铜基复合制动材料摩擦磨损性能研究进展*

我国高速列车的不断提速,对制动盘材料的性能提出了更高的要求。铜基复合制动盘材料由于具有高比刚度、高比强度、优良的高温性能,以及良好的摩擦磨损性能等优点,被认为是最有应用前景的制动盘材料。在介绍高速列车制动盘材料发展的基础上,进一步论述了铜基复合制动盘材料的构成组元、制备方法及发展历程;阐述了铜基复合制动盘材料摩擦磨损性能的研究现状;最后展望了铜基复合制动盘材料的发展趋势,为高性能铜基复合制动盘材料的研制提供参考。     

一种铝基复合材料制动盘用树脂基摩擦材料

研制了一种适用于铝基复合材料制动盘的树脂基摩擦材料,测试了其物理力学性能及摩擦磨损性能。结果表明：所研制的摩擦材料具有较好的物理力学性能,各项指标达到了相应的技术要求;与用于铸铁制动盘的摩擦材料相比,具有更高的摩擦因数,更小的磨耗,制动力矩曲线平稳,能更好地适应铝基复合材料制动盘。另外,台架试验结果表明：摩擦副的摩擦磨损性能能够满足200km／h高速列车的要求。     

高速列车钢质制动盘锻造技术研究与发展

进入21世纪以来,随着列车速度的提高,列车动能的不断增加,为保证列车安全运行,高速列车需要有强大的制动力及黏着的复合制动系统,来保证良好的制动性能。纵观国内外高速列车技术,盘形制动装置是其基础制动方式的最佳选择。盘形制动装置依靠制动盘与闸片之间的摩擦获得制动力。国内外制动盘的种类繁多,曾应用过普通铸钢、普通铸铁及低合金铸铁等制动盘,由于列车速度的不断提高和轻量化要求,又相继研发了合金铸钢、钢质锻造、蠕墨铸铁和碳／碳纤维复合材料等制动盘。     

我国首台高速动力车制动盘及制动闸瓦材料选择

基础制动装置是高速动力车不可缺少的重要部件。其中制动盘和制动闸瓦的材料直接影响列车的制动性能。本文介绍了我国首台高速动力车制动盘及制动闸瓦材料的选择及结构设计。     

高速动车组制动盘运用现状及发展趋势

简述了国内外轨道交通列车盘形基础制动系统的运用情况,详细剖析了各种动车组制动盘的配置情况,分析了动车组制动盘材料运用发展情况,最后结合我国时速400公里以上等级的高速动车组开发意见,预测了制动盘的发展趋势。     

复合材料在高速列车上的应用

介绍了复合材料在高速列车上的应用,随着列车速度的提高,对机车车辆的自重和关键零部件性能提出 了一些特殊的要求,因此,具有各种不同性能的复合材料迅速被用于制造高速列车的车体、转向架和制动系统等一些关键零部件。有些原来只用于航天、航空领域的一些高成本的复合材料也在高速列车上得到应用,并有不断发展的趋势。     

高速列车制动材料高温摩擦磨损行为研究

高速列车制动盘制动时的高温摩擦磨损是导致制动盘失效的原因之一,针对高速列车制动材料,设计了4种不同温度梯度(25℃、200℃、400℃、600℃)的摩擦磨损试验。以制动闸片材料作为销试样、制动盘材料做为盘试样,进行销-盘式摩擦磨损试验。结果表明:25℃和400℃条件下都具有较高的摩擦系数,但是两种温度下的磨损类型不同;25℃条件下盘试样的磨损量和表面粗糙度均最大,以磨粒磨损为主,盘表面有明显犁沟现象;200℃条件盘试样表面平整,摩擦系数和失重量均最小,摩擦面有部分片状石墨起到润滑作用;600℃盘试样出现负磨损,氧化磨损和黏着磨损同时存在。     

基于微元法的高速制动盘瞬态温度场仿真分析

高速列车制动时,制动盘摩擦表面的温度场直接影响制动盘表面磨损、相变、热裂纹及其使用寿命。以某型高速列车基础制动装置现役锻钢制动盘为研究对象,建立热载荷模型:考虑制动闸片几何形状和分布对热流密度的影响,建立了基于微元法的摩擦面热流密度计算模型;由于热辐射计算的非线性求解特性,将热辐射系数折算成等效对流换热系数,建立了对流换热模型与辐射换热模型相结合的综合换热模型。考虑到制动盘面和散热筋几何截面的突变性,建立了由盘面和散热筋六面体网格与接触部位过渡网格构成的制动盘热分析有限元模型。对高速列车在200km/h速度下紧急制动时制动盘瞬态温度场进行仿真分析。得到制动盘温度分布规律和温度变化曲线,为制动盘选材及结构优化提供相应理论参考。     

轮轨激励对高速列车轴装制动盘热-机耦合疲劳分析

为研究轮轨激励对高速列车轴装制动盘热-机耦合疲劳影响,建立高速列车制动盘动力学模型和三维瞬态热-机耦合有限元模型,对紧急制动工况下轴装制动盘振动特性和热-机耦合特性进行计算分析。结果表明,高速列车制动盘在垂向上的振动加速度值最大,横向上最小,且振动形式以制动抖动为主,在0～100 Hz范围抖动最剧烈;与无轮轨激励工况相比,有轮轨激励的轴装制动盘表面温度升高得既快又高,在散热时,温度下降也更快;摩擦面总体呈现三个环状温度分布,在摩擦半径中心处制动盘表面温度比两侧温度高,在三个不同的摩擦半径上,温度呈现梯度分布;有、无轮轨激励工况下制动盘表面的疲劳损伤和疲劳寿命的分布云图与制动盘表面的温度场分布情况基本一致,且热应力越大制动盘表面的疲劳损伤越严重,疲劳寿命越短。     

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。     

高速列车制动盘制动过程数值模拟

采用高度非线性有限元软件MSC.Marc建立热机耦合的3D模型,模拟了200 km/h高速列车制动盘制动过程中温度和应力变化情况,分析了制动过程中温度和应力的变化规律.数值模拟结果与1:1制动台架试验结果相吻合.可为新型高速列车制动盘的研制提供参考.     

我国首台高速动力车制动盘及制动闸瓦材料的选择

介绍了制动盘及制动闸瓦材料的发展过程和我国首台高速动力车制动盘及制动闸片材料的选择及结构设计。     

铝基复合材料制动盘在地铁车辆上的应用研究

应用替代铸铁材料的铝基复合材料制动盘能够降低车辆簧下质量，满足车辆轻量化发展趋势，改善车辆的轮轨关系和运行品质。本文从装用铸铁材料制动盘和铝基复合材料制动盘的地铁车辆入手，从某地铁线路实际试验情况出发，着重研究铸铁材料制动盘和铝基复合材料制动盘在满轴重载荷及纯空气制动工况下以最高运营速度连续两次平直道紧急制动热容量性能、满轴重载荷及纯空气最大常用制动工况下实际站点正线往返运行热容量性能、空车及满载等不同载荷工况下纯空气最大常用制动减速度及制动距离等，同时分析了铝基复合材料制动盘对车辆轻量化的效果。研究分析结果表明，铝基复合材料制动盘在提高车辆轻量化的同时具备优异的热容量和制动性能。     

SiCp_A356复合材料制动盘应力场数值模拟与热疲劳寿命预测

以新型颗粒增强铝基复合材料(Sicp_A356)制动盘为研究对象,在试验研究SiCp_A356复合材料常、高温力学本构关系和低周疲劳寿命曲线的基础上,系统地对制动过程中SiCp_A356复合材料制动盘的瞬态温度场、应力应变场以及热疲劳寿命预测方法进行研究.运用热弹塑性有限元分析模型,进行制动盘的多线性随动强化热弹塑性应力应变场数值模拟,结合制动盘载荷特点给出制动盘的疲劳-蠕变损伤分析和寿命预测模型,为高速客车轻型制动盘的结构设计和工程应用提供了参考.     

两种不同材料的列车制动盘温度场分析

以列车制动盘为研究对象,建立其三维有限元模型,考虑不同的材料,分析了材料对制动盘温度场的影响。     

基于瞬态温升仿真的列车制动盘结构研究

运用ANSYS建立高速列车制动盘有限元模型,基于移动热源法对不同结构参数制动盘进行温度场仿真,对比分析散热筋形状、直径、疏密和制动盘盘体厚度对制动盘温度场的影响规律。结果表明:制动过程中,制动盘温度呈现先快速上升后缓慢下降的趋势,最高温度位于制动盘表面摩擦接触区域;采用长方柱状散热筋相比圆柱状能降低制动盘最高温度5.3%;制动盘最高温度与散热筋直径呈接近线性关系,与盘体厚度呈近似抛物线关系;增加摩擦接触区域对应的散热筋数量可以降低制动盘最高温度。最后基于仿真结果进行回归分析,拟合出制动盘最高温度函数模型,为制动盘优化设计提供了依据。     

基于相变储热原理的高速列车制动盘散热研究

随着我国高速列车速度的不断提高,尤其是长大坡道的存在,使得制动盘的应用环境更加恶劣。由于制动摩擦产生的热量使得制动盘温度快速升高,如果散热不及时,会形成高的热应力,从而导致热疲劳裂纹的产生。因此,高效的制动盘散热问题显得尤其重要。目前,制动盘的散热设计主要采用改变散热筋结构形式,这样的散热效果有一定的局限性。为了进一步降低制动盘的制动温度和热应力,根据相变储热原理,设计制动盘散热结构,通过连续两次紧急制动使得制动盘温度上升。应用有限元分析软件对不同的相变储热材料进行散热分析,得到三种制动盘的温度场和应力场。结果表明,具有相变储热材料的制动盘能够明显降低制动过程中制动盘的最高温度,同时降低了制动盘的温度梯度,从而使得制动盘受到的热应力有所降低,在一定程度上预防了热疲劳裂纹的产生。     

高速列车制动盘温度场分析

考虑了闸片形状对制动盘摩擦面上热流密度分布的影响,利用微元法计算热输入模型,将辐射换热系数折算成等效对流换热系数,建立了高速列车制动盘的有限元分析模型,并利用ANSYS对制动盘制动过程中温度场的分布进行了仿真分析。     

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。     

高速列车制动盘制动过程的有限元模拟及表面划伤对应力场的影响研究

在高寒环境下高速列车制动盘由于外界硬质颗粒随着冰雪包裹进入制动盘和闸片而导致划伤是制动盘的主要失效形式,因此对制动盘的制动过程进行有限元模拟分析有助于辅助研究和解决制动盘失效问题,而针对数值模拟划伤的产生对制动盘制动性能的影响规律国内外鲜有研究。采用ABAQUS软件中的子模型技术研究了划伤位置、深度和缺口角度对铸钢制动盘紧急制动过程中的温度场及应力场分布的影响。研究结果表明:在相同的缺口圆角半径下(r=0.1 mm),对制动盘最大等效应力的影响程度为划伤深度划伤位置缺口角度。最大等效应力随着划伤深度的增大而增加,但在划伤深度一定的条件下,最大等效应力对缺口角度的敏感度较低。在划伤处于半径为247.5 mm,缺口角度为30°,当划伤深度为3 mm时,最大等效应力超过常温时制动盘材料的屈服强度。