电磁式磁轨制动器极靴与钢轨的磨损初探

摘要

随着我国高速铁路的快速发展，列车的制动安全也变得更加重要。现有的粘着制动已很难满足逐渐提高的制动标准，因此需要大力发展非粘着制动。磁轨制动是一种结构简单、性能可靠的非粘着制动方式，十分符合我国现有的技术水平，但其缺点是制动时会产生摩擦磨损。为了研究磁轨制动器极靴与钢轨的磨损现象，丰富高速重载下的磨损理论，本论文主要进行了以下几个方面的工作:
　　首先，基于磁轨制动器的结构和基本工作原理，设计制造出磁轨制动器样机，通过传感器法实验测得其电磁吸力为56940N。根据样机的实验参数和CRH2动车组的具体参数，建立制动初速度为250km/h的紧急制动模型，计算出动车组在原有空气制动的基础上加装磁轨制动后的紧急制动力、紧急制动减速度、能量分配系数和紧急制动距离等参数。
　　其次，根据摩擦学原理和磁轨制动器的实际工况，分析摩擦副材料、速度、载荷和温度对磨损的影响。由于紧急制动时，磁轨制动器极靴与钢轨的材料、动车组的运营速度和定员质量都是确定的，所以影响极靴与钢轨磨损的主要因素是摩擦热温度场。
　　再次，建立了磁轨制动器与钢轨的摩擦热温度场模型，采用有限元软件ANSYSWorkbench进行仿真，得到紧急制动过程中，摩擦热温度场的仿真结果。通过温度对磨损的影响来分析摩擦磨损的形成机理和分布情况。
　　最后，修正经典的Archard磨损模型，采用非线性多项式拟合得到相应的瞬时速度函数、温度函数，再根据R.S.Lee和J.L.Jou提出的温度-硬度关系式，得到材料硬度函数。通过修正后的Archard磨损模型，计算出整个制动过程中，磨损质量曲线的变化情况。
　　结果表明:紧急制动开始时，每个磁轨制动器的温度都迅速上升，达到最大值后趋于平稳，最后开始缓慢下降。紧急制动结束时，温度最低和最高的两个磁轨制动器，它们的最高温度分别为559.6℃和605.7℃。极靴与钢轨的磨损类型主要是粘着磨损和磨料磨损（磨粒磨损），在摩擦表面还可能会形成热裂纹。磨损的主要区域是极靴底面延展端的中间部分和钢轨顶面的中间部分。在紧急制动初期，极靴与钢轨的磨损质量迅速增加，然后随着制动过程的不断进行，磨损质量的增速逐渐变缓，慢慢趋于稳定。整个制动过程中，磁轨制动器与钢轨的最小磨损质量为53.39g，最大磨损质量为55.11g。

目录

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摘要

第一章 绪论

1．1 高速列车的发展

1．2 高速列车的制动方式

1．3 课题的背景及意义

1．4 本文研究的主要内容

第二章 磁轨制动的种类与工作原理

2．1 电磁式磁轨制动

2．1．1 电磁式磁轨制动器的分类

2．1．2 电磁式磁轨制动器的核心

2．2 永磁式磁轨制动

2．3 磁轨制动力的计算与影响因素

2．4 本章小结

第三章 磁轨制动的磨损现象及影响因素

3．1 摩擦磨损的基本原理

3．2 摩擦磨损的种类

3．3 摩擦磨损的计算

3．4 摩擦磨损的影响因素

3．5 本章小结

第四章 样机实验与制动模型参数的计算

4．1 样机的设计

4．2 样机的实验测试

4．3 CRH2的制动系统

4．4 紧急制动力的计算

4．4．1 空气制动力的计算

4．4．2 磁轨制动力的计算

4．4．3 运行阻力的计算

4．5 紧急制动减速度的计算

4．6 紧急制动距离的计算

4．6．1 空走距离的计算

4．6．2 有效制动距离的计算

4．7 本章小结

第五章 制动过程中的摩擦热温度场仿真

5．1 温度场计算的基本原理

5．1．1 热传递的基本方式

5．1．2 温度场的主要类型

5．1．3 导热微分万程

5．2 有限元法的介绍

5．3 摩擦热温度场的仿真

5．3．1 仿真模型的建立

5．3．2 载荷与边界条件

5．3．3 仿真结果与分析

5．4 温度对磨损机理的影响

5．5 本章小结

第六章 摩擦磨损的预测计算

6．1 经典Archard磨损模型的修正

6．2 瞬时速度的计算

6．3 材料硬度的计算

6．4 磨损质量曲线的计算

6．5 本章小结

第七章 结论与展望

7．1 结论

7．2 展望

参考文献

致谢

研究生期间发表的学术论文及申请的专利