持續(xù)制動條件下摩擦溫度對制動性能的影響*

王 鑫 符 蓉 高 飛

(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)

持續(xù)制動是高速列車一種重要的制動方式，由于持續(xù)制動時間較長，過程中產(chǎn)生大量熱量[1]，熱量大部分被摩擦副吸收，制動盤在高溫的作用下易產(chǎn)生熱斑、劃傷、熱裂紋等不良現(xiàn)象[2-6]，閘片受到不均勻溫度作用，其摩擦面局部區(qū)域易出現(xiàn)“熱點”并造成熱疲勞損傷，最終導(dǎo)致閘片失效[7-8]。摩擦副的磨損與高溫區(qū)的移動密切相關(guān)[9]，因此對于持續(xù)制動過程中摩擦溫度以及摩擦材料的研究非常重要。

目前國內(nèi)外對持續(xù)制動試驗的研究主要針對制動盤溫度場。文獻(xiàn)[6,10]針對1∶1試驗研究了持續(xù)制動時制動盤溫度的變化情況，但沒有涉及到閘片的有關(guān)研究。文獻(xiàn)[1]研究了持續(xù)制動過程中摩擦盤溫度和應(yīng)力的關(guān)系。文獻(xiàn)[11]通過數(shù)值模擬證明制動盤溫度場與初始時刻的動能和制動壓力增長有關(guān)。文獻(xiàn)[12]研究了不同溫度區(qū)間的摩擦性能，以及第三體狀態(tài)的差異。文獻(xiàn)[13]通過在1∶1試驗臺上進(jìn)行持續(xù)制動試驗，得出瞬時摩擦因數(shù)曲線等數(shù)據(jù)。文獻(xiàn)[14]在1∶1制動動力試驗臺上進(jìn)行持續(xù)制動試驗，通過試驗得到摩擦因數(shù)變化規(guī)律，驗證了持續(xù)制動工況下摩擦材料的摩擦性能與表面狀態(tài)有很大的關(guān)系。文獻(xiàn)[15]研究了在不同速度區(qū)間材料的摩擦因數(shù)以及摩擦表面的形態(tài)。文獻(xiàn)[16-19]研究表明第三體影響摩擦因數(shù)。

上述研究中，有研究制動盤的溫度對摩擦性能的影響，也有研究摩擦性能對閘片表面狀態(tài)的影響，但對于摩擦溫度、第三體、摩擦性能三者共同的研究較少。因此，本文作者利用1∶1高速列車試驗臺進(jìn)行持續(xù)制動試驗，探討盤面溫度對摩擦性能的影響和表面狀態(tài)的變化。

1 試驗材料與方法

持續(xù)制動試驗在BD2500/1500制動動力1∶1試驗臺上進(jìn)行，試驗采用φ750 mm鑄鋼輪裝制動盤，所采用的銅基粉末冶金閘片見圖1。試驗具體方案見表1，正式試驗前將閘片預(yù)磨，使閘片與制動盤貼合面積超過85%，每次試驗的初始溫度為60 ℃。

表1 持續(xù)制動試驗方案

圖1 銅基粉末冶金閘片表面形貌

利用PYROVIEW 640L Compact長波高像素紅外熱像儀測定制動盤面最高溫度，測溫范圍為0～900 ℃。采用OLYMPUS BX41M型光學(xué)顯微鏡等觀察閘片的表面狀況。

2 結(jié)果與討論

圖2所示為持續(xù)制動試驗盤面最高溫度隨時間的變化情況。

圖2 持續(xù)制動試驗盤面最高溫度隨時間的變化

從圖2(a)可以看出，當(dāng)制動速度為100 km/h、制動壓力分別為18、28、36 kN時，盤面最高溫度隨時間均呈現(xiàn)出升高的趨勢，但盤面最高溫度均低于350 ℃。由能量守恒定律，剎車盤轉(zhuǎn)速恒定，輸入的功率均轉(zhuǎn)化為摩擦熱；結(jié)合圖2與表2，隨輸入功率增加，盤面溫升整體趨于加快；制動速度為100 km/h時，輸入功率低，產(chǎn)生的熱能較少，使得盤面溫度上升較為緩慢。當(dāng)持續(xù)制動速度超過200 km/h時，不同壓力下制動后期盤面的最高溫度均超過350 ℃，且在制動的前5 s內(nèi)溫度升高較快，如圖2(b)、(c)所示。這是由于速度較高時在短時間內(nèi)摩擦力做的功轉(zhuǎn)化成為熱能，使盤面最高溫度上升明顯。圖2(a)、(b)顯示，當(dāng)制動速度為200、300 km/h時，制動5 s后溫度出現(xiàn)短時間的平穩(wěn)期，隨后又立即上升,這種現(xiàn)象在制動壓力為28 kN的曲線上尤為明顯。這是由于在制動初期，閘片與制動盤存在局部接觸，局部升溫較快；隨著溫度升高，熱量向盤面低溫區(qū)域擴散加快，導(dǎo)致短時間的最高溫度穩(wěn)定，隨后溫度繼續(xù)上升。低制動壓力時，局部產(chǎn)熱慢，現(xiàn)象不明顯；而大制動壓力(36 kN)下，升溫迅速，溫度平臺期較28 kN時短。制動后期，盤面和環(huán)境的溫差增大，環(huán)境換熱加快，摩擦產(chǎn)熱與環(huán)境散熱趨于動態(tài)平衡狀態(tài)，盤面溫度不會明顯升高，因此摩擦表面升溫速率下降。

表2 不同工況下摩擦因數(shù)波動范圍及輸入功率

圖3所示為持續(xù)制動試驗瞬時摩擦因數(shù)隨時間的變化曲線，摩擦因數(shù)波動范圍及輸入功率見表2。可以看出，制動速度為100 km/h時，隨著輸入功率的增大，瞬時摩擦因數(shù)的波動范圍增大；制動速度為200、300 km/h時，隨著輸入功率的增大，瞬時摩擦因數(shù)的波動范圍增大，摩擦因數(shù)整體呈減小趨勢，但在較大制動壓力下，瞬時摩擦因數(shù)在制動初始階段出現(xiàn)了小幅上升后又下降。

當(dāng)制動速度為100 km/h時，隨著輸入功率的增大，盤面溫度升高，但摩擦表面最高溫度低于350 ℃(見圖2(a))，不足以使摩擦表面發(fā)生剪切塑性變形，因此瞬時摩擦因數(shù)的波動范圍小，摩擦因數(shù)較為穩(wěn)定。

當(dāng)制動速度為200和300 km/h時，隨著輸入功率的增大，盤面溫度升高，特別是在較大的制動壓力下，閘片溫度升高得更快(見圖2(b)、(c))。其中在最高溫度達(dá)到350 ℃前，摩擦溫度迅速提高，高溫完全擴散至整個摩擦表面前，最高溫度出現(xiàn)穩(wěn)定期。此期間閘片逐漸全部軟化，摩擦面積增大，摩擦因數(shù)提高；隨著制動進(jìn)行，摩擦溫度進(jìn)一步提高，閘片硬度逐漸下降，表現(xiàn)出摩擦因數(shù)降低，且制動壓力越大高溫軟化現(xiàn)象越明顯。在相同的制動速度下，摩擦因數(shù)下降的幅度隨制動壓力的增大而增大，摩擦因數(shù)波動幅度增大。

圖4所示為持續(xù)制動條件下摩擦表面最高溫度對瞬時摩擦因數(shù)的影響?？梢钥闯?，在持續(xù)制動各種工況下，當(dāng)盤面最高溫度低于350 ℃時，瞬時摩擦因數(shù)隨著最高溫度的升高而增大；當(dāng)盤面最高溫度高于350 ℃時，閘片瞬時摩擦因數(shù)隨著溫度的升高而減小。由于在盤面最高溫度達(dá)到350 ℃時，摩擦材料達(dá)到發(fā)生塑性變形的臨界溫度，在未發(fā)生塑性變形前，瞬時摩擦因數(shù)隨溫度的升高而增大；發(fā)生塑性變形后，材料的塑性提高，強度降低，可能發(fā)生斷裂而碎裂，因此摩擦因數(shù)降低。

圖5所示為持續(xù)制動試驗結(jié)束后閘片表面形貌。表3給出了不同條件持續(xù)制動過程中的最高溫度。通過對比圖1(b)可以看出，閘片在制動后形成新的摩擦表面，制動后表面由深淺兩個顏色的組織組成，淺色部分是摩擦第三體，深色部分是摩擦剝落形成的剝落坑。制動過程中盤面溫度低于350 ℃時，閘片與制動盤之間的摩擦力主要來源于硬質(zhì)第三體顆粒的嚙合作用，較強的犁削力和嚙合作用使得摩擦表面形成顆粒狀第三體，摩擦表面出現(xiàn)剝落。盤面溫度高于350 ℃時，第三體在摩擦過程中填入閘片表面使得摩擦表面趨于致密形成第三體壓實區(qū)，表面出現(xiàn)裂紋；制動速度為300 km/h、制動壓力為36 kN時，溫度急劇升高，最高溫度達(dá)到645 ℃，過高的熱應(yīng)力引起制動盤的疲勞磨損并導(dǎo)致熱裂紋，此時摩擦表面出現(xiàn)龜裂紋，第三體破碎，閘片表面被破壞。

圖5 閘片摩擦表面形貌

表3 不同工況下盤面最高溫度

3 結(jié)論

通過對銅基粉末冶金摩擦材料進(jìn)行1∶1持續(xù)制動試驗，測試粉末冶金制動閘片的摩擦因數(shù)和盤面最高溫度，分析閘片的表面狀態(tài)，可以得到以下的結(jié)論：

(1)在持續(xù)制動過程中，當(dāng)盤面最高溫度低于350 ℃時，瞬時摩擦因數(shù)隨著最高溫度的升高而升高；當(dāng)盤面最高溫度高于350 ℃時，閘片在高溫的作用下處于熔融狀態(tài)，具有黏著性，起流動潤滑的作用，瞬時摩擦因數(shù)隨著溫度的升高而降低。

(2)在持續(xù)制動各種工況下，當(dāng)盤面最高溫度在350 ℃以下時，閘片表面是松散的第三體，表面有剝落坑；當(dāng)盤面最高溫度超過350 ℃時，第三體流動性增強，表面形成壓實的第三體，由于壓力的波動及應(yīng)力分布不均勻，閘片表面出現(xiàn)裂紋，并從裂紋處擴展出剝落坑，盤面最高溫度超過600 ℃時，閘片表面出現(xiàn)龜裂紋，摩擦表面發(fā)生大面積的剝落，閘片被破壞。

(3)在持續(xù)制動過程中，當(dāng)制動速度為100 km/h時，隨制動壓力增大，瞬時摩擦因數(shù)的波動范圍減小，摩擦因數(shù)趨于穩(wěn)定；當(dāng)制動速度為200 km/h以上時，隨制動壓力增大，盤面溫度升高到350 ℃以上，閘片材料的強度降低，摩擦因數(shù)下降。