高速列車制動片摩擦塊尺寸對制動噪聲特性的影響*

(1.西南交通大學摩擦學研究所 四川成都 610031；2.利物浦大學工程學院 英國利物浦 L69 3GH)

制動盤與制動片上的摩擦塊之間的摩擦過程稱為機械制動，也是高速列車主要制動方式之一[1]。然而，機械制動過程中摩擦界面會產生振動并輻射出噪聲，這不僅影響了乘客乘坐的舒適性，給鐵路沿線帶來噪聲污染[2]，還會影響制動系統零部件的可靠性，從而對列車運行安全造成威脅。現如今，國內外制動閘片上摩擦塊的幾何參數(形狀、尺寸等)多種多樣，而不同幾何參數的摩擦塊會對界面接觸力、磨損行為、摩擦熱分布等產生影響，這些因素也會影響制動噪聲[3-4]。因此，探究摩擦塊幾何參數對制動噪聲的影響機制，對建立抑制制動噪聲的有效措施和途徑有著重大的研究意義。

近年來，國內外的研究者關于列車制動閘片摩擦塊幾何參數研究，主要圍繞其與制動盤溫度場、應力場分布及熱裂紋擴展等方面關系展開[5-7]。農萬華等[5]模擬了圓形、三角形、六邊形摩擦塊制動時制動盤的溫度及熱應力分布狀況，發現摩擦塊形狀對制動盤面溫差和熱應力有顯著影響。PANIER等[6]研究了3種不同摩擦塊熱點的分布情況，結果表明當摩擦塊弧長減少時，熱點數量會增多。孫超等人[7]研究發現，閘片設計應盡可能使閘片周向弧長沿著徑向方向均勻地排布，減小摩擦塊尺寸并增加其數目能有效降低摩擦副表面的最高溫度，從而提高制動器的使用壽命。

關于摩擦塊幾何參數與振動噪聲的關系，國內外學者也進行了相關研究[8-10]。CHIELLO和DES ROCHES等[8-9]研究了不同形狀、數目及材料參數的制動閘片對制動系統不穩定振動模態的影響，結果表明減少盤/片接觸面積可減少系統不穩定振動的模態數目，閘片厚度變化會影響系統不穩定振動的主頻。MOORE等[10]通過實驗研究了制動片幾何形狀變化對尖叫噪聲的影響規律，進而從降低制動噪聲的角度來指導制動片的優化設計。

結合以上分析，摩擦塊形狀與振動噪聲的關系已有過研究，但從文獻檢索來看，目前還沒有關于摩擦塊尺寸對制動噪聲影響的研究。而且，摩擦塊尺寸確實會影響界面摩擦學行為，進而對制動噪聲的發生及其演變產生一定的影響。基于上述分析，本文作者設計了3種尺寸的圓形摩擦塊，在制動摩擦噪聲試驗機上進行制動試驗，探究摩擦塊尺寸對制動噪聲的影響規律，并嘗試從摩擦學角度，結合摩擦弧長分析，探討摩擦塊尺寸對制動噪聲的影響機制，為高速列車制動片摩擦塊的優化設計提供理論依據。

1 試驗部分

1.1 試驗裝置

摩擦塊尺寸對制動噪聲特性影響的試驗在自行研制的制動摩擦噪聲試驗機上進行，主要包括了驅動和傳動系統、滑臺及加載系統、控制系統、摩擦學測量系統、數據采集分析系統，如圖1所示。控制系統可以實現制動盤轉速的調節、離合的吸合與分離、摩擦塊的加載與卸載，滑臺及加載系統可改變加載力的大小，從而可以完成在一定轉速和壓力下的制動盤與摩擦塊之間的拖磨和制動試驗。

圖1 試驗裝置和樣品示意圖

傳聲器(靈敏度50 mV/Pa，動態量程15～146 dB，頻率范圍3.5 Hz～20 kHz)距離摩擦界面大約40 mm，用來采集摩擦噪聲信號。三維加速度傳感器(靈敏度10 mV/g，量程±500 g)位于摩擦塊背板的上方，可采集3個方向的振動加速度信號。以上信號均輸入DHDAS 8通道信號采集分析系統，采樣頻率設置為50 kHz，該系統可實現對信號的實時采集、存儲及分析。

1.2 試驗材料與參數

制動盤材料為鍛鋼(密度7.85 g/cm3，彈性模量210 GPa，硬度HV360(測量壓力0.5 N))，尺寸為直徑138 mm、厚度14 mm。為探究摩擦塊尺寸對制動噪聲特性的影響規律，試驗中使用了3種不同尺寸的圓形摩擦塊，分別稱為大圓形摩擦塊、中圓形摩擦塊和小圓形摩擦塊，簡記為B-Circle、M-Circle和S-Circle。3種摩擦塊材料均為粉末冶金(密度6.2 g/cm3，彈性模量6.5 GPa)，厚度均為20 mm，摩擦塊的直徑從大到小依次為25.8、18.4、14.8 mm。試驗中采用1個大圓形摩擦塊、2個中圓形摩擦塊、3個小圓形摩擦塊，以保證與制動盤的摩擦面積相等。3種尺寸的摩擦塊在背板上的安裝位置如圖1所示(灰色為背板)。

采用制動試驗模式，摩擦學試驗參數如下：氣缸加載壓力設置為0.1 MPa，制動盤制動初始轉速為400 r/min。試驗環境為大氣下干態(溫度25 ℃左右，相對濕度約60%)。正式試驗前需對制動盤和摩擦塊試樣進行充分的跑合，確保樣品之間有良好的面-面接觸。由于所測的摩擦噪聲具有一定隨機性，為確保結果可靠，每種尺寸的摩擦塊均進行10次重復制動試驗。試驗結束后，用光學顯微鏡觀測和分析摩擦塊表面磨損形貌，用雙模式輪廓儀測量摩擦塊表面二維輪廓。

2 結果與討論

2.1 摩擦塊尺寸對制動噪聲的影響

為評價3種尺寸摩擦塊制動過程中的噪聲水平，對制動過程噪聲時域信號進行A計權等效聲壓級[11]分析，結果如圖2所示。可知，3種尺寸摩擦塊制動噪聲有相同的變化趨勢：隨著制動開始，聲壓明顯增大，隨后在較高水平維持一段時間，制動末尾聲壓又迅速下降。總的來說，中圓形和小圓形摩擦塊的聲壓比較高，大圓形摩擦塊的聲壓較低。對比較高水平噪聲階段的聲壓均值和方差，如圖3所示，可以看到大圓形摩擦塊聲壓平均值約為86 dB，且波動最大；中圓形和小圓形摩擦塊聲壓平均值分別為109 dB和104 dB，且波動較小。

圖2 3種摩擦塊制動噪聲曲線

圖3 3種摩擦塊聲壓穩定時段的均值與標準差

進一步對3種尺寸摩擦塊的制動噪聲進行頻域分析，考察其在制動進程中的頻率特性。從圖4可看出：3種尺寸摩擦塊噪聲的頻率都比較復雜，出現了多階諧波響應，說明3種摩擦系統的非線性程度均較強。另外，這3種摩擦塊噪聲的頻率具有較好的一致性，區別在于這些頻率的能量強度不同。總體來說，小圓形和中圓形摩擦塊噪聲頻率的能量較高，這與之前聲壓分析結果相對應。主頻上也存在著差異，大圓形和小圓形摩擦塊噪聲的主頻在2 800 Hz左右，中圓形摩擦塊噪聲的主頻為3 808 Hz，主頻的能量相對其他激發頻率并不是特別突出。

圖4 3種摩擦塊聲壓頻域分析比較

摩擦噪聲往往與摩擦自激振動存在密不可分的聯系。以大圓形摩擦塊為例，圖5所示為制動過程中振動加速度和噪聲信號的功率譜對比分析結果，可以看出：振動加速度、噪聲信號在頻域范圍內都有良好的對應性，振動加速度和摩擦噪聲的主要頻率保持一致，兩者密切相關。因此，本文作者認為是系統的不穩定振動導致摩擦噪聲的產生。在制動進程中，界面摩擦力的波動引起摩擦系統產生自激振動，并最終對外界輻射出尖叫噪聲。

圖5 聲壓和振動加速度功率譜分析比較

2.2 界面磨損特征分析

基于以上摩擦噪聲特性的分析，為了探討摩擦塊尺寸對制動噪聲的影響機制，需要對制動之后3種尺寸摩擦塊表面的摩擦磨損特性進行分析。圖6示出了3種尺寸摩擦塊表面形貌。可知，3種尺寸摩擦塊表面上均出現了嚴重磨損情況，小圓形摩擦塊表面最為明顯，與摩擦塊表面其他區域形貌形成鮮明對比，即均出現了偏磨現象,且偏磨的位置出現在摩擦塊的進摩擦區域或者摩擦塊前端(摩擦半徑較小處)。相關研究表明，制動盤/片間的偏磨與局部接觸現象可能會增加制動系統的不穩定性，進一步地誘發出尖叫噪聲[12]。

圖7展示了3種摩擦塊表面嚴重磨損區的局部光鏡圖，可知：小圓形和中圓形摩擦塊表面分別存在明顯的犁溝現象和大片的剝落，剝落區的顏色較深，剝落程度較大，表面磨損比較嚴重；大圓形摩擦塊表面的磨損比較輕微，磨損特征主要為輕微犁溝及小塊剝落，且剝落特征不十分明顯。

圖6 3種摩擦塊表面形貌

圖7 3種摩擦塊表面局部光鏡圖

結合時域信號分析可以得出，磨損情況嚴重的摩擦塊表面，噪聲聲壓水平也較高；同樣地，磨損情況較輕微的表面，噪聲聲壓水平較低。因此，界面磨損特征對摩擦尖叫噪聲強度具有重要的影響。根據RHEE等[13]提出的錘擊理論，文中實驗中磨損表面的犁溝現象、剝落等特征會引起錘擊效應，這些隨機產生的“不平順”因素使得制動過程中摩擦力產生不規則波動，導致摩擦力具有斷續和脈沖特性，且包含豐富的頻率成分，系統將會產生自激振動，進而出現尖叫噪聲。中圓形、小圓形摩擦塊表面在磨損區域內的大塊剝落、明顯犁溝等“不平順”因素更容易激發摩擦系統強烈的自激振動，進而輻射出高強度制動噪聲；相反地，大圓形摩擦塊表面“不平順”因素較微弱，對應輻射出的制動噪聲強度較弱。

考慮到界面磨損特征在誘發尖叫噪聲中所起的關鍵作用，為進一步驗證之前的分析，測量了試驗后摩擦塊表面的輪廓曲線，輪廓曲線的測量方向為從嚴重磨損區向輕微磨損區。為保證結果可靠性，每個摩擦塊測試2次，所以對應地大圓形、中圓形和小圓形摩擦塊的輪廓曲線數目分別為2、4、6。如圖8所示，輪廓曲線中比較低的區域對應于摩擦塊表面嚴重磨損區域，可以推測，嚴重磨損區在制動過程中磨損量較大。另外，中圓形和小圓形摩擦塊表面的輪廓曲線較大圓形摩擦塊明顯更為粗糙，曲線上凸起和凹陷的幅度更大，其中凸起和凹陷分別代表了磨屑堆積和犁溝、剝落。這表明在制動過程中摩擦力會產生明顯的高頻波動，輻射出更強的尖叫噪聲，很好地驗證了試驗結果。

圖8 3種摩擦塊表面輪廓曲線比較

2.3 界面摩擦弧長分析

為了進一步探討摩擦塊尺寸對制動噪聲的影響，對3種尺寸摩擦塊的摩擦弧長度進行了比較與分析。摩擦弧長是指當摩擦塊與制動盤接觸時，在一定的摩擦半徑下，制動盤在摩擦塊上滑過圓弧的長度，如圖9所示(以中圓形摩擦塊為例)。摩擦弧長越大，對應制動盤圓弧上的點與摩擦塊的接觸長度也越長，產生尖叫噪聲的傾向更大。

3種尺寸摩擦塊的摩擦弧長沿制動盤徑向變化的情況如圖10所示。可知，3種摩擦塊的摩擦弧長在摩擦半徑為47.5 mm(摩擦塊中心位置)左右時最大，摩擦弧長曲線關于摩擦塊中心近似對稱，距離摩擦塊中心越遠，摩擦弧長越小。中圓形和小圓形摩擦塊摩擦弧長隨摩擦半徑的增大會發生明顯變化，但總的來說，它們的摩擦弧長都比較大，明顯高于大圓形摩擦塊的摩擦弧長。結合2.1節的分析可知，摩擦弧長較大，處在摩擦半徑范圍的制動盤上的點與摩擦塊的接觸時間越長，輻射出的摩擦噪聲的強度也較高，推測摩擦弧長的不同是造成制動噪聲強度差異的另一個因素。

圖9 摩擦塊摩擦弧示意圖

圖10 3種摩擦塊摩擦弧長的比較

3 結論

(1)3種尺寸摩擦塊的制動噪聲強度和頻率特性呈現出一定區別：中圓形和小圓形摩擦塊的噪聲強度明顯高于大圓形摩擦塊；頻域范圍內，都呈現出多階諧波響應，頻譜成分相似，但主頻存在差異。

(2)中圓形、小圓形摩擦塊表面有明顯犁溝、剝落等“不平順”因素，更容易激發高強度制動噪聲，大圓形摩擦塊表面“不平順”因素較微弱，對應輻射出的制動噪聲強度較弱。

(3)中圓形和小圓形摩擦塊的摩擦弧長都比較大，明顯高于大圓形摩擦塊的摩擦弧長，這是造成制動噪聲強度差異的另一個因素。