高速列車剎車片偏摩現象的研究

閻樹田，鄒本濤，高 升

（1.蘭州理工大學數字制造技術與應用省部共建教育部重點實驗室，甘肅 蘭州 730050；2.蘭州理工大學機電學院，甘肅 蘭州 730050）

0 引言

長期以來，我國列車一直在低速狀態(tài)下運行，而鐵路的高速化程度是評判國家交通發(fā)達與否的一個重要標志。隨著我國高速鐵路的快速發(fā)展［1］，其各項性能要求也相應提高，尤其對制動性能提出了更嚴格的要求，制動系統(tǒng)中剎車片的性能好壞對列車制動效果有著非常大的影響。目前，列車的緊急制動主要是依靠車輛制動系統(tǒng)中的制動盤和剎車片摩擦副的摩擦實現的，而制動系統(tǒng)中剎車片的偏摩現象對列車制動效果有著非常大的影響，所謂偏摩現象是由于高溫而引起的剎車片組會發(fā)生熱降解等一系列反應，在接觸界面形成轉移膜，出現熱衰退和氫脆現象［1］。因此，研究偏摩現象的產生對于提高剎車片的性能是必要的。

1 邊界條件

1.1 邊界條件的確定

根據傳熱學原理，邊界條件的確定是熱分析的前提。高速列車緊急制動時，制動盤的邊界條件為:剎車片和制動盤摩擦產生的熱流密度、剎車片與周圍空氣的對流換熱。

1.2 計算參數

制動初速度為300km／h，拖車車輪半徑為457.5mm，所以制動盤的制動初速度為:

ω0為拖車車輪的初始角速度，即為軸盤的初始角速度；v0為列車的初始速度。

300km／h緊急制動客車的純空氣制動作用距離限制為S＝4500 m，列車的設計制動距離取規(guī)定制動距離值的95%，制動空走時間tk＝2.5s。

列車實際制動的距離為:

假設閘片壓力恒定，不隨時間變化，那么平均轉動角減速度為:

實際制動時間為:

制動減速度為:

1.3 熱流密度

把制動盤和剎車片之間產生的摩擦熱以熱流密度的形式加載于剎車片上，任意時刻產生的熱量為［2］:

m為每個剎車片承擔的制動質量，即軸重除以盤數；v0為列車的初速度；v為列車任意時刻的行駛速度［3］。

熱流密度函數為將熱量Q對時間求導，由于制動盤和剎車片的材料屬性不同，熱量分配存在一個系數，所以這個系數不是個定值，根據前人的經驗通常取這個值為0.15或者0.10，故剎車片的熱流密度為:

1.4 對流換熱系數

對流換熱系數與物體的材料無關，它取決于空氣流動狀態(tài)、制動盤的幾何形狀，所以不同部位的換熱系數也不相同，并且隨著時間而變化，在自然對流散熱狀態(tài)下，對流系數與溫度相關。在制動過程中，制動盤的圓周面和空氣對流換熱時，空氣Re數為:

根據傳熱學知識可知，制動盤的對流換熱系數為:

Pr為普朗特常數；λa為空氣導熱系數；L為壁面長度；u為空氣流動速度；λ為空氣的運動粘度。

a.制動盤面上u的確定。制動盤的運動是車輪隨列車的平動加制動盤自身的旋轉，故盤面上某點的空氣流動速度u是列車行駛速度v與該點制動盤自轉線速度vr的集合合成。為簡化起見，假設v與vr相互垂直，則列車制動盤面上氣流速度為:

秸稈等生物質原料在施加一定的外部壓力的作用下，由于物料間以及物料和模輥間的相互摩擦，物料達到一定溫度，再加上木質素的黏結作用，使植物體變得致密均勻，當取消外部壓力后，由于纖維分子之間的相互纏繞，一般不能恢復原來的結構和形狀，冷卻以后強度增加，成為成型燃料[6]。

b.散熱筋板處u的確定。筋板間的幾何結構復雜，其空氣流速難以精確計算，故以列車速度v來近似空氣流速u。

2 材料特性

制動盤和剎車片的主要物理參數如表1所示［3］。

表1 制動盤和剎車片的主要物理參數

3 制動器模型的建立

在盤式制動器熱結構耦合場的計算模型中有很多復雜的因素，因此，為了簡化計算，對制動器的計算模型作出如下假設［4］:制動盤和剎車片的材料均勻且各向同性；制動過程中制動系統(tǒng)的初始溫度和環(huán)境溫度均為20℃；制動盤和剎車片接觸面為理想平面；作用在剎車片背面的壓力均勻分布；忽略材料的磨損；制動過程中制動盤無抱死且處于純滾動狀態(tài)；僅考慮熱傳導和熱對流，而忽略熱輻射。

3.1 簡化模型及網格劃分

盤形制動是在車軸或車輪輻板側面安裝制動盤，制動時用制動夾鉗使2個剎車片緊壓制動盤側面，通過摩擦產生制動力，將列車動能轉變成熱能消散于大氣。

在ABAQUS有限元仿真分析中，首先，需要確定單元類型，單元類型的選擇關系到整個仿真過程的求解效率和求解精度等。

其次，是網格劃分控制，它可以建立實體模型在劃分網格中所需要的各種參數，如單元類型、中間節(jié)點位置和單元大小等。網格劃分控制是整個分析中最重要的影響因素之一，因為網格劃分控制的設置直接決定了生成的模型在分析求解時能否滿足準確性與經濟性。

網格劃分如圖1所示，具體步驟如下所述。

圖1 網格劃分模型

a.根據制動盤的實際模型結構，將相應平面分別進行分割，為后面的分塊劃分網格做貢獻。

b.分割完成后，對所有的分割塊分撒種子，其中需要注意的是分割塊的公共邊上的種子數要保持一致，使各節(jié)點保持重合。

c.檢查節(jié)點重合情況以及網格劃分是否扭曲或交叉等，確保單元劃分正確。

3.2 載荷與邊界條件施加

在所建立好的模型基礎上進行載荷與邊界條件約束以及加載，其步驟為:

a.將制動盤內側環(huán)面定義為剛體，并在其質心處施加隨時間而變化的轉速ω（t）。

b.對制動盤對稱剖面上的節(jié)點的軸向自由度進行約束，只保留住其轉動自由度。

c.在剎車片上施加隨時間變化的制動壓力。

d.在制動盤的工作面和外圓側面分別施加對流換熱系數。

4 偏摩現象分析

圖2 溫度變化趨勢

圖3 接觸力變化趨勢

由圖2和圖3分析可知，剎車片進摩擦區(qū)溫度高于出摩擦區(qū)溫度。在一定壓力條件下，磨損量與最大表面溫度之間是有一定的函數關系。最大表面溫度區(qū)域由于高溫而引起的剎車片組會發(fā)生熱降解等一系列反應，在接觸界面形成轉移膜，出現熱衰退和氫脆現象，導致磨粒的形成，加劇剎車片磨損。因此，隨著最大表面溫度區(qū)域向出摩擦區(qū)轉移，磨損也逐步向出摩擦區(qū)轉移，在這種現象出現的同時，溫度場分布還具有從外向內轉移的趨勢，因此，還有從外向內的磨損趨勢。

5 結束語

采用25Cr2MoV為制動盤材料，樹脂基復合材料為剎車片材料，選用帶有散熱加強筋板的結構，利用有限元方法分析研究了高速列車在制動過程中的偏摩現象，對剎車片的制造工藝方法的改進具有一定的參考價值，為剎車片偏摩現象的研究提供了依據。

［1］黃健萌，高誠輝，唐旭晟，等.盤式制動器熱－結構耦合的數值建模與分析［J］.機械工程學報，2008，44（2）:145－150.

［2］李繼山，林祜亭，李和平.高速列車合金鍛鋼制動盤溫度場仿真分析［J］.鐵道學報，2006，28（4）:45－48.

［3］才鴻年，趙寶榮.金屬材料手冊［M］.北京:化學工業(yè)出版社，2011.

［4］丁 群，謝基龍.基于三維模型的制動盤溫度場和應力場計算［J］.鐵道學報，2002，24（6）:34－38.

［5］張 謙，常保華，王 力，等.高速列車鍛鋼制動盤溫度場特征的實驗研究［J］.中國鐵道科學，2007，28（1）:81－84.