基于高速列车制动摩擦状况的盘与闸片间摩擦模型的构建

The braking friction of high-speed train is a multi-complex system involving material characteristics, external conditions and interface relations, which is in the conditions of fast velocity, high temperature, serious wear and varied environment. The system is closely related to the security of train braking. Therefore, the development of a friction model about the disc and the pad, which is adapted for braking conditions and material characteristics, will help to understand the tribological mechanism in high-speed braking conditions. Aiming at friction pairs consisted of the chromium-molybdenum-nickel-vanadium low-alloy steel brake disc and particle-reinforced Cu-matrix materials, a friction model involving the interaction relationships among the brake disc, brake pad and wear debris layer is presented，this means that frictiong isn't the relationship of two bodies.The model will consider various problems including material characteristics, oxids, wear debris morphology, meshing engagement relations and movement accommodation. Based on the fluctuation ranges of speed and braking pressure of high-speed train, both the constant speed and the inertia test methods are used, by the discrimination on the macroscopic and microcosmic characteristics of friction surface, the meshing engagement relations and movement accommodation among brake disc, pads and wear debris, the meshing characteristics of the metal components and the nonmetal components, the relationship of tree bodies movement with adhesion and furrow, and the phase transition of the metal, and oxidation process will be investigated. These resultes are in favor of comprehending of friction coefficient attenuation in high-speed conditions.

高速列车制动摩擦处于速度快、温度高、磨损大和环境多变的状态，是一个涉及材料特征、外界条件、界面关系的多元复杂体系，对这个体系的认识关系到列车制动安全。因此，构建一个适应制动状况及材料特性的摩擦模型，将有助于认识高速制动条件下的摩擦机制。本课题针对铬钼镍钒低合金钢制动盘和铜基粒子强化材料构成的摩擦副，提出了一个包含制动盘、闸片和磨屑层这三个物体间相互作用关系的摩擦模型，突破了摩擦是两体关系的约束。模型考虑了材料的组元特征、氧化产物、磨屑形态、啮合关系、运动调节等问题。以此为基础，针对高速列车制动的速度、压力波动范围，采用定速和惯性两种测试方法，通过对摩擦表面的宏、微观特征甄别，研究制动盘、闸片和磨屑三者间的啮合关系及运动协调模式，金属组元和非金属组元的啮合特点，三体的移动方式与粘着及犁沟效应间的关系，金属组元的组织转变及氧化规律。为解决高速时摩擦系数容易衰减的难题奠定理论基础。

高速列车制动摩擦处于速度快、温度高、磨损大和环境多变的状态，是一个涉及材料特征、外界条件、界面关系的多元复杂体系，对这个体系的认识关系到列车制动安全。因此，构建一个适应制动状况及材料特性的摩擦模型，将有助于认识高速制动条件下的摩擦机制。.本课题针对铬钼镍钒低合金钢制动盘和铜基粒子强化材料构成的摩擦副，从制动盘、闸片和磨屑（第三体）探讨摩擦关系。采用定速和惯性摩擦试验，研究了制动盘、闸片的损伤形式和第三体的形成机理。同时，测试了不同制动工况条件下盘面温度的变化规律，研究成果主要体现在如下几点：.（1）发现了盘表面的损伤及第三体特征：盘面的损伤机制为犁削和塑性变形，通过犁屑变形和断裂过程演变为第三体；铜基粒子强化材料以团聚颗粒态的第三体黏附在盘面上。两种组织在摩擦中相互混合，形成一种铁铜混合的第三体组织。.（2）揭示了制动过程中制动盘表面温度变化规律：制动过程中盘面温度呈现明显的不均匀分布形态，在制动速度为250km/h条件下，盘中心区域和边缘区域之间的温差可达300℃，随制动压力的提高，盘面温升速度增加，温度的不均匀程度增加。.（3）发现了闸片表面不同组份的损伤及第三体特征：铜在低速摩擦条件下容易发生塑性变形和黏着撕裂，形成了鳞片状的粗糙结构，高速条件下发生层片状剥落；铁在低摩擦速度条件下，容易发生脆性损伤而形成细小的第三体颗粒，高速条件下，形成致密的网状裂纹；铝在低速时，表面容易被硬质点犁削形成犁沟，当速度增加，形成细小的氧化铝微粒覆盖层，使表层并没有随速度的提高而发生明显的不均匀性损伤。石墨组织由于强度低、脆性大，容易剥落而形成凹坑，剥落坑成为第三体的富集点。.（4）揭示了第三体形态与摩擦条件的关系：在摩擦方式由低速开始向高速进行条件下，摩擦表面第三体由松散颗粒状向连续致密态转变。当起始为高速摩擦时，随着摩擦速度的降低，致密第三体由裂纹萌生发展为破碎剥落。.上述研究成果揭示了低合金钢制动盘与铜基粒子强化材料摩擦中的磨损机制，这将为设计高性能摩擦材料和认识高速列车制动条件下摩擦系数的波动机理奠定理论基础。