Page 99 - 《摩擦学学报》2021年第1期
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96 摩 擦 学 学 报 第 41 卷
process between the block and the disc, which made the contact pressure more uniform and showed better contact
behavior. By contrast, the contact behaviors of the cases of pentagonal friction block and the circular friction block were
relatively more complex, which resulted in visible temperature concentration on the disc.
Key words: high-speed train; friction block; wear; image segmentation; thermal-mechanical coupling
随着我国高速列车运行速度的不断提升，以及运 1 试验介绍
营里程和年限的增长，由制动问题引起的列车故障和
1.1 试验装置
应急事件时有发生，引起产业和学术界的高度重视.
在自行研制的高速列车制动缩比试验台上开展
高速列车摩擦制动主要由制动闸片和制动盘之间摩
了不同摩擦块形状的拖曳制动试验，如图1所示. 基于
擦消耗动能来实现的，其必须保证列车能在规定的距
该试验台可有效模拟高速列车摩擦制动中的正常制
离内停车，以确保列车运行的安全，因此也被称为基
动和拖曳制动，并能实现不同转速、加载力等制动参
础制动 . 闸片/制动盘之间的摩擦界面是摩擦制动系
[1]
数下的制动摩擦试验. 试验台的控制系统可控制电机
统工作的“纽带”，而摩擦制动可靠的关键则在于制动
的启停、离合器的吸合状态以及加载机构的加载状态.
界面的良好摩擦学行为.
滑台加载机构上安装的热成像仪(FLIR E40，精度±2 ℃)
在高速制动的强摩擦、高热负荷和开放式环境作
可实时监测试验过程中制动盘表面热分布，并记录试
用下，制动界面的摩擦学行为极其复杂. 如热—机耦
验后摩擦块表面温度分布情况. 每种形状摩擦块样品
合作用下材料弹塑性变形，表面裂纹、磨屑和摩擦膜
拖曳制动试验结束后，使用SPI H-series纳米材料矩阵
的形成，以及表面形貌特征、接触应力大小及分布、摩
式压力传感器并搭配Tactilus数据采集装置获取摩擦
擦热产生及分布、不稳定自激振动等因素均会影响到 块样品接触压力分布情况，此外，使用光学显微镜
制动界面摩擦学行为 [2-6] ，进而影响制动性能. 因此，充
(OM)观察磨损表面形貌.
分认识制动界面的摩擦学行为及其影响因素，进而对 1.2 试验样品
其进行有效调控一直是研究重点及难点. 试验研究中，从高速列车制动闸片材料中加工出
针对高速列车制动界面摩擦学行为，研究人员尝 三种形状的摩擦块样品，其材料均为铜基粉末冶金
[7]
试了从摩擦块形状角度对其进行调控 . PANIER等 [8] (硬度为HV0.5 181-223，弹性模量E=6.5 GPa). 三种摩
研究了不同形状摩擦块对热点分布情况的影响，得出 擦块横截面形状分别参照当下服役车型所用的形状
[9]
摩擦块弧长减少时，热点数量会增多；高飞等 针对高 (六边形和五边形分别参照我国CRH2A和CRH380A
速列车制动摩擦块结构与制动盘温度的关系开展了 型车，圆形参照法国TGV)，摩擦块样品的厚度均为
试验和模拟研究，发现制动块结构形式对制动盘面温 8.5 mm，且三种摩擦块面积(与制动盘对摩表面)均为
[10]
差和热应力有明显影响；本课题组 前期也研究了列 368 mm ；制动盘样品选用锻钢材料(硬度为HV 360，
2
0.5
车制动闸片不同形状摩擦块在干、湿环境下的振动噪 弹性模量E=210 GPa)，其直径及厚度分别为Φ138 mm
声和表面磨损特性，并探讨了两者之间的关系. 这些 和15 mm. 摩擦块及制动盘样品的具体尺寸(单位均为mm)
研究工作发现了摩擦块形状能够有效改变界面摩擦 和安装位置见图1.
学行为，却未就摩擦块形状对制动界面摩擦学行为调 1.3 试验过程
控机制进行有效揭示，尤其是阐明不同摩擦块形状下 将实验室环境温度控制在22~27 ℃，相对湿度控
接触行为—摩擦热—表面磨损之间的内在关联. 制在RH 60%±12%. 试验开始前，对摩擦块样品进行
为此，本文作者将针对高速列车常见的制动闸片 充分跑合以保证良好的界面接触. 试验采取拖曳制动
摩擦块形状(六边形、五边形和圆形)，在自行研制的高 方式，其参数设置如下：制动盘转速ω=200 r/min，制动
速列车制动缩比试验台上进行拖曳制动对比试验，并 力F =190 N，摩擦半径R=45 mm，拖曳时间 t=2 min.
n
结合有限元分析方法，分析不同摩擦块形状下制动界 每组试验重复5次以保证试验结果的可靠性，且每次
面摩擦学行为的差异，探讨摩擦块形状对接触压力分 试验结束后均将制动盘冷却到常温再进行下一次试
布及制动盘和摩擦块表面热分布的影响. 研究成果可 验. 此外，各次试验过程中每间隔30 s均使用热成像仪
为高速列车制动闸片摩擦块的优化设计提供必要的 采集制动盘表面温度分布及每次试验结束后记录摩
理论依据和应用指导. 擦块磨损表面温度分布.
