（光学工程专业论文）车辆制动摩擦性能研究与试验.pdf

摘要 摘要 为了适应我国经济社会发展的需要，货运列车提速和重载是提高铁路运输 能力的有效措施。我国铁路的货运列车速度将由目前的8 0 k m h 提高到1 2 0 k m h ， 轴重也将由2 1 t 提高到2 3 t 甚至2 5 t ，货运列年的重载和高速对列年制动提出 了更高的要求。由于转向架结构限制目前货运车辆仍然采用踏面制动方式，其 中与之相适应的高摩合成闸瓦研制是重载及提速货车配套的一项关键技术。由 于合成闸瓦的导热性羞，所以在制动的过程中与其他制动摩擦材料相比车轮要 吸收更多的热量，这可能会导致制动时摩擦系数4 i 稳定，同时车轮也很容易受 到热损伤。所以对踏面制动摩擦性能的研究尤其对制动车轮温度场的研究和用 于检测这种性能的闸瓦摩擦制动试验台的研制就显得重要而迫切。 首先，本文分析了闸瓦制动摩擦性能和闸瓦摩擦制动试验台的研究的发展 历史和现状。对蹈面制动摩擦特性包括摩擦机理、制动用摩擦材料的摩擦特性 和影响制动摩擦性能的主要外部因素相关理论做了较深入的分析研究。 其次，分析确定出了紧急制动时车轮温度场的边界条件，包括车轮制动时 的热流密度、车轮踏面和轮辋的对流换热系数和辐射换热系数，建立了车轮在 制动时的温度场有限元模型，并用有限元分析软件a n s y s 求解出制动时车轮的 温度场，通过所研制的摩擦制动试验台温度测试数据、校核温度场计算方法， 为研究新型货车制动模式提供可信的计算模型。 再次，利用虚拟仪器技术，搭建了以t 业控制计算机为基础的硬件平台， 并利用c + + b u i l d e r 而向对象的应用程序开发软件开发了测试控制软件。实现 了对包括制动力、制动初速度、踏面i ：湿条件等初始条件参数的设定，在制动 过程i l - 完成了对年轮转速、制动力、摩擦力、制动时间等参数的实时测试和显 示。在一个制动循环完成后，白动对数据分析处理并根据需要存储和输出测试 结果，并能自动生成完整的测试报告，且能查询和打印历史测试报告。 最后，在研制的摩擦制动试验台进行试验和研究分析出的摩擦制动主要受 限的车轮闸瓦在制动时的温度场有限元模犁基础上，通过对典型发展的2 5 t 轴 重货车，分别以8 0k m h ，1 2 0 k m h 的初速度的紧急制动试验，验i l f 了以上有限 元分析方法仿真紧急制动温度场的止确性。通过计算分析提卜h 了单侧闸瓦制动 摘要 在初速度为1 2 0 k m h ，在t b 规定的1 4 0 0 m 制动距离车辆运行不能超过2 l t 轴重 的结论。 关键词：重载货年，制动，试验台，有限元分析，温度场 a b s t r a c t a b s t r a c t i no r d e rt oa d a p t i n gt oc h i n a se c o n o m i ca n ds o c i a ld e v e l o p m e n t ，a n dh e a v y - h a u l a n dh i g hs p e e do ff r e i g h tt r a i ni st oi m p r o v et h er a i l w a yt r a n s p o r tc a p a c i t yo f e f f e c t i v em e a s u r e s c h i n a sr a i l w a yf r e i g h tt r a i ns p e e df r o mt h ec u r r e n t8 0 k m ht o 12 0 k m | h ，a x l el o a d21tw i l la l s ob er a i s e dt o2 3 to re v e n2 5 t ，t h eb r a k i n gi s i m p o r t a n tf o rt h eh e a v y - h a u lf r e i g h tt r a i n sa n dh i g h s p e e dt r a i n b e c a u s es t r u c t u r a l o ft h eb o g i ef r e i g h tt r a i nc o n s t r a i n t s ，t h ec u r r e n tt r e a db r a k i n gm o d ei ss t i l lu s e d ， c o r r e s p o n d i n g l yt h eh i g hf r i c t i o nc o e f f i c i e n ts y n t h e t i cb r a k es h e oi sak e yt e c h n o l o g y s u p p o r t i n gf o rt h ed e v e l o p m e n to fh e a v y h a u lt r a i n b e c a u s eo fp o o rt h e r m a l c o n d u c t i v i t y ，c o m p a r e dt oo t h e rb r a k i n gf r i c t i o nm a t e r i a lw h e e l s ，s y n t h e t i cb r a k e s h o ea b s o r bm o r eh e a td u r i n gb r a k i n g ，w h i c hm a yl e a dt ou n s t a b l ec o e f f i c i e n to f b r a k i n gf r i c t i o n ，w h i l et h ew h e e li sa l s ov e r yv u l n e r a b l et oh e a ti n j u r y s ot r e a d b r a k i n gf r i c t i o n o nt h ep r o p e r t i e so fp a r t i c u l a rw h e e lb r a k et e m p e r a t u r ef i e l d r e s e a r c ha n df o rt h ed e t e c t i o no fs u c hp r o p e r t i e so fb r a k es h o ef r i c t i o nb r a k i n g t e s t - b e dh a sb e c o m ee s s e n t i a la n du r g e n t f i r s to fa l l ，t h i st h e s i sa n a l y z e st h eb r a k ef r i c t i o np e r f o r m a n c ea n df r i c t i o n b r a k i n gt e s t - b e dr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to fh i s t o r ya n dc u r r e n ts i t u a t i o n o ft r e a d f r i c t i o nc h a r a c t e r i s t i c si n c l u d i n gf r i c t i o nb r a k em e c h a n i s m , b r a k ef r i c t i o nm a t e r i a l w i t ht h ef r i c t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fb r a k ef r i c t i o np e r f o r m a n c ea n di m p a c to fm a j o r e x t e r n a lf a c t o r s r e l a t e dt ot h et h e o r yt od oam o r ei n - d e p t ha n a l y s i so fr e s e a r c h s e c o n d l y ，t h ew h e e lt e m p e r a t u r ef i e l db o u n d a r yc o n d i t i o n sa r ei d e n t i f i e dw h e n a ne m e r g e n c yb r a k e ，i n c l u d i n gh e a tf l u x ，t h ec o n v e c t i o nh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n ta n d r a d i a t i o nh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n to fw h e e lt r e a da n dw h e e lr i mw h e nb r a k i n g ，t h e t e m p e r a t u r e lf i e l df i n i t ee l e m e n tm o d ei ss e tu pa tb r a k i n g ，a n dw i t hf i n i t ee l e m e n t a n a l y s i ss o f t w a r ea n s y st o s o l v et h ew h e e l s o ft h et e m p e r a t u r ef i e l da t b r a k i n g ，t h r o u g ht h ed e v e l o p m e n to fb r a k ef r i c t i o nt e s tb e df o rt e m p e r a t u r et e s t d a t a ，c h e c k i n gt h et e m p e r a t u r ef i e l dc a l c u l a t i o nm e t h o df o rt h es t u d yo fn e wg o o d s b r a k i n gm o d et op r o v i d ec r e d i b l ec a l c u l a t i o nm o d e l i i i t h i r d t h eu s eo fv i r t u a li n s t r u m e n tt e c h n o l o g y ，h a r d w a r ep l a t f o r mi sb u i l tw i t h t h ei n d u s t r i a lc o m p u t e r - b a s e da n dt om a k eu s eo fc + + b u i l d e ro b j e c t - o r i e n t e d a p p l i c a t i o nd e v e l o p m e n tt e s tc o n t r o ls o f t w a r e i n c l u d i n gt h ei m p l e m e n t a t i o no ft h e p o w e rs y s t e m , b r a k e i n gs p e e d ，s u c h a sw e ta n dd r yc o n d i t i o n so ft r e a d ，t h e p a r a m e t e r so ft h ei n i t i a lc o n d i t i o n sa r es e tu p ，a tt h ec o m p l e t i o no ft h eb r a k i n g p r o c e s sp a r a m e t e r ss u c ha st h ew h e e ls p e e d ，b r a k i n gf o r c e ，f r i c t i o nf o r c e ，b r a k i n g t i m ea r er e a l t i m e l yt e s t e da n dd i s p l a y e d i nab r a k i n gc y c l ei sc o m p l e t e ，t h e a u t o m a t e dd a t aa n a l y s i sa n di na c c o r d a n c ew i t ht h en e e dt od e a lw i t hs t o r a g ea n d o u t p u tt e s tr e s u l t s ，a n da u t o m a t i c a l l yg e n e r a t eac o m p l e t et e s tr e p o r ta n dc a nq u e r y a n dp r i n tt h eh i s t o r yo ft e s tr e p o r t s f i n a l l v 。i nt h ed e v e l o p m e n to fb r a k ef r i c t i o nt e s t b e dt e s t i n g ，a n dr e s e a r c ha n d a n a l y s i so ft h ef r i c t i o nb r a k i n go ft h ew h e e l s ，t h em a i nl i m i t a t i o na tb r a k i n gw h e n t h eb r a k et e m p e r a t u r ef i e l df i n i t ee l e m e n tm o d e lb a s e do nt h et y p i c a ld e v e l o p m e n t o f 2 5 ta x l el o a dt r a i n ，r e s p e c t i v e l y ，t o8 0 k m h ，12 0 k m hi n i t i a ls p e e do ft h ee m e r g e n c y b r a k i n gt e s t s ，t ov e r i f y t h ea b o v ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i so ft e m p e r a t u r ef i e l d s i m u l a t i o no fe m e r g e n c yb r a k i n gi sc o r r e c t a n a l y s i sb yc a l c u l a t i n gas i n g l eb r a k e s h o eb r a k ea tt h eb e g i n n i n go fas p e e do f12 0 k m h ，t h ep r o v i s i o n so ft h e14 0 0 ma t t bb r a k i n gd i s t a n c eo fv e h i c l e sr u n n i n g2 1ta x l el o a ds h o u l dn o te x c e e d c o n c l u s i o n s k e yw o r d s ：h e a v y h a u lf r e i g h tt r a i n ；b r a k e ；t e s t - b e d ；f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ； t e m p e r a r t u r ef i e l d i v 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名： 仰 吖# 一 日 、l=1 ， 引 亿 电 内 “卜) 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、己公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均己在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 一虢存膨 谚缈 第l 章引言 1 1 课题来源及研究意义 第1 章引言 随着中国社会经济的不断向前发展和社会经济区域发展的不平衡，铁路运 输能力不满足发展要求的矛盾越来越突出。发展人功率机车，增人车辆载重足 我国铁路货物运输发展的重要方向。最新研制的运煤专用车辆载重8 0 t ，总重 已超过到l o o t 。2 0 0 5 年8 月，首批2 0 0 辆轴重2 3 t 的7 0 t 级新犁货车投入大秦 铁路进行运营试验，现已全部在线上正常运行。为了进一步提高铁路运力，我 国铁路货车轴重将向2 5 t 迈进。近十几年来的实践证明，重载运输是铁路扩能 提效的一种有效途径，已成为我国铁路货运的发展方向。为了= 牟：面提高运输能 力和运输效率，货物列车提速也势在必行。近年来，我国铁路己开始对既有货 车进行改造，以使其适应1 2 0k m h 运行的需要。 无论是快速还是重载，“制动”都是一个非常关键的问题。列车制动问题如 果没有解决，即使有了高质量的线路、有了大功率的牵引动力、有了大轴晕的 车辆等，快速或者重载还是不可能实现的。 货物列4 1 正朝着快速重载的方向发展，并且在运行速度。定的情况下，制 动能量与车辆重量成止比：在车辆重量一定的情况。卜，制动能量又和速度的平 方成正比，制动功率与速度的二次方成正比。因此货车提速、轴重增加以后， 列车的动能急剧增加，制动时所产生的热量也大大增加，对于依靠空气制动作 用的货车车辆，在紧急制动停车时，由动能转换成的热能几乎全部被摩擦副所 吸收。高摩合成闸瓦是重载及提速货车配套制动技术之一。由于合成闸瓦导热 性差，所以，使用合成闸瓦同采用铸铁闸瓦时相比，车轮在制动过程中要吸收 更多的热量，因而更易受到热损伤。近年来的实践表明，随着轴重及速度的提 高，车轮由于制动产生损伤的比例人人增加。 随着我斟铁路货物运输提速、重载的实行，货车车轮和闸瓦问的摩擦性能 及磨耗特性，对货物列车的运行安全性和货车的运用和维修成本有着很大的影 响。凶此，改善闸瓦和车轮的摩擦性能，使其具有稳定的摩擦系数，降低闸瓦 和j 午轮的磨耗尤为重要。研制专用的l ：1 货_ 午闸瓦制动1 牛能试验台，为研制新 第1 章引言 型高性能闸瓦创造必要的试验设备，对闸瓦和车轮问的摩擦性能和闸瓦的磨耗 特性进行检测论证，在闸瓦开发阶段，对闸瓦用制动材料配方进行筛选和工艺 进行研究提供实际口j 。靠试验参数，在制造阶段为提高闸瓦的生产质量和对闸瓦 的摩擦制动性能改进研究提供试验验证条件。并且在每阶段批次供应闸瓦时提 供了质量保证设备。 目前国内外已建成的制动摩擦性能试验台，俗称闸瓦( 闸片) 试验台( 制 动动力试验台) ，大多是综合性的摩擦性能试验台，其优点是：口j 以进行机、客、 货各利年型的不同型式的机械制动装置的摩擦性能试验，最高试验速度可达 3 0 0 4 0 0 k m h ，有的还可以模拟各种自然条件下( 摔制试验对象的环境：如温 度、湿度和风速等) 的闸瓦摩擦制动性能试验。但其所需的投资昂贵，试验成 本高，是一般生产企业难以投资建设的。 在以上的行业背景和现状下，对重载货车的闸瓦摩擦件能以及相关研发检 测相关设备的研究就变得极为紧迫，存此基础上研制的货车闸瓦试验台必须是 为了适合生产货车闸瓦的企业的专用货车闸瓦试验台，它在能在满足货车闸瓦 各项性能试验需要和实现对应车轮安装更换的基础上，创造性提出简化试验台 的结构，降低试验台的建设费用，便于维护检修，以适于企业节能降耗的要求。 使得这种大大降低各种成本的制动摩擦性能试验台能真正应用丁各个生产、运 营甲位，为保证铁路运输安全提供了关键设备。 1 2 国内外发展与研究现状 1 2 1 国内外对闸瓦摩擦制动性能的研究现状 近些年来国内外的有关专家学者对i 、甲j 瓦摩擦制动性能做了大量研究，在闸 瓦摩擦制动过程中热量耗散和摩擦副温度场变化直接影响了摩擦性能和车轮质 量，冈此住研究货年轮瓦制动问题方面，其一i - 主要集i 在对制动摩擦机理的探 讨和对制动摩擦热的分析。因为摩擦磨损特性对摩擦发热而引起的温升影响最 大，因此首先需要考虑摩擦磨损机理和相关因素。 分形( f r a c t a l ) 是法国数学家b e n o i tbm a n d e l b r o t 在午首先提出的，它 与耗散理论以及混沌理论被称为2 0 世纪7 0 年代科学上的三大发现，是非线性 科学研究中的重要成果叫。分形理论的研究对象是臼然界和社会活动中广泛存 2 第l 章引言 在的无序无规则而具有自相似性的系统。”。分形理论借助相似性原理，洞察隐 藏于混乱现象中的精细结构，为人们从局部认识整体，从有限认识无限提供了 新的方法”。 口前对分形还没有严格的数学定义，只能给出描述性的定义。粗略地说， 分形是对没有特征长度( 所谓特征长度，是指所考虑的几何对象所含有的各种长 度的代表者，例如一个球，可用它的半径作为特征长度) 。是具有一定意义下的 自相似图形和结构的总称“1 。 分彤理论在摩擦磨损问题研究- i i 的应用研究材料磨损规律i i i 建立磨损数值 模型，一直是摩擦学的重要研究方向之一。张海军等对1 i 同条什下磨损后的材 料界面进行分形维数计算，确定了材料磨损机理与分形维数之间的关系。研究 结果表明，随试验载荷的增加，磨损的加剧，材料对应的分形维数也变大u ”。 b r o v e n 等用动态的微观机理观测了材料发生粘着磨损的伞过程，并提出了用分 形结构和分形维数来研究粘着磨损的产生机理的想法，用测定磨损表面的分形 结构特缸f 来确定粘着磨损的产生形式及磨损的相对速度h 。z h o u 等对此也进行 有益的尝试，他们恨据m - b 分形接触模型和的粘着磨损公工i = 建立磨损计算模型， 用此模型分析了材料特性、分形参数及真实接触面积等对磨损量的影响规律， 并通过试验所测的使磨损率最低的分维值与用此模型所计算的最佳分维值进行 了比较，发现此模型与实际情况基本吻合。 此外，分形坪论在摩擦系数预测和磨屑分析等方面也取得了一定的研究成 果。文献1 2 基于接触分形模型推导了适于低载荷情况的摩擦系数计算模型“， 考虑接触过程中表面分形维数的，叟化，得出的载荷一静摩擦系数关系式的预测 值与试验结果推测的趋势完全相同。在磨屑分析i i l ，方面，川分彤几何对磨 屑进行定量表征，克服了用体彩 、面移 和长度测量等米度量或定性说明的不足， 另一方而，研究了管屑的分形表征参数与材料的磨损状态、磨损方式等的对应 关系。 摩擦磨损对摩擦发热向引起的温升特性影响最大冈此，人们从不同的角度 一直都在对其进行研究。传统的摩擦温度研究模犁虽能预测接触处的最大和j i ， 均温丌，但不能确定真实接触由卜的温度分布。为此，文献1 3 、1 4 引入分形理 论对不同的滑动方式下摩擦温升分布规律进行了研究。”“。他们基于接触分形 模型以及弹、颦件接触力学和热传导的基本原理，分别钊。对弹中串接触慢速滑动、 弹塑性接触慢速滑动和弹性接触快速滑动等情况推导出了真实接触面上的温升 3 第1 章引言 分布密度函数( 疋) 中和温升累秋分布函数f ( 疋) ( 即温升大于瓦的那部分真实 接触面积) 。根据所得模型可以做出陶瓷材料慢速滑动方式下的理论分析曲线， 从中。口j 知随着d 的减小，( 疋) 的非零域增大，即最大温升值增大，温升分布 范同变宽非正常润滑即大于润滑油熔点温度的真实接触面积也增大。很显然， 所得温升分布规律与实际情况的变化趋势是甚本吻合的。 w a n g 等引入分形理论首创了摩擦温升的分布模型“一。1 ，为研究润滑油的劣 化、表面的氧化和热机械磨损等的状况提供了良好的条件。如用f ( 疋) 。口j 方便地 得到处于任何温度范同的真实接触面积，特别是当疋是边界润滑膜的热温度或 表面材料的热破坏温度时，则可用f ( 疋) 确定非正常润滑或热机械磨损的那部分 真实接触面积。但这个模型离实用还有一定筹距，首先作为其基础的接触分形 模型本身是不完善的，其次由于这个模型把整个名义接触而都看成是分形的， 而一般粗糙表面具有分件特性的尺度上限比名义接触面尺度要小得多，那么考 虑各相邻分形区域摩擦温升的相互影响是很有必要的。因此，要想使此模型能 够用于工程实际，还有待实验的检验。 国际铁路联盟试验中心b 1 6 9 专门委员会曾专题研究车轮和闸瓦的受热极 限问题，并认为车轮的断裂和变形与制动后的午轮残余应力场有关。在研究中 首先确定了最1 i 利的制动条件，包括闸瓦和车轮的磨耗状态、闸瓦相对丁车轮 的接触位置、制动类型( 包括紧急制动、坡道制动以及其组合) 等，然后选取最 不利的组合进行试验，测量残余应力场和进行有限元分析比较等。在测量中， 采用了超声波方法和x 射线衍射方法测量轮辆处的残余应力场“。 英国德比研究所曾就合成l 甲j 瓦与车轮的关系作了大量的试验，认为车轮踏 面局部热斑温度超过9 0 0 可能使轮箍断裂，超过7 0 0 将产生明显裂纹，超过 6 0 0 产牛允许裂纹，超过4 0 0 ，低于6 0 0 虽然不会产牛裂纹，但闸瓦弹性 模量高，贴合性差，容易引起局部高温。为防i i ：车轮热裂纹，车轮表而最高温 度不得超过6 0 0 c ，中j 瓦压缩弹性模量不得超过1 0 1 0 3m p a 。德国的赫尔 曼j 施罗德的试验表明，踏面制动的轴平均制动功率极限为3 4 0 k w 。超过这 个极限，车轮踏面将因为吸收过多的热骨= 而产生裂纹1 。美国认为使用合成闸 瓦时，车轮踏面温度不得超过3 4 3 c ，轮平均制动功率不超过1 7 0 k w “1 。原德 国联邦铁路认为合成闸瓦的极限速度是当轴重2 0 t 时为1 2 0 k m h ，当轴重1 8 t 时为1 4 0 k m h 。 对踏面制动而言，由丁铸铁闸瓦在制动过程中的吸热比例高达3 3 5 ，在 4 第1 章引言 过大的制动热负荷下丰要是闸瓦严重磨耗和熔化的问题。采用合成闸瓦则可减 少闸瓦的吸热比例，提高制动功率限值，以适应货车提速和重载的需要。但同 时应考虑到制动热负荷对车轮热应力和使用寿命的不利影响。为此，我国曾在 上世纪9 0 年代进行了专题调查及试验研究工作。研究表明，对年轮热负荷最不 利的制动t 况是紧急制动和坡道制动t 况，特别是在长大下坡道地区。由于我 国的货车空气制动机缺乏国外一些空气制动机所具有的坡道制动位或保压阀作 用，因此制动条件更加恶劣。虽然这两种制动工况并不普遍，但由于我国货车 轴重大、使川频率高，必然导致住所有制动工7 兑综合作j h j 下的热疲劳破坏问题。 根据1 9 9 5 年对车轮裂纹的调查结果，新车轮对存1 5 年内就发生裂纹者为7 2 ， 并且有近6 0 发生在踏面及其附近，这表日月裂纹与踏面制动引起的热疲劳有关 i9 国内外的专家学者还应用数值仿真方法对车轮踏面摩擦制动对车轮的影响 作了许多的深入研究。 1 9 9 8 年，l r a m a n a n ，r k r i s h n ak u m a r 等使用有限元软件a b a q u s 和i - d e a s 对铁路车轮进行了热一机显式混合有限元分析，模型中考虑了轮轴和轮轨的接 触。 g o r d o n 、j o n e s 和p e r l m a n 等人曾做了大晕的有限元分析上作，论韵卜了在 轮辋截面区域，年轮工作载荷( 包括热载荷和机械钱荷) 是怎样影响生产过程l i l 引入的周向残余压应力的。研究认为，车轮踏面以下不同深度都存在残余托应 力，主要和工作载倚情况有关。 美国c a m e r o nl o n s d a l e 等在重载货车车轮热负荷问题的探讨一文中讨 论了重载货年制动热负荷对车轮的影响，按照a a r s - 6 0 0 标准建立了直径为 9 1 5 m m 的二维货车车轮有限元模型，分别对不同厂家牛产的车轮进行了分析。 计算结果表明，坡道制动2 0 m i n ，以9 6 6 k m h 运行的j 3 6 - - 次磨耗车轮的踏而 最高温度。n j 超过5 0 0 。c ，最大应力达6 9 5 1 m p a 。 2 0 0 0 年，铁道科学研究院对铁道年辆制动热负荷进行了计算，提出了发展 大轴重货车时必须考虑制动热负荷的影响，按同样减速度要求合成闸瓦对2 1 t 和2 5 t 轴重货车的适应限速分别为1 4 0 k m h 和1 2 0 k m h 左右，该限速以卜应采 用盘形制动装置”1 1 。 2 0 0 3 年，铁科院机车车辆王京波使用有限元分析软件m a r c ，建立快速货车 车轮二维有限元模犁，分别用数值方法和实验方法对合成闸瓦对乍轮的热影响 5 第1 章引言 进行了研究和评估“。 北京交通大学研究生刘云在2 0 0 3 年曾对提速货车车轮的温度场及热应力 场进行了数值模拟，其将模型简化为二维模型，且只考虑了对流换热，所有计 算均不考虑辐射换热。 同前国内针对车轮踏面制动过程中的温度场以及热应力场的仿真模拟时， 出于车轮本身的结构相对简单，也出于计算方便的考虑，一般是将车轮模型简 化为轴对称的二维有限元模型来讣算，这样计算的结果只能对踏面温度场和热 应力场有。个大致的描述。计算过程- i 把对流换热系数作为个常值，般不 考虑热辐射的影响。而实际上况中，车轮存受到热载荷作用的同时，还受到机 械载荷的作用，综合考虑这两种载荷，可以使仿真分析更符合实际情况。并且 在以前的货车踏而紧急制动仿真模拟时，一般初始条件都是轴重不超过2 1 t ， 速度不超过1 2 0 k m h ，紧急制动距离为8 0 0 m “。 1 2 1 国内外闸瓦摩擦制动试验台的研究现状 到上世纪8 0 年代，铁路制动系统的制动试验均在简易的试验台上进行。这 种试验台由惯性轮构成，还包括试验用车轮和| 、甲j 瓦。但是这样简单试验台不。口j 。 能达到高速要求。在国外，作为铁路客运比较发达的日本和法国住上世纪9 0 年 代就已经研制m 了性能较高的制动试验台。 口本已设计出针对最高车速为5 0 0 k m h 的新型实物惯性制动试验台。该试 验台惯性轮的惯性矩口j 负担1 台1 0 0 吨重i 轴转向架机车的轮重设计，此时的 许用转速为1 7 0 0 r m i l 3 ，在相当丁新干线车辆每辆重彳i 足6 5 吨时，则可做最高 转速为3 1 0 0 r m i n 的试验。惯性轮惯性矩是2 9 41 2 7 4 k g m 2 ，最大制动压力是 3 0 k n ，制动方法为油压伺服制动，最大制动扭矩是2 5 k n m ，最大试验制动盘直 径7 8 0 m m 。在试验中，试验台从制动时的温度分布、热的传递方法、耐热强度、 冷却效果、制动扭矩和磨耗状态等必要的试验来进行盘形制动刹车片件能的测 定。 同时法国也研制出最高转速为2 9 0 0 r m i n 的新型制动试验台。该试验台有 较先进的控制台，它用一个扭矩计始终将扭矩值信息传递给试验台导向台，信 息通过轴系和主动轴内的导线来传输。电机始终提供与制动力矩相反的力矩， 以便保证执行模拟的速度和惯性指令，各部件之间采刖啮合方式连接。该试验 6 第l 章引言 台还有一些安全监控台，丰要包括：电功率设备监控台、轴承监控台、空气压力 监控台。此新型试验台完全能适应现代制动的需要，l 刊时对未来铁路制动设备 的发展也留有足够的余地。其主要优点是：自动化程度高，具有连续的单独工作 能力，能够以最短的时问完成多项试验“。 我国高速列车制动性能测试的研究起步较晚，目前对盘形制动用合成摩擦 材料制动特性的研究主要分两种情况，一种是使用一些实验室用的小型模拟摩 擦磨损试验机，如忙2 0 0 、d _ _ m s 等，测量滑动摩擦面的摩擦系数、接触面温 度、磨损量的变化，这种方法花费少、耗时短。铁道部科学研究院与广州铁路 局对合成闸片性能试验台的丌发进行了攻关，研制出用丁高速列车刹车片制动 的试验台。该台操作简单、安全，性能可靠，可对闸瓦( 刹车片) 材料配方和工 艺进行筛选研究，为进一步试验提供性能较佳的火车用制动材料。 表1 1 困内铁路乍辆用l ：卜睽性制动试验台 铁道部机辆所试 四方所试验台隆昌厂试验台 验台 试验车轮直径( 舢) 8 3 98 4 28 4 0 应具有惯堵 1 8 8 l1 8 9 4 41 8 9 1 2 试验台惯最 1 8 6 21 9 2 2 61 8 9 5 7 9 5 惯量相对误差 - 0 9 6 6+ 1 4 8 9一1 6 6 0 压力传感器，模 压力传感器，模拟压力传感器，模拟 闸瓦压力采集方式 拟信号信号信号 距离( 圈数) 采集方l 周1 8 0 个脉冲，l 周l o 个脉冲，数l 周6 0 0 个脉冲， 式 数字信号字信号数字信号 压力传感器，模压力传感器，模拟压力传感器，模拟 垂直力采集方式 拟信号信号 信号 编码盘，数字信 试验速度采集方式计数器，数字信号编码盘，数字信号 号 闸瓦压力控制方式 比例溢流 伺服液爪系统 何服液压系统 本次试验空走时间 0 200 6 ( s ) 闸瓦压力卜升时问 0 2 50 2 - 0 2 5 0 6 7 第l 章引言 ( s ) 采样频率( h z )2 09 51 0 滤波方式低通滤波器低通滤波器 滤波频率( h z ) 1 02 0 试验俞7 5 k m h 的平 0 2 3 70 0 9 l 均阻力( k n ) 试验台5 5 k m h 的平 0 2 0 80 0 8 8 均f h 力( k n ) 车轮初始温度控制红外测温仪测量热电阻，车辆点踏 热电阻，车辆点踏 方法点为踏而而下2 5 r a m而下1 5 r a m 阻力距离修正修正末修正 目前国内拥有铁路车辆用l ：1 惯性制动试验台的单位主要有3 家，分别是： 铁道部科学研究院( 自制设备) 、北京木材防腐j 。( 日本制造设备) 、南京摩擦材 料厂( 美国制造设备) 。不同的试验台的工作原理是相同的，但具体的试验参数、 测试技术存在一些差别，如试验数据的计算机采集和处珊系统、制动盘摩擦表 面温度测试方法等不尽相同，另外在设备状态的调整方面也俘在差别u 1 1 。 目前我国列车己处于铁道行业大发展的阶段，对制动部件的开发和性能试 验的要求逐步提高，适用于提速工况下使用的制动在最大吸收制动功牢、抗冲 击强度、散热性等方面都戍达到新的技术参数才能满足要求，所以也就需要进 一步研制对各性能参数都进行高效试验的制动性能试验台。 1 3 论文的主要工作 奉论文所做的主要工作如下： 1 通过查阅人量文献资料，分析研究了当前国内外专家对闸瓦制动摩擦性 能研究的成果和水平，并对国内外有关i 甲j 瓦摩擦制动试验台的性能和应用技术 水平进行调研。 2 针对重载货车技术要求和应用条件，进行车轮踏面制动摩擦机理分析， 并对当前货车制动使用的用摩擦材料特性进行了简要分析。 3 以接近实际的工况对踏面制动时的温度场边界条件( 即热流密度和对流 8 第1 章引言 换热系数) 模拟计算，为进行专项踏面制动温度场有限元分析提供相关参数准 备。 4 建立了货车闸瓦制动车轮紧急制动时各种工况的有限元模型，利用a n s y s 有限元分析软件求解出了紧急制动时年轮的瞬态温度场，通过试验数据对比核 实，形成了比较可信的闸瓦制动不同速度t 况车轮瞬态温度场的计算方法。以 进一步论证在规定速度紧急制动的摩擦热产生的效果。为提速货物列车采用高 效闸瓦制动方式提供。口j 行性建议。 5 对货年闸瓦摩擦制动试验台测控系统方案进行了论证，最后选定了既能 满足重载高速要求又经济实用适合闸瓦生产企业的货车闸瓦摩擦制动试验台方 案。与原来复杂庞大的结构相比，车轮安装结构和测试结构大大简化实用。 6 对货车闸瓦摩擦制动试验台部分机械、动力及传动进行了整体设计计算。 7 利用虚拟仪器技术搭建货车闸瓦摩擦制动试验台测控系统的硬件平台。 实现了存各种制动上况时通过相应的高效传感 对制动力、摩擦力、车轮转速、 车轮踏面温度的进行实时测量、数据处理分析和显示存储，模拟实现各种工况 条件下对各种制动力和车轮初速度的控制功能如洒水制动试验、坡道持续制动 试验等。 8 利用面向对象的应用程序丌发、i 丘台c + + b u il d e r 丌发测试摔制应用程序， 实现对初始条件的控制和制动时对各个参数的实时仝过程测量、并采集滤波处 理、规范化显示，将数据分析处理后的存入数据库中，并实现数据历史查询打 曰j 的功能，根据试验测试要求和用户对象不i j ，可设置基本试验要求、规模和 范围。 9 将8 0k m h ，1 2 0 k m h 的初速度的紧急制动试验的有限元温度场仿真计算 曲线与在货车闸瓦制动试验台上的试验结果进行比较。得出建设性的结论。 9 第2 章踏m 制动_ 咛；擦特性分析研究 第2 章踏面制动摩擦特性分析研究 闸瓦制动又称踏面制动，是白有铁路以来使用最广泛的一种制动方式。它 用铸铁或其他材料( 现常用有机合成材料) 制成的瓦状制动块( 闸瓦) 紧压滚动 着的车轮踏面，通过闸瓦与车轮踏面的机械摩擦将列车的动能转变为热能，消 散丁大气，并产生制动力。 2 1 摩擦制动机理分析研究 摩擦制动的上作原理，是利用摩擦副的相对运动时接触表面间所产生的摩 擦阻力来调节相对运动速度或停止运动从而达到制动的目的。因此运动副的 摩擦特性将直接影响其制动性能及制动器的使用寿命和可靠性。1 。 制动过程是一个动态的摩擦过程。在这个过程中，影响摩擦制动系统行为 的各个因素是随时间4 i 断变化的，系统的各种条什又受到各种既相互作用又相 互依存的因素控制，所以摩擦表面上出现的摩擦学现象是十分复杂的。如由丁 摩擦表面的高温和周围环境的物理、化学变化，摩擦材料的表层就会发牛变化， 而这些变化对摩擦副的使用寿命和制动效率都起着决定性的作用。1 。在很多场 合下，摩擦制动系统中往往同时发生着摩擦学变化和互相影响的其它变化：如 9 币塑性变形、接触区材料粘连磨损、扩散过程、与环境介质相互作川引起的化 学变化、电解过程、相的转移和结构变化、分解及结晶化等。因此，摩擦制动 系统的特性具有强烈的系统依赖性和时变性。目前，对大量使用的有机摩擦材 料和铸铁组成的制动摩擦副的摩擦学特性的研究的报导较多“”，也有文献专 门研究了制动过程中界面膜的生成机理m 。，但这些研究大多集中于针对有机摩 擦材料本身，而不是对摩擦副系统的摩擦学特性研究。本文将利用系统分析方 法，对摩擦表面的摩擦学行为进行了分析，揭示制动过程中摩擦力的形成机制。 2 1 1 摩擦制动系统模型 本文选择以重载货年的踏面制动为研究对象，摩擦制动系统由制动闸瓦、 1 0 第2 章踏而制动脖擦特性分析研究 车轮踏面及摩擦界面第三体( 界面膜) 组成，其系统框如图2 1 所示。系统的输 入是转速度、质量及作用力。经过摩擦制动系统后，转速得到改变( 减速或停止) 。 损耗的输出能量表现在产生大量的热能及摩擦损耗、出现磨粒、磨损、制动副 和周同环境温度上升、制动噪音等。 制动摩擦副在外载的作用下，两粗糙表面微凸体接触并作相互运动，产牛 典型的机械啮合变形阻力和接触点粘接的形成和破裂，产生磨耗粒子，磨粒在 两表面间作复杂的滚滑运动，对两表面产生典型的i 体磨粒磨损。此外摩擦过 程i i 一产生高温会对摩擦副元件表层材料产生巨大的影响，并引发。系列的物理 化学变化。通常认为影响摩擦磨损的最主要因素有：压力和负荷的变化，摩擦 区域中的温度场，名义接触面的形貌。“。 机械能 热能：转j 5 l 摩擦学行为 匕= = = = 令 力的作用 能或物质流 信息流 图2 1 岸擦制动系统椎l 茎f 制动工况对系统的摩擦学特性的影响已有相当的研究，但仅用经典的磨粒 磨损和粘着磨损理论来解释制动摩擦中的摩擦学现象是不够的，如制动摩擦界 面上物质的转移、摩擦材料的结构，叟化及摩擦过程中气体的产生等摩擦学现象 是不能够由粘着的磨粒磨损理论作出正确的解释的。对于合成闸瓦一钢轮摩擦 副，由于合成闸瓦的力学和热物理性能( 导热性、热容量等) 与钢轮差别很大且 具有粘弹性特点，摩擦热将会引起合成闸瓦中有机物间的合成物的热分解、热 氧化、热交联、环化等一系列化学变化。而这些变化与温度场有直接关系。这 些化学变化主要有：大约存5 0 0 k 以下，有机物存缩聚时产生的吸附水被蒸发， 过剩的酚、甲酚及其他物质游离m 来；在6 0 0 7 0 0 k ，树脂分解成酚、苯、甲 1 1 第2 章踏而制动胯擦特性分析研究 苯、甲酚，这些物质发牛氧化放出h ，；在8 0 0 1 0 0 0 k 树脂碳化，放出 h ，c o ，c o ，c h 。等混合气体。 摩擦制动摩擦表面在制动过程中，由于物理和化学变化，会在接触界面产 生利- 不同于两摩擦元件基体材质的界面膜，这利界面膜是多利组分和结构组 成的复杂膜。丰要有： ( 1 ) 金属摩擦表而在高温下形成的氧化膜的强度低、硬而脆，在摩擦力的作 用下，易开裂或破裂，而从金属表面剥离变成磨粒： ( 2 ) 合成闸瓦在高温下有机物组分热分解产生液态物，而住界面产生润滑 膜。这对减少制动副的磨损是有利的，但这将严重影响制动的可靠性，使摩擦 系数卜降，制动性