局部接触对制动盘温度及摩擦性能的影响

2020-10-17

中国铁道科学 2020年5期

（大连交通大学连续挤压教育部工程研究中心，辽宁大连 116028）

随列车速度的提高，制动盘受到热负荷和交变应力的作用，易发生热疲劳，不利于行车安全［1-4］。制动速度、制动压力、通风散热条件、制动载荷等都是制动过程中施加在制动盘上的外部条件，这些因素决定了制动盘的温度场分布［5-10］。在外部条件一定的情况下，摩擦副表面接触形式也是影响盘面温度分布的重要因素。针对这些因素，Degallaix 等［11］利用1∶1 制动试验台，比较了圆形摩擦块4种排布形式与盘面温度的关系，发现排布方式的不同可使盘面的最高温度相差达到200 ℃，这说明闸片排布方式对温度分布的影响是显著的。理论上，摩擦块的排布形式主要是改变了盘面摩擦弧长分布形态，产生的摩擦弧长分布形态的差异造成盘面温度场的变化［12-14］。一般认为，在闸片结构确定的情况下，摩擦弧长的分布就确定了，也就意味着盘面温度的分布形态仅仅与外部条件有关。然而，在试验中容易发现，测试得到的盘面温度分布形态与摩擦弧长的分布形态常常不吻合［15］，其原因在于制动盘与闸片的磨损并不是均匀的［16-17］，非均匀磨损将导致制动盘与闸片间往往存在局部接触，局部接触区位置不同，则接触点的线速度也不同，这些都会不同程度反映到盘面温度分布形态的变化。然而，局部接触的形式和位置对盘面温度和摩擦性能影响有多大，仍鲜有报道。因此，如果能通过试验的方法，研究局部接触形式与盘面温度分布和制动性能间的相互关系，对于认识制动盘面的热损伤机制是有推动作用的。

本文为探讨摩擦副表面存在的非均匀接触问题，针对制动摩擦副常出现的2 侧接触和中间接触的局部接触情况，通过将摩擦块设计为2 侧接触和中间接触形式，进行针对性制动试验，并与全接触摩擦副进行对比，比较在不同制动工况下3种接触形式时摩擦系数和盘面温度变化规律，从而探讨局部接触形式对摩擦系数和制动盘温度的影响。

1 试验材料及方法

摩擦块材料为铜基粉末冶金材料，其主要成分为铜、石墨、铁和二氧化硅等。三角形摩擦块面积为2 973 mm2，高度为20 mm。通过机加工的方法，将摩擦块表面的接触区域加工成2 侧接触、中部接触，其接触面积为全接触摩擦块的一半，如图1所示。

图1 3种接触形式的摩擦块

制动盘材料为4Cr5MoSiV1，盘外径为320 mm，厚度为20 mm，摩擦半径为125 mm。

试验设备为TM-I型轨道列车缩比试验台，制动惯量为46 kg·m2。针对3 种接触形式，分别进行制动压力为0.50，0.75 和1.00 MPa，制动速度为50，80，120，160 和200 km·h-1的制动试验，每次试验前将制动盘充分冷却，当制动盘温度低于60 ℃时开始进行摩擦试验。试验时，制动载荷按照全接触面积计算，即摩擦副2 侧接触和中间接触与全接触采用相同的制动载荷。制动压力为0.50，0.75和1.00 MPa，是用全接触的情况予以说明的。制动盘表面温度采用FlukeTi45 型红外热像仪进行记录，红外热像仪发射率设置为0.75。试验设备和温度记录采集方法如图2所示。

图2 试验设备和温度采集方法

2 3种接触形式试验结果及讨论

2.1 盘面温度随制动工况变化情况

制动速度为200 km·h-1，不同制动压力下峰值温度时刻盘面温度对比如图3所示。由图3（a）可见：制动压力为0.50 MPa，2侧接触时盘面最大温差为64 ℃，平均温度为283 ℃；中间接触时最大温差达到231 ℃，在盘半径110～125 mm 范围形成温度峰，峰值为400 ℃；全接触时盘面温度分布介于两者之间，在盘半径110～130 mm 范围形成320 ℃左右的高温区，最大温差为122 ℃。如图3（b）可见：随着制动压力的增加，全接触和2 侧接触时盘面最大温差变化不大，而中间接触时最大温差超过306 ℃，波峰温度增加到463 ℃。如图3（c）可见：制动压力升高到1.00 MPa，2侧接触时盘面平均温度升高到320 ℃左右，温差在85 ℃范围内；全接触时温度分布表现为典型的单峰形态，峰值温度达到388 ℃，最大温差为265 ℃；中间接触时温度梯度显著增加，最大温差高达362 ℃，峰值温度达到506 ℃，比全接触时高118 ℃。

图3 不同制动压力下峰值温度时刻盘面温度对比（制动速度为200 km·h-1）

制动压力为0.50 MPa，不同制动速度下峰值温度时刻盘面温度对比如图4所示。由图4（a）可见：制动速度为50 km·h-1，2 侧接触和全接触时盘面温度分布均匀，约为60 ℃；中间接触时，在盘半径110～125 mm 范围内形成峰值温度为90 ℃的高温区，最大温差为38 ℃。由图4（b）可见：随着制动速度的增加，2 侧接触和全接触时盘面温度仍为均匀形态，平均温度升至145 ℃左右；中间接触时盘面温度为明显的单峰形态，最大温差升至125 ℃。由图3（a）可见：制动速度增至200 km·h-1，3 种接触形式时盘面整体温度大幅度升高，其中2侧接触时温度分布较为均匀，全接触和中间接触时盘面温度均呈现为单峰形态；中间接触时，峰值温度比全接触时高65 ℃，且最大温差达到231 ℃。

图4 不同制动速度下峰值温度时刻盘面温度对比（制动压力为0.50 MPa）

制动压力为0.50 MPa，3种接触形式时盘面峰值温度随制动速度的变化曲线如图5所示。由图5可见：不同制动速度下，中间接触时峰值温度最高，并且随着制动速度的增加，峰值温度近似呈线性增长趋势，约增长3.3 倍，与其他2 种接触形式的差距也增加；速度为200 km·h-1时，中间接触比2侧接触时的峰值温度高出约30%。

图5 3种接触形式时峰值温度随制动速度的变化曲线

图3—图5的结果表明，局部接触对盘面温度分布，尤其是峰值温度和温度梯度的影响是显著的，且影响程度与局部接触的位置有关。由图1可知，三角形摩擦块的几何特点决定了中部区域的接触弧长大于2 侧区域，而热流密度与接触弧长成正比，因此在全接触形式下中部区域的温度高于2 侧区域的。当局部接触发生在中部时，接触区则完全集中在接触弧长最长的区域，这相当于在该区再次强化了热流密度，进一步提高了峰值温度和温度梯度。在这种情况下，一方面，过高的峰值温度容易超出制动盘的耐热温度，另一方面，过高的温度梯度加剧了热应力，这2 个因素都容易突破制动盘的许用应力，导致盘面发生早期损伤。相反，在三角形摩擦块这种几何结构条件下，当局部接触发生在2 侧区域，避开中部的高能量区，中部温度源于2侧摩擦区的温度热传导，这种局部接触反而会改善盘面的温度分布形态，显著降低峰值温度和温度梯度。这表明，在进行制动闸片的设计时，需要避免其局部接触的位置与高能量区重合。这对于改善盘面温度，提高制动盘的使用寿命是有利的。

图3—图5的结果还表明，制动工况对3 种接触形式时的峰值温度和径向温度分布也有着重要影响。随着制动压力和制动速度的增加，3 种接触形式时径向温度分布的差别均增加，其中差别最大的为中间接触，2 侧接触最小。随着制动压力的增加，3 种接触形式时盘面温度达到峰值的时间变短，造成不同区域的温度差别增大。随着制动速度的增加，制动功率与速度的3次方成正比，中间接触热源集中于中部，使中间接触的峰值温度变化最大。中间接触时，随着制动压力和制动速度的增加，中间接触的峰值温度对应的盘半径位置几乎没有变化；而全接触和两侧接触时，制动压力越大，盘面接触弧的分布形态对盘面温度的影响程度越明显，盘面高温区向对应的接触区域偏移。

2.2 摩擦系数随制动工况变化情况

不同制动压力下，3 种接触形式时摩擦系数与制动速度的关系如图6所示。由图6可见，在所试验的制动速度和压力范围内，全接触时摩擦系数一直处于较高值，且随制动速度和压力的变化，波动程度最小。

由图6（a）可见：在压力为0.50 MPa 情况下，随着制动速度的提高，3 种接触形式摩擦系数呈现先下降后上升的趋势，相对而言，全接触时摩擦系数最高且变化程度不明显，2 侧接触时摩擦系数比全接触时低0.02 左右；摩擦系数在制动速度超过100 km·h-1后，随速度增加略有增加；中间接触时摩擦系数变化最大，速度低于120 km·h-1时，摩擦系数随制动速度增加而快速下降，高于120 km·h-1时，摩擦系数变化不明显。由图6（b）和图6（c）可见：压力增大至0.75 和1.00 MPa 时，全接触时摩擦系数仍高于其他接触形式，制动速度为120 km·h-1时，摩擦系数呈现最小值；中间接触和2 侧接触时的摩擦系数接近，均随制动速度的增加而有所降低，相对而言，中间接触的摩擦系数对制动速度更敏感，这缘于中间接触形式的温度略高所致。

图6 3种接触形式摩擦系数的变化情况

可以看出，当出现局部接触时，无论是2 侧接触还是中间接触，均会导致摩擦系数降低和波动的程度加剧。总体上，局部接触与全接触相比，摩擦系数降低了10%左右。中间接触与2 侧接触相比，摩擦系数随制动速度和压力的增加，下降程度更明显。全接触时，接触面积大，能量分布区域大，盘面温度相对较低和均匀，表现为较高的摩擦系数；中间接触时，接触区域集中，随制动速度的增加，盘面升温最快，材料高温软化使摩擦系数下降；2侧接触时，接触区域被分为2 个部分，热量分散性好，盘面温度均匀（图3和图4所示），但由于接触面积比全接触时少一倍，导致难于形成足够的摩擦力。这表明，局部接触是影响摩擦系数衰减和稳定性的重要因素，其影响程度随制动速度和制动压力的增加而增加。

2.3 摩擦块表面形貌随制动速度的变化情况

全接触时，制动压力为0.75 MPa，摩擦块表面形貌在不同制动速度条件下的变化情况如图7所示。由图7可见：在50 km·h-1速度下，摩擦块表面粗糙、颜色灰暗，摩擦表面犁沟和剥落明显；在100 和120 km·h-1速度下，摩擦块表面颜色偏黄、亮度增加；速度增加到160 和200 km·h-1时，摩擦块表面颜色偏蓝、剥落程度增加。

图7 不同制动初速度下全接触时摩擦块表面形貌

2侧接触时，制动压力同样为0.75 MPa，摩擦块的表面形貌如图8所示。由图8可见，2 侧接触时，摩擦块在各个制动速度下的表面形貌与全接触时较为一致。

由图7和图8可以看出摩擦块表面形貌的相似性，相应地，2 侧接触与全接触时盘面的温度分布形态也相差不大（图3（b）所示），这表明，摩擦块表面的宏观形貌与盘面温度是密切相关的。

中间接触时，制动压力同样为0.75 MPa，摩擦块的表面形貌随制动速度的变化情况如图9所示。由图9可见：随制动速度的增加，摩擦块表面由粗糙向光滑转变，其颜色由暗红向土灰色转变。这表明，摩擦表面形态与温度形成了对应关系；中间接触时，摩擦热高度集中，摩擦块表面温度随制动速度的增加变化程度大，导致表面组织变化明显。

图8 不同制动初速度下2侧接触形式的摩擦块表面形貌

图9 不同制动初速度下中间接触形式的摩擦块表面形貌

上述试验结果表明，局部接触将改变制动盘表面温度分布形态。当局部接触发生在高能量区时，导致盘面的峰值温度和温度梯度显著增加，其增加程度随制动速度和制动压力的增加而加剧，这种局部能量的集中同时影响到摩擦块表面的粗糙程度和氧化程度，其表面组织的改变进一步反映出摩擦系数的变化。理论上，当金属材料的氧化程度增加时，可增加材料的硬度，这是有助于增加摩擦系数的；但另一方面，高温降低金属的强度，又起到降低摩擦系数的作用。在局部接触这种情况下，局部高温对金属的软化作用大，加剧了摩擦系数的衰减程度。