Page 35 - 摩擦学学报2025年第8期

第 8 期 刘雄强, 等: 多次制动工况下列车制动闸片摩擦块磨损行为的演变规律分析 1133

(a) 6 After the first braking After the fifth braking 表 2 有限元模型材料参数

Moving std/μm 4 2 0 Table 2 Material properties of finite element model
Parameters
Brake disc Fixture Friction block
3
Density/(kg/m )
−2
210
206
5.20
0 1 2 3 4 Young’s modulus/GPa 7 800 7 850 5 250
Width/mm Poisson ratio 0.30 0.30 0.30
35
30
32
(b) 15 After the first braking After the fifth braking Heat conductivity coefficient/[W/(m·K)] 1.16 1.22 1.15
Moving std/μm 5 0 Heat capacity/[J/(kg·K)] 450 500 520
−5
Thermal expansion coefficient/(10 /K)
10
0 1 2 3 4 5 式中： F为施加在摩擦块上的法向载荷(N)； µ为摩擦
系数(在试验过程中，摩擦系数在0.33~0.35范围内变
Width/mm
化，由于波动范围较小，所以本文中取平均摩擦系数
Fig. 7 Two-dimensional contour displacement standard
deviation of the friction block: (a) along the direction of 为0.34). 则单位时间产生的总热量为
friction; (b) perpendicular to the direction of friction
Q = η 1 fν = η 1 µFωr (2)
图 7 摩擦块二维轮廓移动标准差：(a)沿摩擦方向；
[23]
(b)垂直于摩擦方向 式中： η 1 为能量转换系数(取值通常大于0.85 ，本文
中取0.9)； r为摩擦半径(m)； v为制动盘在摩擦半径处
摩擦块接触表面进行网格细化. 在制动盘中心位置设
的线速度(m/s)； ω为制动盘转速(rad/s). 制动盘所得的
置参考点RP1，并与制动盘内孔面耦合，将制动盘的
热量 Q 1 和摩擦块所得的热量 Q 2 分别为
转速设置于该点. 两侧夹具的孔内表面分别耦合于参
Q 1 = η 2 Q = η 1 η 2 µFωr (3)
考点RP2和RP3，通过参考点RP2和RP3来限制夹具的
自由度，并施加垂直于盘面的制动力. 摩擦块与夹具 Q 2 = (1−η 2 )Q = η 1 (1−η 2 )µFωr (4)
之间设置绑定约束连接，并在制动盘与摩擦块之间设 式中： η 2 为能量分配系数(能量分配系数一般基于材料
置面面接触，仿真工况与试验工况保持一致. 由于本 的导热系数、密度和比热容计算，但非线性因素如接
文中的研究主要是揭示多次制动过程中压力及磨损 触条件、热阻和散热未被考虑 . 因此，这里根据试验
[24]
演变规律，因此，这里忽略了非线性材料属性，将材料 结果将能量分配系数调整为0.95). 则制动盘上的热流
本构假定为线性，具体的各部件材料参数列于表2中. 密度 q 1 和摩擦块上的热流密度 分别为

q 2
3.2 热机耦合磨损分析
Q 1 η 1 η 2 µFωr
q 1 = = (5)
3.2.1 热边界条件 S 1 S 1
在制动过程中，摩擦作用将大部分动能转换为热 Q 2 η 1 (1−η 2 )µFωr
q 2 = = (6)
能，并在摩擦表面不断聚集导致系统温度升高. 仿真 S 2 S 2
2
分析时，利用热流密度加载，通过热机耦合仿真计算 式中： S 1 和 S 2 分别为制动盘和摩擦块的摩擦面积(m ).
得到温度场. 本文中采用摩擦功率法计算热流密度， 此外，在仿真时考虑了热对流导致的热量损失，
摩擦块与制动盘之间的摩擦力为 对流换热的基本计算公式采用牛顿冷却公式 .
[25]
f = µF (1) q = −h c ∆T (7)

(a) (b) Ⅰ
103 μm
Ⅰ Ⅱ
Ⅰ Ⅱ 47 μm Ⅱ 186 μm
Ⅲ Ⅱ Ⅰ Ⅳ 94 μm
ZrO 2 Ⅲ Ⅲ
63 μm Cu Ⅴ
Cr Graphite Cr Ⅳ
Ⅲ 183 μm
Cu ZrO 2
SiO 2 43 μm SiO 2
100 μm 100 μm Ⅴ 180 μm
Graphite
Fig. 8 SEM micrographs of the friction block cross-section: (a) after one braking; (b) after five brakings
图 8 摩擦块剖面的SEM照片：(a)制动1次后；(b)制动5次后