Page 102 - 摩擦学学报2025年第5期

736 摩擦学学报（中英文） 第 45 卷

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对于传统的刚性连接方式能够形成更好的界面接触 ； 1 制动摩擦学试验

基于全尺寸的制动闸片模型，对摩擦块在在制动闸片
1.1 试验装置
上的排布进行了优化设计，使其具有更加均匀的界面 本文中在自主研制的高速列车制动性能模拟试
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接触应力和更低的摩擦振动噪声 . 验台上开展制动摩擦学试验，如图1所示. 该试验台基
上述研究工作有效探明了摩擦块的结构和排布 于高速列车基础制动装置1:2缩比开发，可以模拟多种
等特征对制动界面摩擦学行为的影响，为高速列车制 制动工况，如不同制动盘转速及制动压力. 试验台主要包
动闸片设计提供了指导，但在基础制动装置有限的空 括气缸[图1(a)]、控制单元[图1(b)]和主体部分[图1(c)]，
间内，如何合理设计摩擦块的尺寸以实现闸片结构、 其中，主体部分包括飞轮、制动盘和制动夹钳. 试验开
散热和抑制摩擦振动噪声等参数之间的匹配是制动 始时启动控制单元设置气缸制动压力和飞轮转速，当
闸片设计需要探明的问题. 对于高速列车制动闸片， 气缸将制动压力通过夹钳施加到制动盘时启动电机，
当单个摩擦块的尺寸太大时可能会带来不易散热的 使得制动盘以一定的转速旋转，进而实现高速列车摩
难题，但是当摩擦块尺寸太小时将有可能导致单个摩 擦制动的模拟. 制动摩擦学试验过程中，通过安装在

擦块承受的压力过大，引起接触应力集中，进而影响 制动夹钳上的三维加速度传感器采集制动摩擦自激
闸片整体强度等问题并产生更加剧烈的尖叫噪声. 摩 振动信号，以及距离制动界面15 cm处安放的麦克风
擦块作为闸片上的摩擦材料，在高速列车制动过程中 采集摩擦噪声信号，上述制动摩擦振动噪声信号均经
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需要发挥出足够且稳定的摩擦学性能 ，摩擦块设计 东华数据采集系统实现采集和存储. 此外，在距离制
的不合理会给制动盘/片摩擦学性能带来直接负面影 动盘摩擦表面1 m处安放热成像仪，用以采集其表面
响，而尺寸作为摩擦块结构设计的重要变量，其如何 摩擦热分布.

影响高速列车制动摩擦振动噪声尚未得到清晰认识， 1.2 试验样品
相关的研究工作也鲜见报道. 本文中依据某车型制动闸片摩擦块形状设计试
为此，本文中设计不同尺寸的摩擦块，在自主研制的 验样品，主要结构和尺寸如图2所示. 其中，本文中以
高速列车制动性能模拟试验台上开展制动摩擦学试 六边形摩擦内切圆直径与内孔直径的比值为定值，参
验，采集摩擦制动过程中的摩擦振动噪声信号及界面热 考实际制动闸片摩擦块尺寸共缩比设计了4种尺寸
分布. 进一步地，基于试验装置主要结构搭建其有限元模 规格的六边形摩擦块，内切圆的直径分别为28.64、
型并开展复模态和瞬态动力学分析，获取不同摩擦块 31.84、35.08和38.28 mm. 在后文中，分别以Φ28.64、
尺寸下的制动系统不稳定振动频率和相应的振型，分析 Φ31.84、Φ35.08和Φ38.28命名以上4种摩擦块，六边形
摩擦制动过程摩擦自激振动特性及界面接触应力分布. 摩擦块试验样品的厚度为18 mm.
基于制动摩擦学试验和有限元仿真分析结果，探讨摩擦 在制动摩擦学试验样品所用材料方面，制动盘为
块尺寸参数设计对高速列车制动摩擦振动噪声的调控 锻钢材料，摩擦块为铜基粉末冶金材料. 在制动摩擦
作用及其机理，进而为制动闸片的设计提供理论支撑. 学试验开始前对摩擦块表面做抛光处理以避免摩擦

(a) (c)
Flywheel Thermal imager

Air cylinder

(b)

Control cabinet

Computer
Data acquisition
instrument

Fig. 1 High speed train braking performance simulation test rig: (a) cylinder; (b) control console; (c) main structure of test rig
图 1 高速列车制动性能模拟试验装置：(a)气缸；(b)控制台；(c)试验台主体结构