiskt belägg med slitsar samt ett sintrat belägg. Vid analysen erhölls konvergerade resultat för två av beläggtyperna, det organiska utan slitsar samt det sintrade. För det organiska belägget med slitsar konvergerade aldrig resultatet, troligtvis på grund av den komplicerade geometrin. En förenkling av detta belägg kan möjligen medföra ett bättre resultat.Vidare bör det utredas vad som är fel i modellen och därefter kan fler analyser av det mekaniska- och termiska kontaktförhållandet göras.The project group has been commissioned to remodel an existing CAD model of a railway brake consisting of surfaces to a compilation of solid, separate components and subsystems. The model will be used to describe the brake function and is going to be used as a basis for FEM analyses of contact relationships between pad and disc. The task was initiated with a literature review, the computer aided engineering (CAE) programs Solid Edge and ANSYS were used as foundation for the modeling and calculations. A simple sketch of the fundamental brake mechanics was made and used for the modeling of the brake caliper. The given CAD model was only a hollow shell composed of surfaces. These were arranged in such a way that the brake appeared to be a 3D solid. In order to use more of Solid Edge's functions and exporting the model to other programs solid elements were created. When this was done a simplified model of the railway brake was assembled.A rough approximation of the braking force was made and used when analyzing the contact pressure in the brake pad in ANSYS. The program was used for FEM calculations and comparison of the contact pressure for three different types of brake pads, one organic without slits, one organic with slits and one sintered brake pad. For two of the brake pads, the organic without slits and the sintered, converged results were obtained. The results for the organic pad with slits never converged, probably because of the more complicated geometry. A simplification of this pad could possibly result in a better outcome. Further it should be investigated what is wrong with the model and then, more analyses of the mechanical and thermal contact relationship can be made