砂砾环境下高速列车制动摩擦块的摩擦学行为研究

摘要

制动系统作为高速列车的重要组成部分，在保障列车平稳减速和安全停车过程中发挥着关键的作用。列车制动系统主要由制动盘和制动闸片组成，制动闸片包括制动摩擦块以及背板，制动摩擦块是与制动盘直接接触和摩擦的部件，它们之间的摩擦学性能直接关系到列车的制动性能。近几十年来，国内外很多学者对制动过程中的振动噪声和摩擦热等制动摩擦学行为进行研究，但其研究的界面环境大多属于正常工况下的干摩擦，而对于苛刻环境(风沙、雨、雪等)下列车制动摩擦学行为的研究却鲜有报道，还未形成比较系统的制动摩擦学理论体系。我国西北及北部多条高速铁路干线常年处于风沙环境中，恶劣的外界条件使得列车制动界面摩擦环境更加复杂，制动界面除了受正常磨损产生的磨屑影响外，还可能受到砂砾的影响，这对列车制动系统的安全运行带来很大的潜在威胁，因此探究砂砾环境下制动摩擦块的摩擦学行为和机理，对丰富摩擦块在苛刻条件下的摩擦学理论、实现复杂环境下高速列车安全可靠的运营具有重要意义。　　本研究基于课题组自行搭建的高速列车盘形制动缩比试验台，采集了兰新高速铁路沿线地表的三种砂砾(沙漠砂、戈壁砂、石英砂)，研究了砂砾类型对摩擦块的摩擦学行为(磨损、热分布、振动噪声等)的影响。接着以沙漠砂为例，开展了砂砾尺寸对摩擦块摩擦学行为的影响研究。最后，将有孔摩擦块引入试验，探究摩擦块表面孔结构在砂砾环境下对界面摩擦学行为的影响，并阐释其机理。主要结论如下：　　1.三种砂砾中，沙漠砂介入摩擦环境对于摩擦块的制动摩擦学行为影响最大，此时摩擦块表面磨损最严重，外圈出现大面积的剥落现象，表面热分布最不均匀，同时向外激发出高频的尖叫噪声。其它砂砾环境下磨损相对轻微，并只激发出低频的振动噪声。　　2.砂砾尺寸对摩擦块的摩擦学行为的影响分析表明，小尺寸的砂砾能够在摩擦界面迅速堆积，经反复挤压和摩擦后导致材料大面积脱落，减少了摩擦界面的实际接触面积；中尺寸的砂砾会擦伤摩擦块表面，形成沟壑和划痕，砂砾和磨屑在表面低洼处被压实，同接触平台一起承担界面摩擦力；大尺寸的砂砾很难介入摩擦界面，而且大多嵌入材料孔隙或者剥落坑中，以“微凸体”的形式参与界面摩擦。同时，大尺寸砂砾对摩擦块表面的接触平台进行破坏，导致接触压力局部集中和交变应力，因此激发出高强度和高频率的尖叫噪声。此外，研究发现存在砂砾及磨屑堆积的区域，砂砾堆积层成为该区域主要的承力平台，且砂砾相互之间反复摩擦，导致该区域表面温度较高。　　3.探究砂砾环境下孔结构对摩擦块的摩擦学行为的影响，结果表明摩擦块表面的孔结构囤积了大量的砂砾，这些砂砾在制动摩擦过程中逐渐在圆孔周围堆积，形成的砂砾堆积层成为界面的主要承力平台，造成该区域表面温度较高。同时，由于砂砾在制动界面反复摩擦，导致摩擦块表面材料大范围脱落。

目录

声明

第1 章绪论

1.1 引言

1.2 制动摩擦块表面摩擦学行为的研究现状

1.2.1 摩擦块表面摩擦磨损研究现状

1.2.2 摩擦界面热分布研究现状

1.2.3 摩擦振动噪声研究现状

1.3 外界环境对制动摩擦块摩擦学行为的影响

1.4 制动界面摩擦学行为的研究方法

1.4.1 理论研究方法

1.4.2 有限元研究方法

1.4.3 试验研究方法

1.5 选题意义

1.6 主要研究内容

第2 章试验设备和数据分析方法

2.1 试验装置和数据采集系统

2.2 试验样品及参数

2.2.1 试验样品

2.2.2 试验参数

2.3 试验数据分析方法

2.3.1 A 计权声压级

2.3.2 磨损形貌分析

第3 章不同种类砂砾对制动摩擦块的摩擦学行为的影响

3.1 砂砾形貌和成分分析

3.1.1 砂砾形貌分析

3.1.2 砂砾成分分析

3.2 制动摩擦块表面磨损形貌分析

3.2.1 试验前后摩擦块表面形貌对比

3.2.2 摩擦块表面物质成分分析

3.3 制动摩擦块表面热分布分析

3.4 制动噪声特性分析

3.4.1 噪声的均值和频域信号分析

3.4.2 噪声和振动加速度的时域信号分析

3.5 本章小结

第4 章不同尺寸砂砾对制动摩擦块的摩擦学行为的影响

4.1 制动摩擦块表面磨损形貌分析

4.1.1 摩擦块表面磨损形貌演变

4.1.2 摩擦块表面各特征区域形貌分析

4.1.3 摩擦块表面磨损对摩擦力矩的影响

4.2 摩擦界面热分布分析

4.2.1 制动盘表面热分布

4.2.2 摩擦块表面热分布

4.3 制动噪声特性分析

4.3.1 噪声声压级和均值分析

4.3.2 噪声频域信号分析

4.4 本章小结

第5 章砂砾环境下孔结构对制动摩擦块的摩擦学行为的影响

5.1 制动摩擦块表面磨损形貌分析

5.1.1 摩擦块表面磨损形貌演变

5.1.2 摩擦块表面特征区域三维形貌分析

5.1.3 有孔摩擦块圆孔周围形貌分析

5.2 摩擦界面热分布分析

5.2.1 制动盘表面热分布

5.2.2 摩擦块表面热分布

5.3 制动噪声特性分析

5.3.1 噪声均值分析

5.3.2 噪声时域信号和频域信号分析

5.4 本章小结

结论

研究展望

致谢

参考文献