Page 104 - 《摩擦学学报》2021年第1期

第 1 期 项载毓, 等: 高速列车制动闸片摩擦块形状对制动界面摩擦学行为的影响 101

表 1 有限元模型部件材料参数 传导、热辐射和热对流的方式与外界进行热交换，因
Table 1 The component material parameters of finite 此在本模型计算过程中，对摩擦副热交换过程进行了
element model
定义 [14-15]
.
3
Parts Density/(kg/m ) Young’s modulus/GPa Poisson’s ratio
3.3 仿真结果与讨论
Disc sample 7 850 210 0.3
Block sample 5 200 6.5 0.29 3.3.1 接触面积分析
Block holder 7 800 200 0.3
图11示出了摩擦块与制动盘进行拖曳制动时，在
Push rod 7 900 190 0.3
稳定期间0.1 s内二者接触面积的时变情况及均值. 结
Linear bearing 2 700 70 0.3
果表明，摩擦块与制动盘之间的接触面积呈震荡波动
−5
胀系数1.16×10 、比热容480 J/(kg·K)；摩擦块样品 形式；接触面积均小于摩擦块的表面积(三种摩擦块均
2
−5
的热导率40 W/(m·K)、线膨胀系数1.1×10 、比热容 为368 mm )，表现出不完全接触以及接触状态实时调
[9]
534 J/(kg·K) . 整的现象；六边形摩擦块使得制动系统具有较大的接
针对该有限元模型中各部分的真实约束情况，定 触面积，五边形次之，圆形摩擦块则最小.
义制动盘式样与摩擦块式样、推杆与推杆支撑件为 本文中的热-机耦合分析过程未考虑摩擦块表面
面-面接触，主面为制动盘式样和推杆支撑件的摩擦 的磨损情况，而摩擦块与制动盘仍然表现出不完全接
面，从面为其相应的接触面；约束制动盘内圈耦合点 触现象，可知在界面摩擦力的作用下，摩擦块将被制
所有方向的平动自由度及X和Y轴的旋转自由度，保留 动盘拖动沿摩擦方向存在微小运动，导致摩擦块与制

制动盘在Z轴转动方向自由度并将转速设置为200 r/min； 动盘之间存在一定的倾斜角度，并加剧摩擦块切入端
制动盘与摩擦块之间的接触行为设置为切向摩擦(摩 的磨损，出现图8和图9现象. 六边形摩擦块能够使得
擦系数均为0.4)和法向硬接触；摩擦块与夹具、振动加 制动系统具有最大的接触面积，可知摩擦块与制动盘
速度传感器和夹具以及夹具与推杆之间均设置Tie约束. 间的接触倾斜角最小，使得六边形摩擦块表面磨损较
3.2 热-机耦合分析过程 为均匀，故将表现出最好的接触行为.
摩擦块与制动盘在拖曳制动过程中，大部分的动 3.3.2 接触应力分析
能通过制动盘和摩擦块的摩擦作用转换成为热能，并 图12所示为摩擦块与制动盘进行拖曳制动时其
在摩擦表面不断聚集，导致表面温度升高. 同时，由于 表面接触应力的分布情况，可见摩擦块表面接触应力
试验装置暴露在空气之中，摩擦产生的热量不断以热 均分布于摩擦切入端区域，这主要是由摩擦块与制动

320 320
(a) (b)
Contact area/mm 2 270 Contact area/mm 2 270

220
220

170 170
10.00 10.22 10.04 10.06 10.08 10.10 10.00 10.22 10.04 10.06 10.08 10.10
Time/s Time/s
320 300
(c) (d) 280.16 260.98
Contact area/mm 2 270 The average value of contact area/mm 2 200 227.27

220
100

170 0
10.00 10.22 10.04 10.06 10.08 10.10 Hexagon Pentagon Circle
Time/s

Fig. 11 The evolution and the corresponding average value of contact area between friction block and disc
during dragging brake process
图 11 拖曳制动过程摩擦块/制动盘接触面积变化及相应的均值