Rail vehicles are known for being energy-efficient in both passenger and freight transport. A critical subsystem of rail vehicles is the braking system, which ensures operational safety. Among the various braking systems, mechanical brakes are considered more reliable due to their fail-safe design, allowing effective braking even in the event of system failures - something that electric brakes today cannot guarantee.

Mechanical brakes generate braking force through friction, resulting in frictional heat and wear. The increase in temperature and wear of the friction pads, discs, or wheels induces uneven contacts. These uneven contacts introduce uncertainty in friction pairs and may reduce the coefficient of friction. Thus, friction heat affects braking performance and makes thermal analysis essential for mechanical brakes. This analysis primarily focuses on how heat is generated and dissipated. Conducting a precise thermal analysis of railway mechanical brakes is a challenging task.

While experiments are an effective means to investigate thermal characteristics, they are expensive and have limitations in data collection. In contrast, modelling and simulation are cost-effective and provide unique insights into thermal properties. This research focuses on modelling and simulating railway mechanical brakes with respect to their thermal-related properties. Three different modelling approaches are employed: analytical, numerical, and data-driven models. These methods aim to explore why composite brake blocks in winter result in longer braking distances, how to accurately simulate the temperature of brake discs, and what the computational cost is associated with each modelling method.

First, an analytical model examines how ice melts and is removed, revealing that the wettability of the composite material is the primary reason for the long braking distance of freight trains. The simulation results align with accident reports, which primarily occur at low ambient temperatures, around -15 °C, low speeds, approximately 20 km/h, and empty wagons. In the next step, a numerical model utilizes the finite element method (FEM) to solve heat transfer and elastic equations, incorporating thermal expansion, wear and contact. The simulation results are then compared with experimental data, demonstrating that this FEM model is robust, fast and accurate. Finally, a data-driven model is developed to reduce the computational cost of FEM. The results indicated that the data-driven model surpasses FEM in accuracy, computational time and complexity, with a root mean square error 12.1 °C vs. 23.4 °C, a computation time of 3 minutes vs. 104 minutes, and fewer input parameters, i.e. less than 20 vs. over 115.

In summary, this research employs modelling and simulation methods to conduct thermal analysis of the railway mechanical brake system, providing unique insights into thermal-related mechanical problems.

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.