局部接觸對(duì)制動(dòng)盤溫度及摩擦性能的影響

（大連交通大學(xué) 連續(xù)擠壓教育部工程研究中心，遼寧 大連 116028）

隨列車速度的提高，制動(dòng)盤受到熱負(fù)荷和交變應(yīng)力的作用，易發(fā)生熱疲勞，不利于行車安全［1-4］。制動(dòng)速度、制動(dòng)壓力、通風(fēng)散熱條件、制動(dòng)載荷等都是制動(dòng)過程中施加在制動(dòng)盤上的外部條件，這些因素決定了制動(dòng)盤的溫度場(chǎng)分布［5-10］。在外部條件一定的情況下，摩擦副表面接觸形式也是影響盤面溫度分布的重要因素。針對(duì)這些因素，Degallaix 等［11］利用1∶1 制動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)，比較了圓形摩擦塊4種排布形式與盤面溫度的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)排布方式的不同可使盤面的最高溫度相差達(dá)到200 ℃，這說明閘片排布方式對(duì)溫度分布的影響是顯著的。理論上，摩擦塊的排布形式主要是改變了盤面摩擦弧長(zhǎng)分布形態(tài)，產(chǎn)生的摩擦弧長(zhǎng)分布形態(tài)的差異造成盤面溫度場(chǎng)的變化［12-14］。一般認(rèn)為，在閘片結(jié)構(gòu)確定的情況下，摩擦弧長(zhǎng)的分布就確定了，也就意味著盤面溫度的分布形態(tài)僅僅與外部條件有關(guān)。然而，在試驗(yàn)中容易發(fā)現(xiàn)，測(cè)試得到的盤面溫度分布形態(tài)與摩擦弧長(zhǎng)的分布形態(tài)常常不吻合［15］，其原因在于制動(dòng)盤與閘片的磨損并不是均勻的［16-17］，非均勻磨損將導(dǎo)致制動(dòng)盤與閘片間往往存在局部接觸，局部接觸區(qū)位置不同，則接觸點(diǎn)的線速度也不同，這些都會(huì)不同程度反映到盤面溫度分布形態(tài)的變化。然而，局部接觸的形式和位置對(duì)盤面溫度和摩擦性能影響有多大，仍鮮有報(bào)道。因此，如果能通過試驗(yàn)的方法，研究局部接觸形式與盤面溫度分布和制動(dòng)性能間的相互關(guān)系，對(duì)于認(rèn)識(shí)制動(dòng)盤面的熱損傷機(jī)制是有推動(dòng)作用的。

本文為探討摩擦副表面存在的非均勻接觸問題，針對(duì)制動(dòng)摩擦副常出現(xiàn)的2 側(cè)接觸和中間接觸的局部接觸情況，通過將摩擦塊設(shè)計(jì)為2 側(cè)接觸和中間接觸形式，進(jìn)行針對(duì)性制動(dòng)試驗(yàn)，并與全接觸摩擦副進(jìn)行對(duì)比，比較在不同制動(dòng)工況下3種接觸形式時(shí)摩擦系數(shù)和盤面溫度變化規(guī)律，從而探討局部接觸形式對(duì)摩擦系數(shù)和制動(dòng)盤溫度的影響。

1 試驗(yàn)材料及方法

摩擦塊材料為銅基粉末冶金材料，其主要成分為銅、石墨、鐵和二氧化硅等。三角形摩擦塊面積為2 973 mm2，高度為20 mm。通過機(jī)加工的方法，將摩擦塊表面的接觸區(qū)域加工成2 側(cè)接觸、中部接觸，其接觸面積為全接觸摩擦塊的一半，如圖1所示。

圖1 3種接觸形式的摩擦塊

制動(dòng)盤材料為4Cr5MoSiV1，盤外徑為320 mm，厚度為20 mm，摩擦半徑為125 mm。

試驗(yàn)設(shè)備為TM-I型軌道列車縮比試驗(yàn)臺(tái)，制動(dòng)慣量為46 kg·m2。針對(duì)3 種接觸形式，分別進(jìn)行制動(dòng)壓力為0.50，0.75 和1.00 MPa，制動(dòng)速度為50，80，120，160 和200 km·h-1的制動(dòng)試驗(yàn)，每次試驗(yàn)前將制動(dòng)盤充分冷卻，當(dāng)制動(dòng)盤溫度低于60 ℃時(shí)開始進(jìn)行摩擦試驗(yàn)。試驗(yàn)時(shí)，制動(dòng)載荷按照全接觸面積計(jì)算，即摩擦副2 側(cè)接觸和中間接觸與全接觸采用相同的制動(dòng)載荷。制動(dòng)壓力為0.50，0.75和1.00 MPa，是用全接觸的情況予以說明的。制動(dòng)盤表面溫度采用FlukeTi45 型紅外熱像儀進(jìn)行記錄，紅外熱像儀發(fā)射率設(shè)置為0.75。試驗(yàn)設(shè)備和溫度記錄采集方法如圖2所示。

圖2 試驗(yàn)設(shè)備和溫度采集方法

2 3種接觸形式試驗(yàn)結(jié)果及討論

2.1 盤面溫度隨制動(dòng)工況變化情況

制動(dòng)速度為200 km·h-1，不同制動(dòng)壓力下峰值溫度時(shí)刻盤面溫度對(duì)比如圖3所示。由圖3（a）可見：制動(dòng)壓力為0.50 MPa，2側(cè)接觸時(shí)盤面最大溫差為64 ℃，平均溫度為283 ℃；中間接觸時(shí)最大溫差達(dá)到231 ℃，在盤半徑110～125 mm 范圍形成溫度峰，峰值為400 ℃；全接觸時(shí)盤面溫度分布介于兩者之間，在盤半徑110～130 mm 范圍形成320 ℃左右的高溫區(qū)，最大溫差為122 ℃。如圖3（b）可見：隨著制動(dòng)壓力的增加，全接觸和2 側(cè)接觸時(shí)盤面最大溫差變化不大，而中間接觸時(shí)最大溫差超過306 ℃，波峰溫度增加到463 ℃。如圖3（c）可見：制動(dòng)壓力升高到1.00 MPa，2側(cè)接觸時(shí)盤面平均溫度升高到320 ℃左右，溫差在85 ℃范圍內(nèi)；全接觸時(shí)溫度分布表現(xiàn)為典型的單峰形態(tài)，峰值溫度達(dá)到388 ℃，最大溫差為265 ℃；中間接觸時(shí)溫度梯度顯著增加，最大溫差高達(dá)362 ℃，峰值溫度達(dá)到506 ℃，比全接觸時(shí)高118 ℃。

圖3 不同制動(dòng)壓力下峰值溫度時(shí)刻盤面溫度對(duì)比（制動(dòng)速度為200 km·h-1）

制動(dòng)壓力為0.50 MPa，不同制動(dòng)速度下峰值溫度時(shí)刻盤面溫度對(duì)比如圖4所示。由圖4（a）可見：制動(dòng)速度為50 km·h-1，2 側(cè)接觸和全接觸時(shí)盤面溫度分布均勻，約為60 ℃；中間接觸時(shí)，在盤半徑110～125 mm 范圍內(nèi)形成峰值溫度為90 ℃的高溫區(qū)，最大溫差為38 ℃。由圖4（b）可見：隨著制動(dòng)速度的增加，2 側(cè)接觸和全接觸時(shí)盤面溫度仍為均勻形態(tài)，平均溫度升至145 ℃左右；中間接觸時(shí)盤面溫度為明顯的單峰形態(tài)，最大溫差升至125 ℃。由圖3（a）可見：制動(dòng)速度增至200 km·h-1，3 種接觸形式時(shí)盤面整體溫度大幅度升高，其中2側(cè)接觸時(shí)溫度分布較為均勻，全接觸和中間接觸時(shí)盤面溫度均呈現(xiàn)為單峰形態(tài)；中間接觸時(shí)，峰值溫度比全接觸時(shí)高65 ℃，且最大溫差達(dá)到231 ℃。

圖4 不同制動(dòng)速度下峰值溫度時(shí)刻盤面溫度對(duì)比（制動(dòng)壓力為0.50 MPa）

制動(dòng)壓力為0.50 MPa，3種接觸形式時(shí)盤面峰值溫度隨制動(dòng)速度的變化曲線如圖5所示。由圖5可見：不同制動(dòng)速度下，中間接觸時(shí)峰值溫度最高，并且隨著制動(dòng)速度的增加，峰值溫度近似呈線性增長(zhǎng)趨勢(shì)，約增長(zhǎng)3.3 倍，與其他2 種接觸形式的差距也增加；速度為200 km·h-1時(shí)，中間接觸比2側(cè)接觸時(shí)的峰值溫度高出約30%。

圖5 3種接觸形式時(shí)峰值溫度隨制動(dòng)速度的變化曲線

圖3—圖5的結(jié)果表明，局部接觸對(duì)盤面溫度分布，尤其是峰值溫度和溫度梯度的影響是顯著的，且影響程度與局部接觸的位置有關(guān)。由圖1可知，三角形摩擦塊的幾何特點(diǎn)決定了中部區(qū)域的接觸弧長(zhǎng)大于2 側(cè)區(qū)域，而熱流密度與接觸弧長(zhǎng)成正比，因此在全接觸形式下中部區(qū)域的溫度高于2 側(cè)區(qū)域的。當(dāng)局部接觸發(fā)生在中部時(shí)，接觸區(qū)則完全集中在接觸弧長(zhǎng)最長(zhǎng)的區(qū)域，這相當(dāng)于在該區(qū)再次強(qiáng)化了熱流密度，進(jìn)一步提高了峰值溫度和溫度梯度。在這種情況下，一方面，過高的峰值溫度容易超出制動(dòng)盤的耐熱溫度，另一方面，過高的溫度梯度加劇了熱應(yīng)力，這2 個(gè)因素都容易突破制動(dòng)盤的許用應(yīng)力，導(dǎo)致盤面發(fā)生早期損傷。相反，在三角形摩擦塊這種幾何結(jié)構(gòu)條件下，當(dāng)局部接觸發(fā)生在2 側(cè)區(qū)域，避開中部的高能量區(qū)，中部溫度源于2側(cè)摩擦區(qū)的溫度熱傳導(dǎo)，這種局部接觸反而會(huì)改善盤面的溫度分布形態(tài)，顯著降低峰值溫度和溫度梯度。這表明，在進(jìn)行制動(dòng)閘片的設(shè)計(jì)時(shí)，需要避免其局部接觸的位置與高能量區(qū)重合。這對(duì)于改善盤面溫度，提高制動(dòng)盤的使用壽命是有利的。

圖3—圖5的結(jié)果還表明，制動(dòng)工況對(duì)3 種接觸形式時(shí)的峰值溫度和徑向溫度分布也有著重要影響。隨著制動(dòng)壓力和制動(dòng)速度的增加，3 種接觸形式時(shí)徑向溫度分布的差別均增加，其中差別最大的為中間接觸，2 側(cè)接觸最小。隨著制動(dòng)壓力的增加，3 種接觸形式時(shí)盤面溫度達(dá)到峰值的時(shí)間變短，造成不同區(qū)域的溫度差別增大。隨著制動(dòng)速度的增加，制動(dòng)功率與速度的3次方成正比，中間接觸熱源集中于中部，使中間接觸的峰值溫度變化最大。中間接觸時(shí)，隨著制動(dòng)壓力和制動(dòng)速度的增加，中間接觸的峰值溫度對(duì)應(yīng)的盤半徑位置幾乎沒有變化；而全接觸和兩側(cè)接觸時(shí)，制動(dòng)壓力越大，盤面接觸弧的分布形態(tài)對(duì)盤面溫度的影響程度越明顯，盤面高溫區(qū)向?qū)?yīng)的接觸區(qū)域偏移。

2.2 摩擦系數(shù)隨制動(dòng)工況變化情況

不同制動(dòng)壓力下，3 種接觸形式時(shí)摩擦系數(shù)與制動(dòng)速度的關(guān)系如圖6所示。由圖6可見，在所試驗(yàn)的制動(dòng)速度和壓力范圍內(nèi)，全接觸時(shí)摩擦系數(shù)一直處于較高值，且隨制動(dòng)速度和壓力的變化，波動(dòng)程度最小。

由圖6（a）可見：在壓力為0.50 MPa 情況下，隨著制動(dòng)速度的提高，3 種接觸形式摩擦系數(shù)呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢(shì)，相對(duì)而言，全接觸時(shí)摩擦系數(shù)最高且變化程度不明顯，2 側(cè)接觸時(shí)摩擦系數(shù)比全接觸時(shí)低0.02 左右；摩擦系數(shù)在制動(dòng)速度超過100 km·h-1后，隨速度增加略有增加；中間接觸時(shí)摩擦系數(shù)變化最大，速度低于120 km·h-1時(shí)，摩擦系數(shù)隨制動(dòng)速度增加而快速下降，高于120 km·h-1時(shí)，摩擦系數(shù)變化不明顯。由圖6（b）和圖6（c）可見：壓力增大至0.75 和1.00 MPa 時(shí)，全接觸時(shí)摩擦系數(shù)仍高于其他接觸形式，制動(dòng)速度為120 km·h-1時(shí)，摩擦系數(shù)呈現(xiàn)最小值；中間接觸和2 側(cè)接觸時(shí)的摩擦系數(shù)接近，均隨制動(dòng)速度的增加而有所降低，相對(duì)而言，中間接觸的摩擦系數(shù)對(duì)制動(dòng)速度更敏感，這緣于中間接觸形式的溫度略高所致。

圖6 3種接觸形式摩擦系數(shù)的變化情況

可以看出，當(dāng)出現(xiàn)局部接觸時(shí)，無論是2 側(cè)接觸還是中間接觸，均會(huì)導(dǎo)致摩擦系數(shù)降低和波動(dòng)的程度加劇?？傮w上，局部接觸與全接觸相比，摩擦系數(shù)降低了10%左右。中間接觸與2 側(cè)接觸相比，摩擦系數(shù)隨制動(dòng)速度和壓力的增加，下降程度更明顯。全接觸時(shí)，接觸面積大，能量分布區(qū)域大，盤面溫度相對(duì)較低和均勻，表現(xiàn)為較高的摩擦系數(shù)；中間接觸時(shí)，接觸區(qū)域集中，隨制動(dòng)速度的增加，盤面升溫最快，材料高溫軟化使摩擦系數(shù)下降；2側(cè)接觸時(shí)，接觸區(qū)域被分為2 個(gè)部分，熱量分散性好，盤面溫度均勻（圖3和圖4所示），但由于接觸面積比全接觸時(shí)少一倍，導(dǎo)致難于形成足夠的摩擦力。這表明，局部接觸是影響摩擦系數(shù)衰減和穩(wěn)定性的重要因素，其影響程度隨制動(dòng)速度和制動(dòng)壓力的增加而增加。

2.3 摩擦塊表面形貌隨制動(dòng)速度的變化情況

全接觸時(shí)，制動(dòng)壓力為0.75 MPa，摩擦塊表面形貌在不同制動(dòng)速度條件下的變化情況如圖7所示。由圖7可見：在50 km·h-1速度下，摩擦塊表面粗糙、顏色灰暗，摩擦表面犁溝和剝落明顯；在100 和120 km·h-1速度下，摩擦塊表面顏色偏黃、亮度增加；速度增加到160 和200 km·h-1時(shí)，摩擦塊表面顏色偏藍(lán)、剝落程度增加。

圖7 不同制動(dòng)初速度下全接觸時(shí)摩擦塊表面形貌

2側(cè)接觸時(shí)，制動(dòng)壓力同樣為0.75 MPa，摩擦塊的表面形貌如圖8所示。由圖8可見，2 側(cè)接觸時(shí)，摩擦塊在各個(gè)制動(dòng)速度下的表面形貌與全接觸時(shí)較為一致。

由圖7和圖8可以看出摩擦塊表面形貌的相似性，相應(yīng)地，2 側(cè)接觸與全接觸時(shí)盤面的溫度分布形態(tài)也相差不大（圖3（b）所示），這表明，摩擦塊表面的宏觀形貌與盤面溫度是密切相關(guān)的。

中間接觸時(shí)，制動(dòng)壓力同樣為0.75 MPa，摩擦塊的表面形貌隨制動(dòng)速度的變化情況如圖9所示。由圖9可見：隨制動(dòng)速度的增加，摩擦塊表面由粗糙向光滑轉(zhuǎn)變，其顏色由暗紅向土灰色轉(zhuǎn)變。這表明，摩擦表面形態(tài)與溫度形成了對(duì)應(yīng)關(guān)系；中間接觸時(shí)，摩擦熱高度集中，摩擦塊表面溫度隨制動(dòng)速度的增加變化程度大，導(dǎo)致表面組織變化明顯。

圖8 不同制動(dòng)初速度下2側(cè)接觸形式的摩擦塊表面形貌

圖9 不同制動(dòng)初速度下中間接觸形式的摩擦塊表面形貌

上述試驗(yàn)結(jié)果表明，局部接觸將改變制動(dòng)盤表面溫度分布形態(tài)。當(dāng)局部接觸發(fā)生在高能量區(qū)時(shí)，導(dǎo)致盤面的峰值溫度和溫度梯度顯著增加，其增加程度隨制動(dòng)速度和制動(dòng)壓力的增加而加劇，這種局部能量的集中同時(shí)影響到摩擦塊表面的粗糙程度和氧化程度，其表面組織的改變進(jìn)一步反映出摩擦系數(shù)的變化。理論上，當(dāng)金屬材料的氧化程度增加時(shí)，可增加材料的硬度，這是有助于增加摩擦系數(shù)的；但另一方面，高溫降低金屬的強(qiáng)度，又起到降低摩擦系數(shù)的作用。在局部接觸這種情況下，局部高溫對(duì)金屬的軟化作用大，加劇了摩擦系數(shù)的衰減程度。

3 結(jié) 論

（1）當(dāng)局部接觸與高能量區(qū)重合時(shí)，盤面峰值溫度和最大溫差隨著制動(dòng)速度和制動(dòng)壓力的增加而顯著增加。制動(dòng)速度為200 km·h-1、制動(dòng)壓力為1.00 MPa 工況下，相對(duì)于全接觸，中間接觸的峰值溫度升高約31%，最大溫差增大約37%。

（2）當(dāng)局部接觸偏離高能量區(qū)時(shí)，可以起到增加盤面溫度均勻性的作用。制動(dòng)速度為200 km·h-1、制動(dòng)壓力為1.00 MPa 條件下，相對(duì)于全接觸，2 側(cè)接觸時(shí)盤面的峰值溫度下降約11%，最大溫差減小約68%。

（3）存在局部接觸時(shí)，無論是2 側(cè)接觸還是中間接觸，都將導(dǎo)致摩擦系數(shù)降低和波動(dòng)的程度加劇?？傮w上，局部接觸導(dǎo)致摩擦系數(shù)降低約10%左右。中間接觸與2 側(cè)接觸相比，摩擦系數(shù)隨制動(dòng)速度和制動(dòng)壓力增加，降低程度更明顯，這緣于局部接觸形成的高溫加劇了摩擦系數(shù)的降低程度。

（4）摩擦弧長(zhǎng)的分布形態(tài)是影響盤面溫度分布的重要因素，實(shí)際閘片設(shè)計(jì)時(shí)，摩擦塊的形狀和布局應(yīng)避免長(zhǎng)接觸弧區(qū)域與高速區(qū)和散熱不良區(qū)重合。