制动过程中闸片材料与制动盘温度关系试验研究

为探讨碳/陶制动盘与不同闸片材料的匹配性,对碳/陶制动盘分别与碳/陶复合闸片、铜基粉末冶金闸片和铁基粉末冶金闸片组成的摩擦副进行制动试验,研究了在制动过程中盘面各点瞬时温度、最高温度、闸片温度与制动工况的关系。结果表明：碳/陶制动盘与碳/陶复合闸片摩擦副温度及温度梯度均高于其他2种摩擦副,其温度梯度在低速制动时随压力的增加而明显增加,当制动速度较高时,温度梯度并没有随压力的增加而增加;对于碳/陶制动盘与铜基和铁基粉末冶金闸片摩擦副,随制动速度和压力的提高,盘面温度梯度变化不明显。原因在于材料导热性和起始摩擦因数决定了盘面的散热能力和制动功率,碳/陶制动盘与碳/陶复合闸片摩擦副因较高的起始摩擦因数以及较低的导热性,其制动功率高和散热能力低,导致盘面温度持续升高。     

列车制动盘试验测试与数值模拟的温度偏差分析

为准确获取制动过程中制动盘的温度来评价制动盘的寿命,针对动车组闸片与制动盘构成的摩擦副,采用1∶1列车制动试验台,分别采用红外热像仪和热电偶测试制动初速度为80～250 km/h条件下制动盘的温度;同时运用有限元软件ADINA,模拟制动过程中制动盘温度场的变化情况。结果表明:数值模拟结果与试验测试结果存在一定的偏差,其中红外热像仪所测盘面温度与模拟所得温度最为接近,两者的接近程度与制动过程有关,在制动中后期,2种方法所得盘面温度偏差变小;热电偶测得的盘面平均温度小于模拟计算温度,其偏差程度随制动压力和制动初速度的增大而增大;造成测试结果与数值模拟温度不一致的主要原因在于实际制动过程中存在摩擦副之间的压力分布不均匀问题。     

列车制动盘表面温度分布演变的研究

高速列车制动条件下制动盘的温度不均匀分布是影响盘热疲劳损伤的一个重要因素.本文针对铜基粉末冶金闸片与锻钢制动盘构成的摩擦副,利用1:1制动动力试验台,进行了最高速度达350km/h的制动试验,结合红外热像与有限元分析技术,研究了制动速度和制动压力对盘面温度分布形态的影响.制动实验结果显示,在制动过程中盘面高温区优先在摩擦中径两侧形成,并随制动时间的增加向摩擦中径处偏移.有限元分析结果显示,制动盘摩擦中径两侧的接触压力明显偏大.由此可推断,闸片的燕尾结构致使摩擦中径两侧压力偏高,是盘面形成两个高温区的主要原因.摩擦速度随摩擦半径的增加而增加,导致摩擦半径大于摩擦中径的高温区优先磨损,磨损的不均匀性改变了接触压力分布.摩擦速度和接触压力的综合作用与高温区演化规律密切相关.     

摩擦块形状对制动盘摩擦温度及热应力分布的影响

列车制动产生的摩擦热在制动盘表面的分布与闸片结构密切相关,并影响到制动盘的耐热疲劳程度.基于实际应用的圆形、六边形、三角形3种形状摩擦块的制动闸片,利用有限元分析软件ABAQUS,模拟制动时制动盘的温度及热应力分布情况.结果显示:制动盘摩擦表面温度及热应力呈环形带状分布,沿周向变化不明显,在径向上分布的均匀程度差异较大;其变化程度与摩擦块形状和位置有关,摩擦块为圆形时,盘面的温差和热应力最小,摩擦块为三角形时,盘面的温差和热应力最大;摩擦块的位置分布影响到摩擦副接触弧长度,接触弧长度增加,对应的摩擦环带温度升高;各环带对应的接触弧长度偏差越小,制动盘温度越低,分布也越均匀.     

制动初速度对制动盘峰值温度和温差的影响*

为改进制动盘的使用寿命,研究车辆速度改变时制动盘峰值温度、最大温差以及单位时间温度增量在不同制动时刻的瞬时温差。利用ADINA软件,针对盘形制动,基于热-机耦合模型模拟计算制动压力0.5 MPa、制动初速度140、160和180 km/h工况下制动盘温度场的变化。结果表明:随制动初速度的增加,盘面峰值温度和最大温差增加,3种速度条件下盘面峰值温度分别为151、167、200℃,最大温差分别为85、91和112℃;盘面温差主要缘于摩擦弧的分布形态,制动初速度的增加放大了摩擦弧的作用;制动初速度对制动盘单位时间温度增量的影响主要体现在制动初始阶段,在制动后期,温度的变化主要由冷却条件和热传导所控制;盘轴向最大温差依赖于盘的导热性能,对制动初速度不敏感。     

低温环境下制动参数对列车制动材料摩擦性能的影响

利用销-盘式摩擦磨损试验机与温度控制装置模拟低温环境下列车的制动行为,研究了低温环境(-20℃)下制动压力、制动速度对制动盘与制动闸片摩擦磨损性能的影响.研究结果表明,低温环境(-20℃)下制动盘与闸片之间的摩擦因数和磨损率均比室温环境(20℃)下略微提高.在低温环境下,制动压力和制动速度对制动材料摩擦磨损与损伤行为有明显影响.制动盘与闸片之间的摩擦因数随制动压力的增大呈现先减小后趋于稳定的变化趋势;随制动速度增加,摩擦因数呈现先减小后增加的变化趋势.制动盘和闸片的磨损率随制动压力的增大均呈现先增大后趋于稳定的变化趋势,且闸片材料的磨损率均大于制动盘材料的磨损率;随制动速度的增大,制动盘磨损率呈现快速减小的趋势而闸片磨损率呈现先减小后趋于稳定的趋势.随制动压力和制动速度的增大,闸片磨损表面第三体层分布更加均匀,表面剥落坑数量与面积呈减小趋势.     

持续制动条件下摩擦温度对制动性能的影响

为探讨铜基粉末冶金闸片与钢盘摩擦副持续制动过程中,盘面温度对摩擦性能的影响和摩擦副表面状态,采用铜基粉末冶金和钢盘配对的摩擦副,利用1∶1高速列车制动试验台,在不同速度和压力条件下进行30 s的持续制动试验,测试制动过程中盘面温度和闸片摩擦磨损性能的变化情况,并观察闸片表面状态。试验结果表明:在持续制动过程中,当盘面最高温度低于350℃时,瞬时摩擦因数升高,闸片表面是松散的第三体,表面有剥落坑;当盘面最高温度高于350℃时,瞬时摩擦因数降低,第三体流动性增强,表面形成压实的第三体,出现裂纹;当盘面最高温度超过600℃时,闸片表面出现龟裂纹,摩擦表面发生大面积的剥落,闸片被破坏。     

基于均匀压力法的某制动盘瞬态温度场研究

制动盘在紧急制动过程中的瞬态温度场及其分布情况对制动器的寿命及制动性能有着重大的影响。提出了使用分段二次插值法来确定摩擦副周向接触弧长及热流分配系数与径向位置的关系;在此基础上,使用均匀压力法来确定作用在摩擦面上的热流密度;比较了2种不同热载荷确定方法得到的温度场分布。计算结果表明:周向接触弧长随径向位置呈先增大后减小的变化规律,且变化量较大,而热流分配系数与其相反;在制动第13.307 s时,盘面温度达到最大值227.03℃;制动盘径向和轴向方向上温度梯度较大;较取平均摩擦半径处的周向接触弧长和热流分配系数,温度峰值要高出19.82℃;所设计的制动盘符合工程初始设计要求。     

结构布局优化对闸片温度场的影响

为提高高速列车制动系统中制动盘的使用寿命,参照动车组制动盘和闸片的实际尺寸,基于结构因子概念对摩擦块构成的闸片结构布局进行优化;应用有限元分析方法对优化前后的制动盘和闸片实体模型的温度场进行分析,得出优化前后制动盘和闸片的温度场分布。结果表明:优化后的闸片结构布局使制动盘的最高温度显著下降,且使制动盘和闸片在径向分布的温度均匀化程度显著提高;结构因子可以表征制动盘温度场的分布趋势,通过优化圆柱形闸片的结构因子,可优化制动盘及闸片温度场分布。     

二维轴对称摩擦制动器瞬态热弹性失稳的研究

提出考虑摩擦层闸片厚度的影响,建立二维轴对称摩擦制动器热弹性失稳的数学模型。基于扰动分析法,推导摩擦副的温度场扰动以及不同热点分布模式下的热特征平衡方程。研究临界速度和扰动增长系数的变化规律。计算摩擦面瞬态名义温度随制动时间的变化关系。分析和比较不同摩擦副厚度比、热导率、弹性模量、比热容以及热膨胀系数对系统稳定性的影响。结果表明,当热点呈反对称分布时,系统发生热弹性失稳时所需的最低临界速度远低于对称分布模式,临界速度随扰动频率的增加呈先减小后增加的变化趋势。不同扰动频率对应的扰动增长系数随滑动速度近似呈线性增加,最低临界扰动频率对应的扰动增长系数最大。当扰动频率低于临界扰动值时,温度随扰动频率的增加而增加,反之,则降低。增加摩擦副的厚度、摩擦层闸片的热导率和比热容以及减小滑动层制动盘的热导率和热膨胀系数和摩擦层闸片的弹性模量均可以提高滑动摩擦系统的稳定性。     

动态摩擦因数对蝶式制动器温度场影响的试验和模拟研究

针对蝶式制动器制动过程中温度场研究的需要,利用相似原理研制定速制动试验台,用以模拟摩托车匀速下长坡时的制动工况。制动试验台用车床的三爪卡盘控制固定在旋转轴上的制动盘做定速旋转运动,内外摩擦片通过液压力夹紧制动盘,使制动盘与摩擦片发生摩擦运动,通过热电偶、拉压力传感器、压力表、热成像仪分别测出定速制动50 s的摩擦片上固定点的温度变化、制动扭矩(经计算得出)的动态变化、制动力的均值、制动盘摩擦区域的温度场变化,实时显示并记录下来。定速制动摩擦试验机能实现不同转速、不同制动力等条件下,制动过程中的各变量的动态测量。试验还选取热成像仪测得的最大的温度为变量,研究摩擦因数随温度的变化。在试验的基础上,用ABAQUS对制动盘与摩擦片的相互作用做了一些仿真和分析。仿照实际模型1∶1建模,加载与边界条件与实际模型相同,将测得的摩擦因数随温度变化的数据输入接触条件,仿真得到制动盘与摩擦片温度场的变化。仿真与试验的结果对比表明摩擦因数动态变化的接触模型能很好的模拟制动的实际工况。     

基于ANSYS Workbench的盘式制动器热-机耦合分析

为进一步研究盘式制动器在制动过程中的行为,在建立盘式制动器热-机耦合简化计算模型的基础上,考虑温度变化对材料物理性能和摩擦因数的影响,运用ANSYS Workbench模拟分析不同制动初速度与不同制动压力下制动盘的热-机耦合特性,并从制动盘径向、周向、轴向等维度对其温度场与应力场进行了研究。结果表明：盘式制动器在紧急制动过程中,温度和应力的最大值与制动初速度和制动压力成正相关;制动初速度和制动压力对制动盘温度场和应力场有较大的影响,其中制动压力对制动盘温度和应力最大值的影响比制动初速度更加明显;制动盘温度与等效应力在圆周上都呈环带状分布,二者具有一致性,制动盘达到温度最大值早于达到应力最大值,二者之间具有耦合特性;制动盘温度在径向和轴向上存在较大的温度梯度,从而引起较大的应力变化。研究结果为探索制动盘温度场、应力场分布规律和制动盘在不同工作状态下的热-机耦合特性提供了参考。     

摩擦副组合对摩擦磨损性能的影响

在1：1惯性力矩制动试验台上研究了两种不同石墨形态的铸铁制动盘与两种混杂纤维增强的酚醛基制动闸片配副时的摩擦磨损性能。结果表明，对于某一配方的制动闸片，使用灰口铸铁盘的摩擦副具有较高的摩擦系数，但制动盘表面温度较高，闸片磨损量较大；对于某一种制动盘，使用B配方制动闸片时，制动盘表面的温度较高，但闸片的磨损量较小；在所有四种组合中，B配方制动闸片与灰口铸铁盘配副的瞬时摩擦系数能够完全满足有关技术要求。     

Frictional Properties and Mechanisms of an Organic–Metal Brake Pair Braking Repeatedly in Magnetic Field

With the aim to investigate repeated braking of organic–metal brake pairs, tribological and scanning electron microscopy (SEM) experiments were performed to reveal the influence of a magnetic field on the tribological performance of brakes. A nonasbestos copper-based brake pad and gray cast iron brake disc were selected as the brake pair. The X-DM pad-on-disc friction tester was improved to set up a tribological tester under a magnetic field. The worn surfaces were observed by SEM to reveal the friction mechanisms. It was found that a magnetic field can ameliorate the dynamic friction and wear. In addition, the global mean friction coefficient increases and the wear resistance of brake materials improves. A magnetic field promotes surface oxidation and aggravates the surface heat emission condition. As a result, the mean temperature on the friction surface increases obviously. An appropriate magnetic field can improve the dynamic temperature rise and decrease the global temperature rise on the friction surface. It is considered that a magnetic field has important influences on tribological performance in repeated braking. Therefore, this research could provide theoretical references for studying the tribological performance in repeated braking and/or under a magnetic field.     

金属陶瓷闸片配对碳陶制动盘的摩擦副1:3台架试验

按《动车组闸片暂行技术条件》TJ/CL307-2019中C6程序,对金属陶瓷闸片配对碳陶制动盘的摩擦副在1:3台架机上进行摩擦磨损试验。试验结果表明,金属陶瓷闸片配对碳陶制动盘的摩擦副具备了基本摩擦学适配性、制动稳定性和抗磨性,特别是金属陶瓷闸片耗量为0.024cm³/MJ,表现出优异的耐磨性。     

汽车风冷盘式制动器摩擦学特性试验研究

为得出制动参数对汽车风冷盘式制动器摩擦学特性的影响机理,考虑空气流动和车辆惯性因素,基于噪声、振动与声振粗糙度（NVH,Noise Vibration and Harshness）台架试验机精确模拟制动工况,研究摩擦副表面在不同制动压力（1.0~3.0 MPa）、行驶速度（5~30 m/s）以及温度（100~350  ℃）条件下平均摩擦系数与摩擦稳定系数的变化规律。试验结果表明：制动压力增大时,摩擦力矩并非一定随之增大,尤其是较高行驶速度条件;当制动盘表面温度超过300 ℃时,低速条件下的平均摩擦系数和摩擦稳定系数急剧减小。     

风电制动器的热—结构耦合分析

针对制动器紧急制动时制动盘的旋转运动规律,根据风电制动器的实际结构和热传导的基本理论,建立了制动盘的温度场的数值模型,提出了循环迭代的计算方法,并用ANSYS有限元软件模拟了制动盘的温度场。将温度场中的热单元转化成结构单元实现热-结构的间接耦合,采用184单元刚性梁特性来带动制动盘转动,从而来模拟制动盘的减速运动,在充分考虑温度场和应力场的耦合关系的情况下,提出了分步加载的方法来计算制动盘的应力场。模拟结果表明:制动盘摩擦区域的点的等效应力分布与其温度场的分布基本一致。     

高速列车制动盘瞬态温度和热应力分布仿真分析

制动盘的热疲劳损伤是当前列车安全制动的主要威胁。制动过程中的瞬态温度和热应力分布是热疲劳损伤研究的基础。通过建立制动盘无内热源的三维温度场分布的数学计算模型,采用热弹塑性有限元法,利用摩擦功率法计算温度场载荷,仿真不同制动工况下制动盘摩擦热负荷产生的温度场以及热应力分布。主要计算一次常用制动、一次紧急制动、三次紧急制动和一次坡道制动这4种制动工况。通过仿真分析发现,不同工况下制动盘面的温度变化有着相似的规律。制动开始阶段,随着强热流的不断输入,盘面在很短时间内迅速升温,很快达到峰值点。随后,盘体逐渐通过辐射和对流的方式散热,温度缓慢下降。相对紧急制动和常用制动的升温过程,坡道制动的升温显得缓慢一些。研究不同工况下制动盘温度和热应力的变化和分布规律,为高速列车复合材料制动盘的热疲劳性能评价提供依据。