（机械设计及理论专业论文）车辆制动摩擦特性及摩擦颤振的研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第l 页 摘要 随着列车运行速度的提高和载重量的增加，对列车运行安全的要求也愈 来愈高。制动安全性是列车运行安全性的一个重要方面，因此开展车辆制动 特性的研究对发展我国高速重载铁路有着积极的社会意义和重大的现实意 义。 本文利用m m l o o o 型摩擦磨损试验机配备数据采集记录仪对不同材质 的闸瓦和闸片试样进行了制动摩擦特性试验研究。使用光学显微镜( o m ) 、 显微硬度仪、激光共焦扫描显微镜( c l s m ) 等对试样进行硬度和磨痕形貌 的微观分析，研究了制动初速度、法向力等试验参数对制动摩擦磨损特性和 制动摩擦振动特性的影响，得到以下几个结论： 1 制动初速度对距离平均摩擦系数和瞬时摩擦系数的影响较大。随蔫制 动初速度的增大，2 种摩擦系数呈现减小的趋势。制动压力对摩擦系数也有 较大的影响，随着制动压力的增大，距离平均摩擦系数呈减小趋势。 2 制动过程中的温升受制动初速度的影响较大，受制动压力的影响较 小。随着制动初速度的增大，温升有较大程度的增加。 3 对于盘形制动材料，制动初速度和制动压力对磨损量均有较大的影 响。随着制动初速度和制动压力的增大，磨损量明显增加。 4 在高速下踏面制动材料和车轮钢材料对磨以及盘形制动材料和h 3 0 0 低合金铸铁对磨产生的制动颤振都较大。x 向和z 向的振动能量较为集中， 振动频带较窄，振动能量集中在低频带内；y 向的振动频带较宽。摩擦力一 速度负斜率理论并不是制动颤振产生的主要原因。 关键词：制动；摩擦系数；磨损；颤振 西南交通大学硕士研究生学位论文 第2 页 制动摩擦副元件在外加载荷的作用下，两粗糙表面微凸体接触并相互作 用，产生典型的机械啮合变形阻力。接触点粘接的形成以及破裂，产生磨损 粒子，磨粒在两界面间做复杂的滚滑运动，引起摩擦表面产生典型的三体磨 粒磨损。此外，摩擦过程产生的高温会对摩擦副表层材料产生巨大的影响， 并引发一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、速度、摩擦区域温度场及名义上的形貌【3 】。 1 1 。2 制动方式分类 目前世界上的高速列车以法国的t g v ，德国的i c e ，日本的3 0 0 系列和 5 0 0 系列为代表。高速列车的制动装置是在传统的轮轨列车制动装置的基础 上发展和丰富起来的，用来满足列车高速制动的要求。综合来说，有以下一 些制动装置： 1 受粘着限制的摩擦制动，包括闸瓦( 踏面) 制动、盘形制动等； 2 受粘着限制的动力制动，包括电阻制动、再生制动等； 3 不受粘着限制的非粘着制动，包括磁轨制动、线性涡流制动等【4 1 。 随着高速列车的广泛应用，动力制动发挥越来越大的作用，但是国际铁 路联盟ui耀嘣裂 醺啦掳艇燮墓孽型删臻屏西科；舀罂制刳取型型垒! 馨；剐剥铡卿到币_ 4 癔憾晒菇谶 响 应仅取决于放大器的低频响应，而不是用放大器的r c 输入的时间常数来计 算，因此可用于低频或超低频的振动测量【4 5 1 。目前普遍采用电荷放大器与压 电加速度传感器配合来测量加速度【4 6 。 试验中使用的三维加速度传感器主要参数如下： 电荷灵敏度 x 1 2 2p c m s ，y 1 0 3p c m s 一， z 1 1 4 p c m s 。2 最大横向灵敏度 5 质量1 5 克 最大允许加速度5 l0 4 m - s 五绝缘电阻一一a o 0 0 0 m q 工作温度2 0 1 5 0 x 西南主婆大学硕士研究生学位论文第7 页 并在电车、机车和一誉豢囊鋈| 鏖璧霪誉1 霎，利殴厣琢厝翅吼霸馆i 金薹酴聪 写妇繇韩豁墅犍夏砸签理腐碑硒坏豁戮舅巍黝犍驹；璀峨壤彤驾囊罐啁幽雨 堆；禹睫m 消防沪4 膝滔溺懂司涮曦凄港囊誊氰f 黼瀚；甄烈鼢拍简掣掣裂 畿副影：妇崩藉甜雏蚓韩魏尚静雏菲辨西 蟊；谪瑰掰淆动过程碉旧；削 才_ 鼬览羽烈戮帮基摩擦材：刚蕾e 倒叫燮坏是应力、变形和一系列物理过程共同作 用的结果。 金属摩擦时发生的磨损，大体上可分为磨粒磨损( ab r a s i v ew e a r ) 、粘着 磨损( a d h e s i v ew e a r ) 、腐蚀磨损( c or r o s i v ew e a r ) 和疲劳磨损( f a t i 窟u ew e a r ) 2 8 】。 f 1 1 磨粒磨损 磨粒磨损一般是指硬的磨粒或凸起物在与偶件表面的摩擦过程中，使表 面材料发生损耗的现象。磨粒磨损包括由偶件表面凸峰、磨屑和外来颗粒导 致的犁沟和研磨过程。摩擦材料内部含纤维和硬质颗粒，其中的硬质点作为 磨屑可导致磨粒磨损，并在摩擦表面和偶件表面形成犁沟，影响摩擦系数。 而摩擦系数又取决于断裂强度、弹性模量和颗粒表面与摩擦表面的夹角。类 似于普通的二体磨损，硬质点通常增加摩擦材料的承载能力，并在表面形成 一系列比金属偶件硬的小凸峰，使摩擦材料的磨损下降，摩擦系数增大，并 且偶件的磨损量增加。当摩擦表面的温度升高，材料的结合力下降，硬质点 脱离约束形成三体磨损，这将导致摩擦材料的磨损增加、摩擦系数增大和偶 件的磨损增加。 ( 2 ) 粘着磨损 粘着磨损是由于接触点的冷焊和断裂而产生的。美国学者b u r w e l l 和 s t r a n g ( 1 95 2 ) 、a r c h a r d ( 1 9 5 3 ) 、a r c h a r d 和硪r s t ( 1 9 5 6 ) 先后发展了粘着磨损 理论，他们认为，磨损时材料上许多微体积脱落，形成粘着磨损。 ( 3 ) 腐蚀磨损 腐蚀磨损是腐蚀和磨损同时起作用的一种磨损。摩擦表面在液体或气体 的环境中或在润滑剂中发生化学或电化学反应，在表面上形成腐蚀产物，这 些产物往往粘 x 堕塑窒堕奎鲎亟研究生学位论文 第1o 页 擦，在一瓣滔喉刍瞳嚆湛；举古葡嚣甾掣嚣鲶蝥聪窨垄互圆 手撼卒身有关 这两方面的j 幽攮燮静坠f 暨蟹氧暨私娶我 尽能在某种程度二 尽量题减坐 关于这两友画爆j 彰椰，虹镀拦m 羽垫辇金嚣必鞋料霁萋鐾蠢：囊囊纂囊要耗* 罐喜潘 淫淄烩= 霜攀蜀到躺弹“鞴托靛州警删赫“摊撑缱雌噼鄹娇蹲明嘲峰 鲴 朗睦1 静拍雕蟾猷一葫旃襄旃i 般线路的钢轨是由1 2 5 m 或2 5 m 长的轨条通过鱼尾板连接起来的。这 样的轨条在连接处的强度和刚度都弱于轨条中央部分。当车轮通过钢轨接头 处时，轨道在接缝处出现明显的形状变化。这些局部形状变化，使车轮通过 钢轨接头时在接触点出现跳跃，从而形成了轮轨间的冲量，其大小与簧下质 量、行车速度以及钢轨接头处的变形成正比。 ( 2 ) 轨道的垂向变形 轨道是具有弹性的，当车辆沿轨道行驶时，随着车轮的前进轨道也出现 了垂向变形。在一般情况下，线路钢轨接头处的刚度要小于钢轨中间部分。 因而接头处的垂向变形要大于钢轨中间部分。据统计，钢轨接头附近的下沉 量比钢轨中间大1 0 一1 5 。因而，出现了沿轨道方向的垂向变形。 ( 3 ) 轨道的局部不平顺 机车车辆在轨道上运行时还受到轨道各种局部不平顺的影响，如车辆通 过曲线时，就有超高及曲率半径变化和轨距加宽等局部不平顺。此外，轨道 还存在上坡下坡、钢轨局部磨损、擦伤、路基局部隆起和下沉等不平顺。这 些局部形状变化，都是激起车辆振动的原因。 ( 4 ) 轨道的随机不平顺 轨道的随机不平顺是一种不确定的轨道不平顺，为了便于分析，常把轨 道不平顺分为轨距、水平、高低和方向等四种不平顺。 ( a ) 所谓轨距不平顺，主要指铁路实际轨距与名义轨距之间有一定的偏 差：( b ) 水平不平顺，主要是指在直线区段钢轨顶面不可能保持完全水平， x 一 西南交通大学硕士研究生学位论文 第12 页 而有一定偏差：( c ) 高度不平顺，主要是指轨道中心线上下的不平顺；( d ) 方 向不平顺，主要是指实际轨道中心线与理想轨道中心线在左右方向存在的偏 差。 另外，路基断面的差别更增加了轨道不平顺的影响，轨道不平顺的频率 范围是很复杂的，在我国还没有完整的轨道谱。 1 4 2 车轮激振源 与车轮有关的激振源通常可以分为以下四个方面： ( 1 ) 车轮偏心 车轮在制造或维修时，由于工艺或设备等各种原因，车轴中心和实际车 轮中心之间可能出现一些偏心，从而引起车轴中心出现上下和前后运动变化， 并产生与之相应的振动。 ( 2 ) 车轮重心偏差 如果车轮的质量分布不均匀，也就是说车轮的质心与几何中心不一致。 当车轮转动时将会出现转动不平衡力。 ( 3 ) 车轮踏面擦伤 当车轮的踏面擦伤时，车轮转到擦伤处将与钢轨之间产生一个相对的冲 量，于是形成一种周期性的激振。 ( 4 】蛇形运动 当车辆沿轨道运行时，具有踏面斜度的轮对中心的运动轨迹呈现一条弯 弯曲曲的曲线，形成了我们所说的蛇形运动。轮对的蛇形运动将激起车辆簧 上部分的振动，这种振动属于力学中的自激振动，它随着车辆运动而产生， 随着车辆的停止而消失【4 “。 1 4 3 制动激振源 制动摩擦引起制动器部件的振动并产生制动摩擦噪声。制动器的振动龟 括摩擦材料特性引起的摩擦振动和机械部件引起的振动【4 2 ，4 3 1 。 r 1 ) 制动摩擦振动 干摩擦制动时接触物体间的摩擦力增大，使摩擦接触表面的瞬间摩擦系 数增大，在制动力的作用下接触比压增加，瞬间温度升高，接触表面出现局 部凸起的“粘着”和“分离”，引起摩擦特性的变化。接触面比压的增大使 堕堕至望奎堂塑主塑壅竺兰笪堡塞量! ! 要 第2 章模拟试验简介 2 1 试验装置概述 2 1 1m m 一1 0 0 0 型摩擦磨损试验机 m m 一1 0 0 0 型摩擦磨损试验机主要包括主机和控p 耄k 参鑫蘸! 辨乳舅 薹帑五掣篓善；、；竹x ：摄蒌唁净盘疆? 嘲港囊酋釜狮i 辟上泛屿翌旧曜坪二 甜璧仕崩墓囊硷i 忙鉴鬯瞰j 鼢斗幽篓一蜴琢渤蛹蜴! 一：罟! 薹g i 灞蠹霎郡 掏诺萎。同1 浮蠢耋i ；铁路运输部f 1 加快现代化的进程。为了提高铁路运输能力，货运列 车向“重载”方向发展，旅客列车向高速方向发展。无论重载还是高速，“制动” 都是一个非常关键的问题。制动问题如果没有解决，即使有了高质量的铁路， 有了功率很大的牵引机车等，高速或者重载还是不能安全开行的【2 1 。 列车制动系统的功能是在列车需要停车或调速时，提供停车所需的力， 以达到减速或停车的目的。因此所有的列车都装备空气制动系统。 位于机车 上的空气制动压缩机通过贯穿列车全长的制动主管，向各个车辆的制动单元 提供压缩空气。列车正常运行时，副风缸( 或紧风缸) 中的压力与制动主管 压力保持相同。在这种条件下，每个制动缸活塞在弹簧力的作用下，保持制 动闸瓦处于松弛状态。当要制动时，司机打开制动阀放气，使制动主管减压， 并将一定量的压缩空气从副风缸送入制动缸，制动缸活塞推动连杆机构使闸 堕童窒垄大学硕士研究生学位论文 第16 页 该试验机适用于实验室条件下试验摩擦材料( 包括金属、金属陶瓷、塑 料、石棉等制品) 的摩擦性能，是生产厂家成批生产摩擦材料制品时，控制 和检验产品质量的设备，也是科研单位研究和评价摩擦材料性能指标的重要 设备。 该试验机可以做以下两类模拟试验： ( 1 ) 摩擦热稳定性试验。模拟盘形制动或踏面制动在恒定压力不同的线 速度及温度下( 或在恒定线速度不同的压力及温度下) 测定摩擦材料的摩擦 系数及磨损情况。 ( 2 ) 热冲击制动性能试验。包括制动力矩、制动稳定性系数、制动片的 磨损量及制动距离等。 该试验机是一种典型的制动模拟试验机，它既具有实用台架试验的优点， 又具有材料试验的优势。它是一种模拟性、数据重现性、可比性和规律性都 比较强的试验机。它的重复性误差小于3 ，重现性误差小于5 ，试验时采 用三次试验的平均值，变异系数小于o 8 1 4 4 】。 2 1 2 摩擦制动力矩、转速信号的采集设备 摩擦力矩通过等强度梁的应变来测量，等强度梁通过传动杆与静磨头同 轴安装，并通过双键传递扭矩。在等强度梁的下部贴有应变片通过导线连接 电桥盒，用动态电阻应变仪( y e 3 8 1 7 型应变放大器) 测量：同时用转速测量仪 的变送信号测量制动转速的变化，这两个信号送到高速数据采集系统( 四川 纵横公司生产) 进行数据采集。 y e 3 8 1 7 型应变放大器是一种数显式直流供桥高性能多通道信号调节 器。本试验中它配用应变计即组成一台多通道的电阻应变仪，可测量力、压 力、位移、扭矩、速度和加速度等物理量。 此仪器具有如下特点： 夺直流桥压，长线补偿，适合远距离传输，可长达1 0 0 米： 夺电子自动调平衡，操作简单，使用方便； 令可选择低通滤波器； 夺电压、电流双输出； 夺数字显示输出电压。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第6 页 材料有以下几种； 铸铁：它是在铁路机车车辆中应用时间最久的一种制动摩擦材料【1 7 】。它的 生产成本低，摩擦系数受环境及湿度的影响较小，并且在使用过程中对对偶 件的损伤小il”。列车运行速度较低时铸铁摩擦材料可以提供足够的制动效 果，但随着运行速度的提高，制动时温度剧升，会使其摩擦系数明显下降。 铸铁材料在高速时摩擦系数会有大幅度的下降，而在低速时摩擦系数又会急 剧增大，使整个过程的平稳性变差。制动距离延长【19】。另外，铸铁摩擦材料 的磨损率较高，更挟周期短，同时铸铁材料本身的比重大，增加了现场工人 的劳动强度。为了更有效地利用铸铁制动材料在雨雪天气不会增大制动距离 而且制动时不易使车轮打滑等优点，同时为了提高铸铁摩擦材料的耐磨性和 摩擦系数，日本的研究人员研究开发了合金铸铁制动摩擦材料，在延长使用 寿命和降低运输成本方面取得了进展【2 ”。此外，有的专家也探讨过在铸铁制 动摩擦材料中镶嵌陶瓷体以增加摩擦系数的办法 2 ”。尽管如此，由于受到本 身材质及高速下摩擦系数低的限制，铸铁摩擦材料在通常情况下的使用范围 依然是1 2 0 k m ，l l 以下。 复合摩擦材料：经过各国专家的努力，铁路用复合摩擦材料的生产技术 逐渐成熟并得到了应用。英国的费罗多公司于1 9 0 7 年最先制成复合摩擦材 料，1 9 5 4 年美国也制成了考布拉复合摩擦材料。之后，前苏联、日本和西欧 各国也都相继对复合摩擦材料进行了研究和试用 2 。复合摩擦材料的主要优 点是摩擦系数可在较宽的范围调整，耐磨性好，使用寿命长，因此它的应用 越来越广泛。但是由于复合材料的导热性差，摩擦热不易散失，所以在铁路 机车车辆中使用复合摩擦材料存在的一个主要阊题是容易使摩擦对偶件表面 产生热斑和热裂纹【2 3 1 。另外，高摩擦系数的复合摩擦材料在实际使用过程中 有产生金属镶嵌的倾向。8 0 年代以来，由于发现石棉有致癌作用，出于环保 墓要鋈垒审再婴签至震哗堡噩巍带 箨 i 支 嚣= i 冀黧喜g 二l g | l s i i 暂蟛；删续运魇艘善手鹾l 出羞苎i 耄越薯济海淳国繇裂餮坦；墓| 彗? ；：鬟妻羹霞蘑嚣 验设备转速计算誊j 譬镭璎峨潜嚼强i 相譬秸邶鋈誓l l 舶”；囊参 雪 ! 孽婪：磊雾# - l 莓磷i 萎试样摩擦半囊i j j g 。酶i 蠢速度事；塑舞荦剩 察牡臣瓤蒋聪。 妻i 耋熏羹羹囊豢夔鍪薹薹 季妻 ，“m i n 。( 3 ) 制 动比压计算p = p 4 1 0 (27)式中：p制动比压， m p a ；p 一制动 压力，kn；4制 动盘闸片单位面积，c m 2 。( 4 ) 转 动惯量计算由单位面 2 f 三，脚2 兰一 ：土一 (28)44i 4 2 式中：m 一列车轴重，kg；y一列 车制动初速度，ms；卜一试验 机转动惯量，kg-m2；钞一试验 x 一一西南交通大学硕士研究生学位论文第2 5页s a v e b 2 f c l o s e l = i ：i l俺邕霜鸶强蘩 i k ；2 ；嚣他自苻g 噬l ；0 i 塞鋈m ；i ； ；哆鸯n m 羹i 囊! _ 吐，；d ；鞣：萎；，t ! i 蠹裴矗蘸i o r ，鬻母j i o 野，i j 。羹些疆二话j i 蘑l，毒旧薛#善i馨。；!：i再；5嚣兰喜：；自j z。豌qui交誊!jl。l!：巷蟊廷i1284 6 0 0 1 9 ) ，( ( a 1 0 + 9 1 4 9 5 + 0 0 2 2 1 ) ，n n r o ) ) ； x l a b e l ( 速度m s ，f o n t w 葫曲t ，r b o i d ) y l 曲e l ( 摩擦系数。，f o n t w e i gh t 。，i b 0 1 d ) f j g m e ( 3 ) ，p i o t ( t ，( a 1 0 + 9 1 4 9 5 + o 0 2 2 1 ) n n r o ) ； x l a b e l ( f 时间( s ) ，f o n t w e i g l lt ，b o l d ) y l a b e l ( + 摩擦系数，f o n t w e i gh t ， b o l d ) f i g u r e ( 4 ) ，p l o t y “t ，( a l o +9 1 4 9 5 + o 0 2 2 1 ) 仆n r 0 ，t ，c 7 + 1 5 8 7 8 1 8 8 0 6 ) x l a b e l c 时间( s ) ，f o n t w e i gh t ，| b 0 1 d ) y l a b e l ( 摩擦系数，t f o n t w 越曲t ，i b o l d ) 绘出两信号原始图形 用鼠标选择制动的开始和结束时间 用制动力矩图选择 o o olu 1 1 t t ，) 攀】2 9 i n p u t ( 2 ) ，z o o mo f r t 1 5t t ( 1 ) ； t 2 =t t ( 2 ) ； t = t l：( 1 2 5 0 0 ) ：t 2 ； m ，k = s i z e ( t ) ； c = (c 7 + 1 5 8 7 8 1 8 8 0 6 ) 6 0 ； c 表示转速单位r s ，c 7 单位“m i n 堕宣奎望查兰堡主堑窒竺堂焦鲨窒蔓! ! 要 图3 一l 图3 4 示出车轮钢在不同制醍稚p 。嵫疆灞灞镬毒二型| 橱拍 番搪箔繇赫拜斋群带栅番鼽稚开弱虱矾羹丑j 莲 墓 至 蓥 薹 耄 氢 羹l 一矗偿孺珂i 羹群靶一羽勤斛蠢硒携晷冀副 垂ll i 垮测一； i 喙曩浸磁；薹萋酽罾曼队赋昂率吾拿霉卜， _h蛳1=“耋慨蕊黼 4 5 的范围内变化。高分 西南交通大学硕士研究生学位论文 第a 髦靴 嚣 妻 孑 羹 疆 狰 葛 ? ， 垒 ! 董 一 i a 鎏 窒 圭 i ! 委 塞 ? 妻 耋 引雹i 事； 川。b 。 | 霎篓；l 置委程；l 。 翌! 薹“童i 酮薹$；喜l 娄i t 二l 囊营 耋| 一i 昏戥硝芝 冀珏囊菇羹薹淄崾只鬟孚 羹鸶旋 声睬贫情，5 6 稠躬啪酗羽刖时f 自霎! l 翳二灞汤功搦例凇澎堪。纛 警晶蜀裂秭摄莆；鞴舒珥醅酬强郏进醚鲤翳必裂晶鞭鍪a 和b 可以看出 ，2 种制动压力下的 孵时摩擦系数变化趋势大体相同。 4 2 3 制动盘温升与制动初速度的关系 盘形制动摩擦系数还与摩擦表面的工作温度有关，每种制动器都有一个 l 临界工作温度，这个临界工作温度随材料和结构的不同而不同。当制动器低 于此温度工作时，制动器可以正常工作。高于此温度时，摩擦片可能产生碎 屑和裂纹，造成制动器迅速损坏【5 ”。为了防止制动盘表面过高的温度导致制 动盘表面开裂，降低使用寿命，需要考察在制动过程中制动盘表面的温升5 2 1 。 图4 5 示出了h 3 0 0 特种铸铁制动盘材料和高分子树脂复合材料d 、h z 4 0 8 复合闸片对磨时，制动初速度对制动盘温升的影响。可以看出，与这2 种闸 片材料对磨的制动盘材料随着制动初速度的增大，摩擦温升增加。2 种材料 情况下制动盘的最大温升都小于2 0 0 。大体来看，与h z 4 0 8 复合闸片对磨 的制动盘温升略大于与高分予树腊复合材料d 对磨的制动盘的温升。试验还 与其配副的对磨件的温升却提高了，说明用高分子树脂复合材料试样c 和d 作闸瓦材料时车轮受到的热负荷要增大，这是不利的方面。 s p e e d “m s 1 ( b ) 商磷铸铁试样b 制动时温升变化曲线 s p e e d w m s 1 ( c ) 高分子树脂复台材料试样c 制动时温升变化曲线 西南交通大学硕士研究生学位论文 第3 9 页 4 2 2 瞬时摩擦系数与制动速度的关系 图4 ，3 显示了高分子树脂复合材料d 的瞬时摩擦系数相对于滑动速度的 变化关系。从该图可以看出，较高的制动初速度对应比较低的瞬时摩擦系数。 当速度小于2 0m s 时，虽然制动初速度不同，但瞬时摩擦系数曲线都比较平 缓，且摩擦系数数值相差不大。当制动初速度大于2 0m s 和压力为0 3 m p a 时，瞬时摩擦系数曲线经历先减小后增大的过程，这说明制动效率较低，不 利于车辆制动，在制动过程中应当尽量避免。当速度大于2 0m s 和压力为 o ，6 m p a 时，摩擦系数很稳定但数值较低，同样不利于车辆制动。 s p e e dv m s ( a ) p = o3 m p a s p e e dp m s ( b ) p = 06 m p a 图4 3 高分子树脂复合材料d 的瞬时摩擦系数变化曲线 s p e e dv m s s p e e dv m s ( b ) p = 06 m p a 图4 4h z 4 0 8 复合闸片的瞬时摩擦系数变化曲线 堕南交通大学硕士研究生学位论文 第4 2 页 子树脂复合材料d 的使用寿命较h z 4 0 8 复合闸片的长。 e 、 嚣 旦 珊 e ； ( a ) 高分子树脂复合材料d 的磨损量与制动初速度的关系 g 、 _ 璺 e ( b ) h z 4 0 8 复合闸片的磨损量与制动初速度的关系 图4 62 种闸片材料和制动盘对磨时的磨损量 4 2 5 磨痕形貌分析 4 2 5 ，1 高分子树脂复合材料d 磨痕形貌分析 图4 7 显示了高分子树脂复合材料d 与制动盘材料配副摩擦时的磨痕表 面激光共焦扫描显微镜c l s m 照片。当压力为0 3m p a 时，可以看到在高分 子树脂复合材料d 的表面主要是粘着磨损( 见图4 7 a ) ，在制动盘表面主要是 较大块的剥落( 见图4 7 b ) 。当压力为0 6m p a 时，高分子树脂复合材料d 表 面可以看到剥落和粘着( 见图4 7 c ) ，制动盘表面主要是擦伤和较明显的犁沟 西南交通大学硕士研究生学位论文 第4 5 页 ( 2 ) 制动压力的增大使摩擦系数减小、磨损量明显增加、制动盘温升增 高，但同时使制动时间大大缩短。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第4 6 页 第5 章制动摩擦颤振信号分析 在轨道上运动的车辆系统会同时受到各种各样的载荷作用，如：随机载 荷、周期载荷、冲击载荷等 5 ”。车辆制动过程是典型的干滑动摩擦磨损过程， 在制动过程中，由于车辆受到的多种载荷作用，摩擦制动系统中常常会产生 自激振动h6 1 。由摩擦产生的振动一直是摩擦学研究的热点，多年来，人们对 这个问题的研究几乎没有间断 5 引。虽然人们做了大量的工作，但是目前制 动颤振问题还没有得到有效解决，对颤振生成机理的认识还存在分歧，目前 颤振成因的理论主要有2 类f 5 6 5 州1 】：( 1 ) 模态耦合理论，认为制动过程中系 统的模态发生羯合是引起颤振的原因：( 2 ) 摩擦系数一速度负斜率理论，认 为摩擦系数一速度的负斜率给系统提供了负阻尼，使系统的振动越来越大， 发展为颤振。 过去理论界对机床颤振研究较多 6 卜6 4 】，随着铁路向高速和重载发展，铁 路的制动摩擦材料也向高摩擦系数和高耐磨性方向发展，但同时也带来了更 严重的制动摩擦颤振问题。制动摩擦颤振是一种发生在制动过程中频率比较 低( o 5 0 0 h z ) 、振动强度比较大的一种自激振动，制动颤振将降低机车车 辆零部件的使用寿命，也可能会产生嗓声直接危害人们的身体健康。解决制 动颤振问题，对发展高速重载铁路具有重要意义。 对列车制动颤振的研究比较困难，需要花费大量的人力和物力，因此人 们一般采用模拟的方法来研究。制动颤振是一种摩擦振动，人们对它的研究 最早涉及到的是粘着一滑动振动。粘着一滑动振动有一个临界相对滑动速度， 当实际相对滑动速度大于这个临界滑动速度时，粘着一滑动振动就消失。但 是试验也发现，有一类颤振发生在滑动速度较大的时候，并且摩擦力没有较 明显的锯齿波形状。这一类振动，比较一致的观点是由上厦提裂的摩擦系数 一速度负斜率引起的。 5 1 振动信号分析方法简介 颤振振动是一种结构振动，振动的强度一般用振动加速度来表示，加速 堕堕塑六掌硕士研究生学位论文 第4 7 页 度越大，对系统的影响也越大。试验中的振动信号通过电荷放大器输出到信 号采集分析记录仪进行信号的初步处理，而后再在计算机中进行分析。采集 到的加速度信号是一系列时间序列信号，这样的信号经过傅立叶变换就可以 得到信号的频域表现。 信号的频域分析相比幅域分析更加本质，更能深刻地反映系统、输入和 输出之间的关系。信号的功率谱反映了整个过程中单位时间、单位频率间隔 中能量流的平均值。我们可以从自功率谱中看出能量在频率域的分布。因此 本文对摩擦试验的振动信号进行功率谱估计和分析。 设信号序列为工( n ) ( n = 1 ，2 ，n ) ，其傅立叶变换 爿( p7 。) = x ( 刀) e 咖 称为工( n ) 的频谱。一般，x ( 一。) 是复函数，可以写成 x ( 国) = r e x ( ) 】+ 歹h n 爿( 国) 由此可得，信号的幅频谱和相频谱为 幅频谱 ( 5 1 ) ( 5 2 ) _ ( ) ：届丽嗬丽r ( 5 i ，) 相频谱 x ，d t e j 氆、) = 谵 一li m ( e ，国) r e x ( p ，国) ( 5 4 ) 设信号序列为j ( n ) ( n = l ，2 ，n ) ，则信号的自相关函数和功率谱 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 8 页 分别为： 自相关函数 r ( 川) 2 溉蚤石( 州( 胛+ 聊i 嚣雨怿爹 ；翥。等i 邈冀一熏黧淋”a 薹粪l 需l | i 鬻sa 太郎等篓雾彭膨雕蓬淄娶旦窿毽姆；拜聍秘i 撩强赢獠装豁磁当箍 粥氍璐姐酿蛆醛掣至蓊裂星慕鹦垮黪芹； 簪搞薹聋涩譬弼蒲哉鬓越销当嘉嚣骝鹳兰比醵l i l 聪胃绮裂宁事辫 霎捌鞘鞋鬻祭攀拦磊p 磬嚣戳峁； 麟i 一麓纛 展方向铁道车辆 1 9 9 3 9 ：2 9 2 2 刘芬来，吴云兴国外高速列车摩擦制动元件的材料及制造工艺铁道 部戚墅堰机车车辆工艺研究所1 9 9 1 2 3 迂村太郎等制动材料的开发方向国外铁道车辆1 9 9 3 ，( 1 ) ：3 0 2 4 三部隆宏，中西宏之7l ，一专用摩擦材料 p91 术口天f 1 9 9 1 ，3 6 ( 3 ) ：1 8 9 2 5 j o e q u e sr a i s o n l e sm a t e r i a u sd ef r e i n a g e ，r 、g 、c 、f 1 9 9 l ，( 7 8 ) ：2 7 西南交通大学硕士研究生学位论文 第5 0 页 9 苟 旦 乩山j | | l p 。| - 1 t l m e ，s lj 且 i r t l f ”e ，s ( c ) 月! ) = o 6m p a ，= l0 0 0r 觚m( d l p = o 6m p a ，2 5o o o “m m 图5 1 高分子树脂复合材料c 摩擦车轮钢时的颤振振动 图5 2 示出了高分子树脂复合材料c 和车轮钢对磨时，制动初速度50 0 0 r m i n 时三个方向颤振分量的功率谱分析结果。可以看出x 向和z 向一般只有 一个或两个振动主频，分布在7 0 h z 8 5 h z 之间。y 向具有多个频峰，分布 在6 0 h z 3 0 0 h z 之间。 钕n 渺声 啪 fr o q u e n c y 刖2 ( a ) p = o3 m p a ，x 向 如 o 如 oe、o#l里ou 矗p 1 m号毛_j)em口o g ；0 4 西南交通太掌硕士研冢塞字1 孽谁嚣 嚣* ；於 ? l l j 囊饕赫j 一0 ：j0 0 毒薹誊囊毫譬熹喜j 薹誊藿蓍誓磊辫? i w ，； 日j ? ；j i j i jj ji 垂i i j ；i i i 垂粪囊? 囊亨0 童囊篓攀季薹薹? 曩雾委一囊冀蠢磊超羹霎嚣鲤篓 l 季i ：z 耋霎i l 鼍量一j ；、 i l $ i 鹃拜辅j 曼刖蠢? 蔡崔怎，墨黎薹萋錾妻；囊冀雾奏萋雾囊雾篓薹理羹霉i 鬟羹薹辜堡! l li b ! j ；i i ；， i 主i 曼雏三三? 曩矗薹。霉。喜，莲；雪!妻ii ：l 要i i 冀幸妻重耋墓霉二了；。薹| 垂毒至李莲拿；萋耋 量! i 曩蠢i 垡i 蕈；垂矗鍪磊醛赣蓬耋；霉嘉羹i 薹囊霉。蠹l 步? i l i 殖天鞴；舒裔黧i 暂龠鼎娶铬涮誓篁性j 罢犁省备器髅 蜡；i | ；二自l l ! l ；g 、；l 二 ；i l i 鹱嚣墓；嚣醒髓i 菇譬砻；藤援蠢鹭囊瓣茔垂 x 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 2 页 一 ( d ) p = o6 m p a ，；50 0 0r m i n 图5 3 高分子树脂复合材料d 的颤振振动 图5 4 示出了高分子树脂复合材料d 和车轮钢对磨时，制动初速度50 0 0 r m i n 时三个方向颤振分量的功率谱分析结果。可以看出，两种压力下三个方 向的颤振功率谱的能量分布在3 0 0 h z 以下的低频带内，z 和z 方向明显地只 有一个或两个振动主频，主频率低于1 6 0 h z 。 、人、一 。厂- 咿 。 州。”i “ ( a ) p = o 3 m p a ，x 向 ( b ) p = 0 3 m p a ，y 向 l 民。渊。 7蝙 $ 豳爹滋 ( c ) p = o3m p a ，：向 ( d ) p = o - 6 m p a ，x 向 _ _ - _ 一 盟亨窒堕大学硕士研究生学位论文 第5 3 页 ( e ) p = o6 m p a ，y 向( dp = o6 m p a ，z 向 图5 4 高分子树脂复合材料d 的摩擦颤振自功率谱 5 2 3 2 种材料的摩擦系数和制动速度变化曲线分析 图5 5 图5 6 示出了高分子树脂复合材料c 、d 和车轮钢对磨，制动压 力为o 6 m pa 时的摩擦系数和制动速度变化睦线。过去认为颤振振动是由于 摩擦系数一速度负斜率关系引起，为了认识这个问题，我们对动态摩擦力信 号进行了小波分析。利用d b 4 小波基对动态摩擦力进行7 层离散小波变换【6 ”， 获得的近似分量是没有摩擦颤振时的摩擦系数，见图5 5 图5 6 。在图中， 也给出了测量的转动速度曲线。 图5 7 图5 8 示出了高分子树脂复合材料c 、d 和车轮钢对磨，制动压 力为o 6m p a 时的摩擦系数一速度负斜率关系曲线。可以看出，在较高速度下 的摩擦系数一速度负斜率关系和在较低速度下的摩擦系数一速度负斜率关系相 ( a ) = 10 0 0r 1 l n ( b ) = 50 0 0r m l n 图5 5 高分子树腊复合材料c 的摩擦系数和制动速度变化曲线 a】u5emo；口￥k 西南交通大学硕士研究生学位论文 第5 4 页 、 e 、 l 嚣 1 、 l ( a ) 兰1o o or m i n( b ) k 50 0 0 “m i n 图5 6 高分子树腊复合材料d 的摩擦系数和制动速度变化曲线 ( a ) 肛1o o o “m i n ( b ) 50 0 0 “m i n 图5 7 高分子树腊复合材料c 的摩擦系数一速度负斜率关系曲线 ( a ) 兰10 0 0 “m i n( b ) b 50 0 0 曲i l i n 图5 8 高分子树脂复合材料d 的摩擦系数一速度负斜率关系曲线 差不大，甚至没有负斜率的产生，但较低和较高速度下的制动颤振却相差较 大，因此推断摩擦系数一速度负斜率关系并不是制动颤振产生地主要原因。 遗芒mue8g芒l 西南交通大学硕士研究生学位论文 第5 5 页 5 3 盘形制动材料摩擦颤振信号分析 5 3 1 h z 4 0 8 复合闸片的颤振信号分析 图5 9 示出了h z 4 0 8 复合闸片和制动盘对磨时的轴向( z 向) 颤振分析结 果。可以看出，同种压力下，随着制动初速度的增大，颤振振动加速度也增 大。但是高速高制动压力下的制动颤振要小些。 l l l 一山“jj 1 山 7 1 p 哪”、1 i - 。l d “。山 ”l r1 1 1 ”1 甲 ( c ) p = 0 6m p a ，三10 0 0 “m i n ( d ) p = o 6m p a ，? v 兰50 0 0i 恤i n 图5 9h z 4 0 8 复合闸片摩擦颤振振动 图5 1 0 示出了h z 4 0 8 复合闸片在制动初速度50 0 0r m i n 时三个方向颤 振分量的功率谱分析结果。可以看出，频谱在某些频带内较强，在某些频带 内较弱。较强的频峰主要集中在8 0 h z 左右，仅有图5 8 ( b ) 具有多个较强频 峰，但均小于3 0 0 h z 。 n 伯 呐 s o 诜 料pm | | p o 0 6 4 2 0 z 4 量重量。8 0 日 6 4 2 0 2 4 皂，|。；巴面uud 西南交通大学硕士研究生学位论文 第5 6 页 l h 峨渺。 h ： 酬嫡 ( c ) p = o 3m p a ，2 向 j 7 _ h 舢蹦 1 1 1 ( e ) p = o6 m p a ，y 向 ( f ) p = o6 m p a ，z 向 图5 一1 0h z 4 0 8 复合闸片摩擦颧振自功率谱 5 3 2 高分子树脂复合材料d 的颤振信号分析 图5 1 1 示出了高分子树脂复合材料d 和制动盘材料对磨时，轴向( z 向) 颤振分析结果。可以看出随着制动初速度 的增大，制动颤振增大。并且随着 压力的增大，低速下颤振强度略有增大；在高速下颤振强度相差不大。 o 仲 侣 如 拍 一曼!自ne。s；l o o 占 仲 伸 坫 如 (日已m口县c口日ejjun；。n 亘蜜窑通大学硕士研究生学位论文第5 7 页 i - 【- i 。j 。 m 唧 t l m e 旭 ( d ) p = o6 m p a ，2 50 0 0r i m m 图5 高分子树脂复合材料d 的颧振振动 图5 1 2 示出了高分子树脂复合材料d 在制动初速度5o o or m i n 时三个 方向颤振分量的功率谱分析结果。两种压力下，x 向和z 向的振动能量主要 分布在7 0 h z 1 6 0 h z 的低频带内，属于低频振动。除压力为o 3 m p a 时z 向 有一个主频峰外，其它都有两个主频峰。y 向振动有多个频峰，分布在4 0 h z 3 0 0 h z 内。 私 蝌” n 够 ! ! 1 2 ：! ：! 竺! ! ：皇j 旦l 上墨盐些生生一 西南交通大学硕研究生学位论文 第5 8 页 ( e ) p 二o6 m p a ，y 向 ( 謇雾v 曼l 馨于，。，i l 薹d 。| w 蓉酾善搿篓墼辩函嚣枣霍萋攀篓淘萎雾零塑 荐，笪、薹r 基鬻羹黎雾雾甄希誉蠹燮羹鋈露羹蠢篓鬟蕊 鞋g 一 d 鬟， 蕤铺嚏藉澄羽常粪殛茬嚣篷雾薹；囊霾霜，l 藿塑囊翥盏蠲硪 塑需函翼墅；艇n g c h a n e rg e n e r a t i o k e yw o r d s ：b r d s ：b r a k e ；f r i c t i o nc o e m c i e n t ；w b a r ；c h a t t e r x 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 9 页 ( a ) ，_ 10 0 0r m i n ( b ) 2 50 0 0 “m i n 图5 一1 3h z 4 0 8 复合闸片的摩擦系数和制动速度变化曲线 ( a ) 三lo o or m i n 图5 一1 4 高分子树脂复合材料d 的摩擦系数和制动速度变化曲线 ( a ) 三l0 0 0r ，m i n( b ) = 50 0 0r m i n 图5 一1 5h z 4 0 8 复合闸片的摩擦系数一速度负斜率关系曲线 x芑。!80鲁c：j 亘匣至望查兰塑主塑窭生兰垡笙壅蔓! ! 戛 ( a ) = 10 0 0r m i “ ( b ) ，- 50 0 0 r m j n 图5 1 6 高分子树脂复合材料d 的摩擦系数一速度负斜率关系曲线 5 4 小结 本章利用m m 一1 0 0 0 型摩擦磨损试验机进行试验，系统地研究了制动压 力和制动初速度对摩擦颤振的影响，对摩擦颤振的自功率谱进行了分析。得 到的主要结论如下： ( 1 ) 制动初速度对摩擦颤振有显著影响，制动初速度的改变对颤振强度 的改变起到决定作用。三个方向的振动分量z 向( 轴向) 臻大。随着制动初 速度的增大，颤振加速度的幅值明显增大；随着制动压力的增加，颤振加速 度幅值变化并不明显，说明颤振受压力的影晌较小。 ( 2 ) z 向和z 向振动分量的功率谱只有1 2 个振动主频，分布在6 0 1 6 0 h z 的频带内：y 向振动分量的功率谱具有多个主频，分布在6 0 3 0 0 h z 范围内。三个颤振分量主要是低频振动，能量主要分布在6 0 3 0 0 h z 范围内。 ( 3 ) 随着制动初速度的增大，摩擦系数一速度负斜率关系几乎不变，但 摩擦颤振强度明显增强。因而认为摩擦系数一速度负斜率关系对摩擦颤振影 响较小，并不是摩擦颤振产生的主要原因。 芒口亚#mou co昼ll 堕塑至望查兰堡主堕窒竺兰焦笙塞蔓! ! 戛 结论 本论文进行了多种闸瓦、闸片材料与车轮钢、制动盘材料配对摩擦试验， 系统地研究了这些材料配磨时的距离平均摩擦系数、瞬时摩擦系数、温升和 磨损量等特性的变化，研究了这些材料配磨时颤振信号的特点，结合试样的 微观测试分析，得到的主要结论如下： ( 1 ) 制动初速度对距离平均摩擦系数的影响较大。对踏面制动材料对磨 的情况，4 种闸瓦材料的距离平均摩擦系数随着制动初速度的增大呈现减小 的趋势，其中高分子树脂复合材料d 的距离平均摩擦系数的减小幅度最大， 它的最小摩擦系数小于o 2 。对盘形制动材料对磨的情况，制动初速度对距 离平均摩擦系数的影响较小，当制动初速度小于2 0m ，s 时，2 种闸片材料的 距离平均摩擦系数变化较为平缓，但当制动初速度大于2 0i r i s 时，距离平均 摩擦系数随着制动初速度的增大而减小。 ( 2 ) 制动初速度对瞬时摩擦系数的影响随材料和制动方式的不同而不 同。踏面制动材料对磨时，2 种高磷铸铁闸瓦的瞬时摩擦系数受制动初速度的 影响较小，不同制动初速度下的瞬时摩擦曲线重合度较好。但对2 种高分子树 脂复合材料的瞬时摩擦系数而言，除高分子树脂复合材料c 在压力为0 3m p a 时曲线的重合度较好外，其他3 种情况下的瞬时摩擦系数曲线在制动初速度 a 0m s 时随制动初速度的增大明显降低。 盘形制动材料对磨时的瞬时摩擦系数曲线在低速下重合度较好并且较为 平缓，但当制动初速度大于2 01 1 1 s 时瞬时摩擦系数随制动速度变化平缓，且 随着制动初速度的增大明显降低。 ( 3 ) 压力对距离平均摩擦系数和瞬时摩擦系数具有较明显的影响。对于 踏面制动材料对磨和盘形制动材料对磨，制动压力增大时，距离摩擦系数都 有减小的趋势：瞬时摩擦系数曲线变得较为平缓