唐 斌 范志勇,2 項(xiàng)載毓 吳元科 黃 博 莫繼良,2

1. 西南交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，成都,610031 2. 軌道交通運(yùn)維技術(shù)與裝備四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都,610031

0 引言

高速列車制動(dòng)閘片是保障列車運(yùn)營(yíng)安全的重要部件。制動(dòng)盤與制動(dòng)閘片之間的摩擦接觸是實(shí)現(xiàn)列車正常停車的最后途徑[1]。隨著列車運(yùn)行速度的不斷提高，制動(dòng)盤與制動(dòng)閘片之間的接觸界面摩擦越來(lái)越強(qiáng)，熱負(fù)荷越來(lái)越高，這對(duì)制動(dòng)閘片的制動(dòng)摩擦學(xué)性能提出了更高的要求[2]。

國(guó)內(nèi)外研究人員對(duì)制動(dòng)界面產(chǎn)生的摩擦熱、摩擦磨損及振動(dòng)噪聲問(wèn)題進(jìn)行了深入研究，取得了許多有意義的成果[3-11]，但由于制動(dòng)界面的摩擦學(xué)行為較為復(fù)雜，存在較大的不確定性和隨機(jī)性，因此關(guān)于摩擦熱[3]、摩擦磨損[4]及振動(dòng)噪聲[5-6]等制動(dòng)界面特性之間的關(guān)系至今都沒(méi)有形成統(tǒng)一論斷[7-8]，并且這些研究通常忽略了制動(dòng)閘片自身結(jié)構(gòu)及其界面特征的影響[10-11]。一般來(lái)說(shuō)，高速列車制動(dòng)閘片是由多個(gè)摩擦塊組成的，而摩擦塊的形狀、結(jié)構(gòu)及其排布等界面因素都會(huì)對(duì)制動(dòng)過(guò)程中制動(dòng)界面的摩擦學(xué)行為產(chǎn)生影響[11-13]。摩擦塊在制動(dòng)閘片上有多種安裝方向，這使得摩擦塊先滑過(guò)制動(dòng)盤的一端呈現(xiàn)出不同的切入端特征。目前，不同的切入端特征對(duì)制動(dòng)界面特性的影響機(jī)理尚未探明，因此，研究摩擦塊在不同摩擦切入端特征下的摩擦學(xué)行為對(duì)改善列車制動(dòng)特性具有重要的理論及工程意義。

本研究在自行研制的高速列車制動(dòng)縮比試驗(yàn)臺(tái)上，以三角形摩擦塊為研究對(duì)象，在四種不同安裝方向下對(duì)其進(jìn)行拖曳制動(dòng)試驗(yàn)，并結(jié)合有限元分析方法研究了摩擦塊的摩擦切入端特征對(duì)制動(dòng)界面特性的影響。

1 試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)裝置及試驗(yàn)條件

制動(dòng)試驗(yàn)研究在自行研制的高速列車制動(dòng)縮比試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。該試驗(yàn)臺(tái)可模擬高速列車摩擦制動(dòng)中的正常制動(dòng)和拖曳制動(dòng)兩種工況，可實(shí)現(xiàn)不同轉(zhuǎn)速、加載力等制動(dòng)參數(shù)下的制動(dòng)摩擦試驗(yàn)。試驗(yàn)臺(tái)的控制系統(tǒng)可控制電機(jī)的啟停、離合器的吸合狀態(tài)以及加載機(jī)構(gòu)的加載狀態(tài)。變頻電機(jī)為試驗(yàn)提供驅(qū)動(dòng)力，扭矩傳感器(型號(hào)ZRN503-100，量程0～100 N·m，頻響 100 μs，精度±0.25%)安裝在飛輪組與制動(dòng)盤之間，用于測(cè)量制動(dòng)過(guò)程中制動(dòng)盤與摩擦塊之間的摩擦力矩。固定摩擦塊的夾具上安裝有三向振動(dòng)加速度傳感器(1A302E，量程±500g，頻響0.5 Hz～4 kHz，靈敏度10 mV/g)，用于記錄制動(dòng)過(guò)程中摩擦塊的振動(dòng)信號(hào)。離制動(dòng)界面15 cm處的位置布置有傳聲器(MTG MK250，靈敏度50 mV/g，動(dòng)態(tài)范圍 15～146 dB，頻響 3.5 Hz～20 kHz)，用于采集制動(dòng)界面產(chǎn)生的聲音信號(hào)。這些試驗(yàn)過(guò)程中產(chǎn)生的信號(hào)被8通道數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)(D5922N，采樣頻率設(shè)為50 kHz)采集并進(jìn)行相應(yīng)的分析。此外，在滑臺(tái)加載機(jī)構(gòu)上安裝熱成像儀(FLIR E40，精度±2 ℃)，用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)試驗(yàn)過(guò)程中制動(dòng)盤表面熱分布及其演變趨勢(shì)，并記錄試驗(yàn)后摩擦塊表面溫度分布情況。

圖1 制動(dòng)試驗(yàn)裝置示意圖Fig.1 Diagram of brake test device

試驗(yàn)溫度控制在22～27 ℃，相對(duì)濕度控制在RH(60%±12%)。試驗(yàn)前，對(duì)摩擦塊試樣進(jìn)行跑合以保證良好的界面接觸。試驗(yàn)采取拖曳制動(dòng)方式，試驗(yàn)參數(shù)設(shè)置如下：制動(dòng)盤轉(zhuǎn)速n=200 r/min，制動(dòng)力Fn=312 N，摩擦半徑R=42 mm，拖曳時(shí)間t=1 min。每次試驗(yàn)在制動(dòng)盤冷卻到常溫時(shí)進(jìn)行。每組試驗(yàn)重復(fù)5次以保證試驗(yàn)結(jié)果的可靠性。試驗(yàn)結(jié)束后，使用光學(xué)顯微鏡觀察摩擦塊磨損形貌，并使用掃描電鏡(SEM)進(jìn)一步分析摩擦塊表面微觀損傷。

1.2 試驗(yàn)材料

本次試驗(yàn)中，制動(dòng)盤樣品選用鍛鋼材料(硬度為360HV0.5，彈性模量E=178 GPa)，其直徑及厚度分別為138 mm和15 mm；摩擦塊樣品選用粉末冶金材料(硬度為181HV0.5～223HV0.5，彈性模量為6.5 GPa)，其橫截面形狀是經(jīng)過(guò)倒圓角(圓角半徑為2 mm)的等邊三角形；摩擦半徑(摩擦塊與制動(dòng)盤的中心距離)設(shè)置為42 mm。設(shè)置的四種摩擦塊安裝方向及其與制動(dòng)盤接觸位置如圖2所示。垂直摩擦表面方向觀察，根據(jù)摩擦塊其中一個(gè)角的朝向?qū)⑦@四種安裝方向分別命名為：Direction-1(D-1)、Direction-2(D-2)、Direction-3(D-3)、Direction-4(D-4)。定義摩擦塊先滑過(guò)制動(dòng)盤的一端為摩擦切入端，如圖2中紅色實(shí)線所標(biāo)注的位置?？梢?jiàn)，D-1及D-4的摩擦切入端是三角形的一條邊，而D-2及D-3的摩擦切入端則為兩條邊及其夾角。

圖2 摩擦塊安裝方向及接觸位置示意圖Fig.2 Schematic diagram of mounting direction and contact position of friction block

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 振動(dòng)噪聲特性分析

圖3所示為試驗(yàn)過(guò)程中摩擦塊法向及切向振動(dòng)加速度的時(shí)域信號(hào)，可見(jiàn)，不同摩擦切入端特征下摩擦塊振動(dòng)加速度的時(shí)域信號(hào)在幅值和振動(dòng)連續(xù)性上均存在著明顯的差異。在法向和切向兩個(gè)方向上，D-1摩擦塊表現(xiàn)為幅值較小的間歇性振動(dòng)；D-2和D-3摩擦塊表現(xiàn)為幅值較大的連續(xù)性振動(dòng)；D-4摩擦塊則無(wú)明顯振動(dòng)現(xiàn)象發(fā)生。

圖3 四種摩擦塊的法向及切向振動(dòng)加速度時(shí)域信號(hào)Fig.3 The time domain signal of normal and tangential vibration accelerations for the four friction blocks

制動(dòng)摩擦?xí)鹬苿?dòng)界面和系統(tǒng)的振動(dòng)并輻射出相應(yīng)的噪聲。為評(píng)價(jià)不同摩擦塊切入端特征下的噪聲強(qiáng)度，對(duì)試驗(yàn)過(guò)程中采集的噪聲聲壓信號(hào)進(jìn)行分析，其等效A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)如圖4所示，可見(jiàn)，盡管四種摩擦塊的噪聲聲壓級(jí)都高于背景噪聲，但它們的噪聲強(qiáng)度卻存在很大的差異。以一條邊作為摩擦切入端的D-1及D-4摩擦塊呈現(xiàn)出較低的噪聲強(qiáng)度，其中D-4摩擦塊的聲壓級(jí)(72.5 dB)只略高于背景噪聲(68 dB)，沒(méi)有產(chǎn)生明顯的噪聲；而以兩條邊作為摩擦切入端的D-2和D-3摩擦塊呈現(xiàn)出較高強(qiáng)度的噪聲，尤其是D-2摩擦塊，其聲壓級(jí)高達(dá)115.7 dB。不同摩擦切入端特征下摩擦塊呈現(xiàn)出來(lái)的噪聲強(qiáng)度趨勢(shì)與上述的振動(dòng)強(qiáng)度趨勢(shì)基本一致。

圖4 四種摩擦塊在整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中的等效聲壓級(jí)Fig.4 Equivalent sound pressure level of four kinds of friction blocks during the whole test

進(jìn)一步分析摩擦塊切入端特征對(duì)噪聲特性的影響。圖5示出了四種摩擦塊噪聲功率譜，可見(jiàn)，不同摩擦切入端特征下噪聲信號(hào)呈現(xiàn)出了不同的頻率分布特性。D-1和D-4摩擦塊在試驗(yàn)過(guò)程中主要表現(xiàn)為低頻噪聲現(xiàn)象，它們的噪聲功率譜上最高峰值的頻率都位于 203 Hz左右的低頻段。盡管D-1摩擦塊的噪聲功率譜上出現(xiàn)了幾個(gè)高頻噪聲成分，但其能量比較低，對(duì)噪聲聲壓貢獻(xiàn)量較小(圖5a)。相比之下，D-2和D-3摩擦塊都激起了高能量的高頻尖叫噪聲，且噪聲頻率成分較為復(fù)雜。其中，D-2摩擦塊的噪聲功率譜上出現(xiàn)了四個(gè)基本頻率：f1=750 Hz、f2=1840 Hz、f3=2570 Hz，f4=2700 Hz，且出現(xiàn)了多階諧波頻率(噪聲頻率成分為某個(gè)基本頻率的整數(shù)倍或者某些基本頻率的和)(圖5b)， D-3摩擦塊的噪聲主頻f1=2190 Hz，同時(shí)也出現(xiàn)了以此為基本頻率的多階諧波響應(yīng)(圖5c)，這種出現(xiàn)多階諧波響應(yīng)的頻譜是系統(tǒng)不穩(wěn)定的典型特征。由此可見(jiàn)，當(dāng)摩擦切入端為摩擦塊的一條邊(D-1和D-4摩擦塊)時(shí)，該制動(dòng)系統(tǒng)相對(duì)穩(wěn)定;而當(dāng)三角形摩擦塊的一個(gè)角最先進(jìn)入摩擦區(qū)域(D-2和D-3摩擦塊)時(shí)，容易導(dǎo)致系統(tǒng)出現(xiàn)高頻率的尖叫噪聲。

(a) D-1

(b) D-2

(c) D-3

(d) D-4圖5 四種摩擦塊整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中的噪聲功率譜密度Fig.5 Noise power spectral density of four kinds of friction blocks during the whole test

2.2 摩擦塊表面熱分布及摩擦磨損特性分析

圖6為試驗(yàn)剛結(jié)束時(shí)四種摩擦塊的表面熱分布圖，圖中綠色箭頭所指為制動(dòng)盤的旋轉(zhuǎn)方向，紅色粗實(shí)線代表摩擦塊摩擦切入端，黑色細(xì)實(shí)線所圈區(qū)域?yàn)槟Σ翂K表面的高溫區(qū)域，左下角給出了摩擦塊表面的最高溫度、最低溫度以及平均溫度。由圖6可以看出，不管摩擦塊的摩擦切入端特征如何，摩擦塊表面的熱分布總是不均勻的。這也表明試驗(yàn)過(guò)程中，四種摩擦塊的界面接觸壓力都是不均勻的。值得注意的是，D-2和D-3摩擦塊(圖6b和圖6c)平均溫度相對(duì)較高，而D-1和D-4摩擦塊(圖6a和圖6d)的平均溫度相對(duì)較低，且D-2和D-3摩擦塊表面高溫區(qū)域的面積也相對(duì)較大。這是因?yàn)楫?dāng)摩擦切入端為摩擦塊的兩條邊及這兩條邊的夾角時(shí)，其接觸界面受到的平均摩擦力矩相對(duì)較大，如圖7所示，因此摩擦表面更容易出現(xiàn)大面積的高溫區(qū)域和相對(duì)較高的平均溫度。此外，圖7顯示D-2和D-3摩擦塊摩擦力矩的標(biāo)準(zhǔn)差也相對(duì)較大，表明其接觸界面的摩擦力更不穩(wěn)定。這種界面摩擦力的振蕩會(huì)使摩擦塊表面的接觸平臺(tái)經(jīng)歷更大程度的變形，進(jìn)而影響整個(gè)制動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)特性，激起高強(qiáng)度的振動(dòng)噪聲現(xiàn)象。

圖8示出了試驗(yàn)后四種摩擦塊表面的宏觀磨損形貌，白色實(shí)線圈出的是摩擦表面上磨屑堆積的區(qū)域。結(jié)合圖6可以看出，磨屑堆積區(qū)域與摩擦塊表面的高溫區(qū)域基本重合。在這些區(qū)域，磨屑會(huì)參與到摩擦過(guò)程中，磨屑中較硬的物質(zhì)會(huì)擦傷材料表面，形成犁溝或材料剝落，造成嚴(yán)重磨損。此外，從D-4摩擦塊的表面磨損特點(diǎn)可以看出，磨屑堆積區(qū)最先在摩擦切入端形成，并逐漸延伸至摩擦切出端。

(a) D-1

(b) D-2

(c) D-3

(d) D-4圖6 試驗(yàn)后四種摩擦塊表面的熱分布情況Fig.6 The heat distribution of four kinds of friction blocks after test

圖7 試驗(yàn)過(guò)程中四種摩擦塊的摩擦力矩Fig.7 The friction torque of four kinds of friction blocks during the tests

圖8 摩擦塊表面磨損形貌Fig.8 Friction block surface wear morphology

為進(jìn)一步探索摩擦塊表面磨損特性，利用掃描電鏡對(duì)圖8中所標(biāo)示的1、2、3區(qū)域的表面微觀形貌進(jìn)行觀察，如圖9所示?？梢钥闯?，區(qū)域1和區(qū)域2的表面較為粗糙，磨損較為嚴(yán)重，產(chǎn)生的磨屑較多。尤其是在溫度較高的區(qū)域1，磨屑堆積情況嚴(yán)重。大量的磨屑堆積在初始接觸平臺(tái)和剝落坑中，在制動(dòng)摩擦過(guò)程中被反復(fù)研磨，不斷形成第三體摩擦層又不斷被破壞，成為了摩擦塊與制動(dòng)盤接觸的主要承力平臺(tái)，增大了真實(shí)的摩擦接觸面積，進(jìn)而增大了該區(qū)域的摩擦力，并最終導(dǎo)致這些磨屑堆積區(qū)域的溫度上升較快。區(qū)域2材料表面呈現(xiàn)出更多的黑色接觸平臺(tái)(圖9b)，X射線能譜儀(EDS)分析結(jié)果表明其主要成分為石墨，由于石墨具有潤(rùn)滑特性，因此在該黑色接觸平臺(tái)上也不會(huì)有過(guò)多磨屑?xì)埩?，且該區(qū)域所受到的摩擦力相對(duì)較小，從而使得該區(qū)域溫度相對(duì)較低。相比之下，區(qū)域3則展現(xiàn)了典型的非嚴(yán)重磨損區(qū)的表面磨損特性，可以看出其表面磨損程度相對(duì)較輕，產(chǎn)生的磨屑也較少。

(a) 區(qū)域1的磨損形貌

(b) 區(qū)域2的磨損形貌及黑色物質(zhì)的EDS分析

(c) 區(qū)域3的磨損形貌圖9 在SEM下的摩擦塊局部區(qū)域磨損形貌分析Fig.9 Analysis of local wear morphology of friction block under SEM

2.3 接觸壓力分析

為了探索摩擦切入端特征對(duì)制動(dòng)系統(tǒng)振動(dòng)噪聲的作用機(jī)理，利用有限元軟件ABAQUS對(duì)拖曳制動(dòng)過(guò)程進(jìn)行了接觸壓力分析。如圖10所示，根據(jù)試驗(yàn)臺(tái)中制動(dòng)盤、摩擦塊、夾具、推桿以及軸承座等關(guān)鍵部件的實(shí)際尺寸建立了制動(dòng)系統(tǒng)的簡(jiǎn)化模型，賦予了各部件材料的實(shí)際參數(shù)，并根據(jù)試驗(yàn)條件設(shè)置了相應(yīng)的載荷和邊界條件，根據(jù)試驗(yàn)扭矩結(jié)果設(shè)置制動(dòng)過(guò)程的摩擦因數(shù)為0.35。

(a) 制動(dòng)系統(tǒng)有限元模型

(b) 有限元模型的約束條件圖10 有限元模型Fig.10 Finite element modeling

圖11為不同摩擦切入端的摩擦塊表面接觸壓力分布云圖。結(jié)合制動(dòng)盤與摩擦塊的接觸位置可以看出：四種摩擦塊的摩擦切入端附近都存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，因此，在試驗(yàn)過(guò)程中，摩擦塊摩擦切入端附近區(qū)域最先被磨損，這就解釋了為什么磨屑堆積區(qū)最先在摩擦切入端形成；此外，當(dāng)三角形摩擦塊的一個(gè)角最先進(jìn)入摩擦區(qū)域時(shí)，所造成的摩擦塊表面應(yīng)力集中現(xiàn)象較為嚴(yán)重，如D-2和D-3摩擦塊；在四種安裝方向中，D-2摩擦塊表面的應(yīng)力集中現(xiàn)象最明顯，且其摩擦切入端的最大接觸應(yīng)力值在所有摩擦塊中最大，這可能是導(dǎo)致D-2摩擦塊高強(qiáng)度的振動(dòng)噪聲以及摩擦塊表面高溫區(qū)域面積較大的重要因素之一。

圖11 摩擦塊在制動(dòng)盤上的接觸位置及接觸壓力分析Fig.11 Analysis of contact position and contact pressure of friction block on brake disc

為進(jìn)一步驗(yàn)證摩擦切入端的應(yīng)力集中現(xiàn)象是激起系統(tǒng)不穩(wěn)定振動(dòng)和尖叫噪聲的重要因素之一，新加工制作了三種摩擦塊，分別是圓形、六邊形和一個(gè)較大圓角半徑(圓角半徑為6 mm)的三角形摩擦塊，將這三種摩擦塊按原D-2安裝方向進(jìn)行接觸壓力分析，發(fā)現(xiàn)所有摩擦塊的摩擦切入端仍然存在應(yīng)力集中現(xiàn)象,但大圓角半徑的D-2摩擦塊以及圓形、六邊形摩擦塊表面的接觸壓力相比原D-2摩擦塊變得更加分散，如圖12所示。此外，將這三種摩擦塊按照原D-2安裝方向在同樣的試驗(yàn)參數(shù)下進(jìn)行制動(dòng)摩擦試驗(yàn)，從振動(dòng)加速度的時(shí)域信號(hào)可以看出，相比原D-2摩擦塊，三種摩擦塊在試驗(yàn)過(guò)程中的振動(dòng)加速度幅值和相應(yīng)的噪聲聲壓級(jí)都有所降低，尤其是大圓角半徑的D-2摩擦塊，其減振降噪效果最為明顯。這表明“平順”的摩擦切入端能夠改善界面應(yīng)力集中和制動(dòng)系統(tǒng)高強(qiáng)度的振動(dòng)噪聲問(wèn)題。

圖12 原D-2摩擦塊與大圓角半徑D-2、圓形以及六邊形摩擦塊的接觸壓力及振動(dòng)噪聲強(qiáng)度的對(duì)比Fig.12 Comparison of contact pressure and vibration noise intensity among the original D-2, the large-radius round-angle D-2, circular and hexagonal block

3 結(jié)論

(1)四種不同安裝方向的三角形摩擦塊在拖曳制動(dòng)試驗(yàn)中體現(xiàn)出不同的摩擦切入端特征，它們的振動(dòng)噪聲特性、摩擦塊表面熱分布以及表面磨損特性都呈現(xiàn)出較大差異。

(2)當(dāng)摩擦塊的一條邊作為摩擦切入端(D-1和D-4摩擦塊)時(shí)，系統(tǒng)主要表現(xiàn)為低頻噪聲;當(dāng)三角形摩擦塊(D-2和D-3摩擦塊)的一個(gè)角最先進(jìn)入摩擦區(qū)域時(shí)，系統(tǒng)呈現(xiàn)出較大的振動(dòng)加速度幅值和高強(qiáng)度的尖叫噪聲。

(3)摩擦表面的高溫區(qū)域存在磨屑堆積現(xiàn)象，在這些區(qū)域內(nèi)，磨屑參與了摩擦過(guò)程，成為了摩擦塊與制動(dòng)盤接觸的主要承力平臺(tái)，增大了真實(shí)的摩擦接觸面積，進(jìn)而增大了該區(qū)域的摩擦力，并最終導(dǎo)致這些磨屑堆積區(qū)域的溫度上升較快。

(4)有限元分析結(jié)果表明，所有摩擦塊的摩擦切入端都存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，尤其是當(dāng)三角形摩擦塊的一個(gè)角最先進(jìn)入摩擦區(qū)域時(shí)，摩擦切入端應(yīng)力集中最明顯，導(dǎo)致了最高強(qiáng)度的振動(dòng)噪聲。將摩擦塊倒大半徑圓角后，摩擦塊表面應(yīng)力集中和高強(qiáng)度的振動(dòng)噪聲問(wèn)題得到改善。