列車制動(dòng)盤表面溫度分布演變的研究

農(nóng)萬華，熊啟純，韓曉明，禤釗堅(jiān)

列車制動(dòng)盤表面溫度分布演變的研究

農(nóng)萬華1，熊啟純1，韓曉明2，禤釗堅(jiān)3

（1.柳州工學(xué)院 機(jī)械工程系，廣西 柳州 545616；2.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；3.東風(fēng)柳州汽車有限公司，廣西 柳州 545616）

高速列車制動(dòng)條件下制動(dòng)盤的溫度不均勻分布是影響盤熱疲勞損傷的一個(gè)重要因素。本文針對(duì)銅基粉末冶金閘片與鍛鋼制動(dòng)盤構(gòu)成的摩擦副，利用1:1制動(dòng)動(dòng)力試驗(yàn)臺(tái)，進(jìn)行了最高速度達(dá)350km/h的制動(dòng)試驗(yàn)，結(jié)合紅外熱像與有限元分析技術(shù)，研究了制動(dòng)速度和制動(dòng)壓力對(duì)盤面溫度分布形態(tài)的影響。制動(dòng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，在制動(dòng)過程中盤面高溫區(qū)優(yōu)先在摩擦中徑兩側(cè)形成，并隨制動(dòng)時(shí)間的增加向摩擦中徑處偏移。有限元分析結(jié)果顯示，制動(dòng)盤摩擦中徑兩側(cè)的接觸壓力明顯偏大。由此可推斷，閘片的燕尾結(jié)構(gòu)致使摩擦中徑兩側(cè)壓力偏高，是盤面形成兩個(gè)高溫區(qū)的主要原因。摩擦速度隨摩擦半徑的增加而增加，導(dǎo)致摩擦半徑大于摩擦中徑的高溫區(qū)優(yōu)先磨損，磨損的不均勻性改變了接觸壓力分布。摩擦速度和接觸壓力的綜合作用與高溫區(qū)演化規(guī)律密切相關(guān)。

制動(dòng)盤；閘片結(jié)構(gòu)；摩擦磨損；摩擦溫度

高速列車的基礎(chǔ)制動(dòng)方式均為盤式摩擦制動(dòng)，制動(dòng)盤與閘片通過摩擦將列車的動(dòng)能轉(zhuǎn)成熱能并加以吸收儲(chǔ)存，因此每次停車制動(dòng)盤都要經(jīng)歷一次熱負(fù)荷的作用。列車制動(dòng)時(shí)，特別是高能制動(dòng)，制動(dòng)盤的溫度和溫度梯度均處于相當(dāng)惡劣狀態(tài)[1]，容易致使制動(dòng)盤熱疲勞損傷而失效。因此，熱疲勞損傷成為決定制動(dòng)盤的壽命的主要因素之一。

為認(rèn)識(shí)影響制動(dòng)盤熱疲勞性能的基本規(guī)律，人們采用有限元法模擬制動(dòng)過程，分析制動(dòng)盤的溫度和熱應(yīng)力分布規(guī)律，利用熱電偶[2]或紅外熱像儀[3-4]的測(cè)量制動(dòng)盤的局部溫度變化或表面的溫度分布情況，研究了制動(dòng)壓力[5-6]、制動(dòng)盤材料[7-9]、制動(dòng)模式[10-11]，閘片材料[12-13]等對(duì)制動(dòng)盤的溫度影響，這些工作均為掌握盤表面的熱疲勞損傷機(jī)理奠定了良好的基礎(chǔ)。然而，列車制動(dòng)盤溫度分布是由制動(dòng)初速度、摩擦副接觸壓力、閘片結(jié)構(gòu)和摩擦磨損等多因素綜合作用的結(jié)果，分析制動(dòng)摩擦表面溫度分布與多種影響因素的綜合關(guān)系，對(duì)解決制動(dòng)盤的熱疲勞損傷是有意義的。

本文利用高速列車制動(dòng)盤與銅基粉末冶金閘片摩擦副，在1:1制動(dòng)動(dòng)力試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行最高速度達(dá)350 km/h的制動(dòng)試驗(yàn)，通過紅外熱像技術(shù)檢測(cè)制動(dòng)盤摩擦表面溫度，并從制動(dòng)速度、制動(dòng)壓力、閘片結(jié)構(gòu)和摩擦磨損等方面，對(duì)影響制動(dòng)盤表面溫度分布的因素進(jìn)行分析。

1 材料與試驗(yàn)方法

采用銅基粉末冶金閘片和鍛鋼制動(dòng)盤組成摩擦副，在1:1制動(dòng)動(dòng)力制動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行了120次制動(dòng)測(cè)試。試驗(yàn)參數(shù)如表1所示。每次制動(dòng)前制動(dòng)盤都進(jìn)行充分冷卻，盤面溫度小于60℃后才開始。采用紅外熱像儀（flukeTi45）記錄制動(dòng)盤面溫度，熱像儀的發(fā)射率取0.75[12]，熱像儀記錄視野窗口大小如圖1所示。

表1 試驗(yàn)參數(shù)

圖1 熱像儀觀察位置示意圖

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 速度、壓力對(duì)盤面溫度分布的影響

用熱像儀所記錄制動(dòng)過程中不同時(shí)刻制動(dòng)盤摩擦表面的紅外圖像，然后在制動(dòng)盤相同周向位置，沿著徑向提取出制動(dòng)盤表面的溫度值（圖2）。

圖2 盤面溫度采集位置示意圖

圖3是制動(dòng)力為11 kN，制動(dòng)初速度分別為120、200和350 km/h時(shí)，制動(dòng)過程中盤摩擦表面溫度徑向分布情況?？梢娭苿?dòng)開始時(shí)，三種情況都分別在制動(dòng)盤半徑為約300 mm和180 mm的兩個(gè)區(qū)域形成兩個(gè)高溫區(qū)，摩擦中徑處的溫度低于其兩側(cè)的溫度。在制動(dòng)過程中，制動(dòng)初速度為120 km/h（圖3a）時(shí)，高溫區(qū)的位置及寬度都沒有明顯變化，制動(dòng)初速度升高（圖3b、c），高溫區(qū)的位置逐漸向摩擦中徑位置移動(dòng)，寬度增大，但摩擦中徑處的溫度仍低于其兩側(cè)的溫度。這表明，制動(dòng)初速度的增加對(duì)盤面高溫區(qū)形成初始位置影響不明顯，但對(duì)高溫區(qū)的分布演變有一定的影響。

圖3 不同速度下盤面溫度分布徑向演變情況（制動(dòng)力為11 kN）

圖4為制動(dòng)初速度250 km/h，制動(dòng)力分別為5 kN、7.5 kN和11 kN時(shí)，制動(dòng)過程中盤摩擦表面溫度徑向分布情況?？梢?，制動(dòng)力為5 kN時(shí)（圖4a），制動(dòng)初始形成了一個(gè)位于盤半徑約為300 mm的高溫區(qū)，隨制動(dòng)進(jìn)行，溫度快速升高后逐漸降低，并向摩擦中徑方向有所偏移，制動(dòng)時(shí)間超過60 s后，這個(gè)高溫區(qū)基本消失。而另一個(gè)處于盤半徑為170 mm的高溫區(qū)，隨制動(dòng)時(shí)間的增加，向摩擦中徑方向偏移明顯，最后發(fā)展到盤半徑約為230 mm處。當(dāng)制動(dòng)壓力升高時(shí)（圖4b、c），盤面溫度的變化規(guī)律相似。這表明，制動(dòng)壓力的增加對(duì)盤面高溫區(qū)形成初始位置及其分布演變的影響不明顯。

圖4 不同制動(dòng)載荷下盤面溫度分布徑向演變情況（制動(dòng)初速度為250 km/h）

此外，在制動(dòng)過程中也會(huì)出現(xiàn)僅形成一個(gè)高溫區(qū)的情況，如圖5所示。一種是在盤半徑約為270 mm（圖5a）或230 mm（圖5b）處出現(xiàn)一個(gè)較明顯高溫區(qū)，在制動(dòng)過程中，高溫區(qū)中心位置及其寬度未有明顯變化。另一種情況是在盤半徑約為250 mm處形成高溫區(qū)，高溫區(qū)隨制動(dòng)的進(jìn)行有逐漸發(fā)展為兩個(gè)的趨勢(shì)。

圖5 盤面溫度分布徑向演變

2.2 制動(dòng)盤表面溫度分布及演變的影響因素分析

（1）高溫區(qū)初始形成位置影響因素分析

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果看，盤面高溫區(qū)的初始位置基本相同，制動(dòng)力、制動(dòng)初速度對(duì)高溫區(qū)初始形成位置的影響不明顯。圖7是試驗(yàn)中采用的摩擦副及其連接件的軸向剖面圖，從摩擦副的結(jié)構(gòu)看，閘片與閘片托采用燕尾方式連接，在燕尾槽處有安裝間隙。制動(dòng)力通過閘片托從閘片燕尾的兩側(cè)作用到閘片背鋼板上，然后通過摩擦塊作用在摩擦副接觸面。

根據(jù)盤、閘片和閘片托三者的關(guān)系建立其3D模型（圖8），采用有限元方法計(jì)算制動(dòng)盤表面與閘片的靜態(tài)接接觸力。由于閘片托厚度、剛度相對(duì)于閘片背鋼板大很多，在制動(dòng)力的作用下發(fā)生變形可忽略不計(jì)，計(jì)算中假設(shè)閘片托為剛體，施加在閘片托的制動(dòng)壓力均勻分布，制動(dòng)盤與盤轂接觸一側(cè)的自由度個(gè)數(shù)為0。圖9是盤面接觸壓力分布分析結(jié)果，可見（基于閘片結(jié)構(gòu)，沿徑向?qū)⒅苿?dòng)盤接觸面分為三個(gè)部分：燕尾外側(cè)區(qū)Ⅰ，燕尾區(qū)Ⅱ和燕尾內(nèi)側(cè)區(qū)Ⅲ），三個(gè)區(qū)域相比，燕尾區(qū)Ⅱ的接觸力分布處于最低值，其它兩區(qū)的接觸力相對(duì)較高，且分布位置與高溫區(qū)初始位置基本相同。由此可見，閘片結(jié)構(gòu)形式?jīng)Q定了摩擦副接觸力分布，是影響制動(dòng)過程中盤面高溫區(qū)優(yōu)先形成位置的重要原因。

圖7 摩擦副軸向截面圖

圖8 有限元分析模型

圖9 盤面接觸壓力分布云圖

（2）制動(dòng)盤的表面溫度分布演變影響因素分析

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，每次制動(dòng)時(shí)隨著時(shí)間增加，盤面高溫區(qū)逐漸從初始位置向盤面中間位置移動(dòng)，制動(dòng)力、制動(dòng)初速度增大，高溫區(qū)偏離初始位置越明顯，說明制動(dòng)力、制動(dòng)初速度對(duì)高溫區(qū)的移動(dòng)方向無明顯影響，但對(duì)高溫區(qū)的移動(dòng)快慢有明顯影響。盤面溫度是摩擦副相互作用的結(jié)果，與摩擦副相對(duì)運(yùn)動(dòng)、接觸力、摩擦副的接觸面磨損等有關(guān)。

根據(jù)Archard摩擦磨損模型[15,20]，磨損厚度與摩擦速度和接觸力的關(guān)系為：

由式（2）可知，表面磨損速度與接觸力和摩擦速度成正比，圖9表明，閘片燕尾兩側(cè)的接觸壓力高于燕尾區(qū)，顯然，從接觸力分布的角度，閘片兩側(cè)區(qū)域的磨損速度應(yīng)該大于中部區(qū)域。另一方面，摩擦速度隨制動(dòng)盤半徑增大而增大，因此閘片燕尾外側(cè)區(qū)的摩擦速度最快，磨損速度最大。隨著溫度的上升摩擦材料的硬度下降[21]，其磨損速度也會(huì)加快。綜合接觸力和速度的分布及溫度的變化情況，可知閘片燕尾外側(cè)區(qū)應(yīng)該是磨損速度最高的區(qū)域。

閘片和閘片托的結(jié)構(gòu)關(guān)系表明，若閘片內(nèi)外兩側(cè)受力不平衡時(shí)，則閘片托具有繞連接銷孔中心轉(zhuǎn)動(dòng)的趨勢(shì)。假設(shè)閘片出現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)前后的幾何關(guān)系如圖10所示，軸表示制動(dòng)盤的接觸面，制動(dòng)力作用線與燕尾的中心線一致，與軸交與點(diǎn)，假設(shè)制動(dòng)力方向始終與閘片鋼背平面法向保持一致。設(shè)制動(dòng)盤摩擦中徑兩側(cè)接觸力中心分別為1、2，則根據(jù)力的平衡關(guān)系可知，在制動(dòng)初始兩點(diǎn)間存在以下關(guān)系：

式中：1、2分別為制動(dòng)盤摩擦中徑兩側(cè)接觸力中心的作用力，MPa；1、2分別為兩側(cè)接觸力中心到制動(dòng)力作用線的距離，m。

隨著制動(dòng)的進(jìn)行，閘片燕尾外側(cè)磨損較快致使閘片發(fā)生傾斜，由于制動(dòng)力方向始終與閘片鋼背平面法向保持一致，故制動(dòng)力方向偏轉(zhuǎn)角。偏轉(zhuǎn)后制動(dòng)力的作用線與軸交于點(diǎn)，如圖10（b）所示。根據(jù)力平衡原理可知，1、2兩點(diǎn)處的合力方向也偏轉(zhuǎn)角，則1、2點(diǎn)到制動(dòng)力作用線的距離分別為：

故可得磨損后1、2兩點(diǎn)的力平衡關(guān)系為：

顯然，由式（4）、式（5）可知1＜1、2＜2，所以比較式（3）、式（6）可以得到1＞1、2＞2。這說明由于磨損導(dǎo)致燕尾外側(cè)區(qū)接觸力減小，摩擦功率密度降低，從而使外側(cè)高溫區(qū)在制動(dòng)過程中優(yōu)先消失。燕尾內(nèi)側(cè)區(qū)盡管接觸力提高會(huì)增加磨損速度，但由于摩擦速度較外側(cè)低，磨損程度的增加不明顯，因此制動(dòng)盤內(nèi)側(cè)的高溫區(qū)具有較長的保持時(shí)間，如圖3、圖4所示。

圖10 摩擦副接觸壓力的演變示意圖

隨著這兩個(gè)區(qū)域磨損程度增加，造成閘片中部區(qū)域相對(duì)高度增加，接觸力增加，摩擦功率密度升高，從而使高溫區(qū)隨制動(dòng)過程向制動(dòng)盤摩擦中徑方向移動(dòng)（圖3、圖4），因此摩擦副的磨損與高溫區(qū)移動(dòng)密切相關(guān)[15-19]，是影響高溫區(qū)移動(dòng)的主要因素。

3 結(jié)論

（1）在制動(dòng)過程中，優(yōu)先在制動(dòng)盤摩擦中徑兩側(cè)出現(xiàn)兩個(gè)高溫區(qū)，而且隨著時(shí)間的增加高溫區(qū)逐漸向制動(dòng)盤摩擦中徑移動(dòng)。這說明制動(dòng)初始，摩擦功率高密度區(qū)分布在制動(dòng)盤摩擦中徑兩側(cè)區(qū)域，隨后摩擦功率高密度區(qū)向其它區(qū)域移動(dòng)。

（2）有限元計(jì)算結(jié)果表明，由于閘片與閘片托采用的燕尾結(jié)構(gòu)連接，盤面接觸力分布呈中間低兩側(cè)高的非均勻分布狀態(tài)，是造成高溫區(qū)優(yōu)先出現(xiàn)在制動(dòng)盤摩擦中徑兩側(cè)的主要原因。

（3）制動(dòng)盤的外側(cè)處于高摩擦速度，內(nèi)側(cè)則具有高的接觸力，使得各區(qū)域摩擦功率的不同，閘片接觸面各區(qū)域磨損快慢有差別，從而導(dǎo)致高溫區(qū)在制動(dòng)過程中發(fā)生移動(dòng)現(xiàn)象。

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Research on the Evolution of Surface Temperature Distribution of Train Brake Disc

NONG Wanhua1，XIONG Qichun1，HAN Xiaoming2，XUAN Zhaojian3

(1.Department of Mechanical Engineering, Liuzhou Institute of Technology, Liuzhou 545616, China;2.Engineering Research Center of Continuous Extrusion, Ministry of Education, Dalian Jiaotong University, Dalian 116028, China; 3.Dongfeng Liuzhou Motor Co., Ltd., Liuzhou 545616, China)

The non-uniform distribution of the temperature of the brake disc during the braking of high-speed train is an important factor influencing the thermal fatigue of the brake disc. In this paper, a friction pair of copper-based powder metallurgy brake pad and steel disc is tested on a full-scale test bench at a maximum braking speed of 350 km/h.With the technology of infrared thermal imaging and finite element analysis, the influence of the braking speed and braking pressure on the evolution law of temperature distribution and influencing factors is investigated. The experimental results show that the high temperature zones first form at both sides of the median friction diameter of the disc surface, and shift to the median diameter with the increase of the braking time. The finite element analysis results show that the contact pressure on both sides of the median friction diameter of the brake disc is obviously at a higher level, which indicates that the high pressure on both sides of the median friction diameter caused by the dovetail structure of the brake pad leads to is the main reason for the formation of the two high temperate zones on the disk surface.. The friction velocity increases with the increase of the friction radius, which leads to the preferential wear in the high temperature zone where the friction radius is larger than the friction mid-diameter, and the non-uniform wear changes the contact pressure distribution. The combined effect of friction velocity and contact pressure is closely related to the evolution law of the high temperature zone.

brake disc；brake pad structure；frictional wear；friction temperature

U26O.351

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2021.08.007

1006-0316 (2021) 08-0046-07

2020-12-18

廣西高校中青年教師基礎(chǔ)能力提升項(xiàng)目（2019KY1099）

農(nóng)萬華（1980－），男，廣西貴港人，博士，講師，主要研究方向?yàn)檐壍儡囕v閘片材料與結(jié)構(gòu)、機(jī)械摩擦磨損，E-mail：328868608@qq.com。