局部接觸對制動盤溫度及摩擦性能的影響

（大連交通大學 連續擠壓教育部工程研究中心，遼寧 大連 116028）

隨列車速度的提高，制動盤受到熱負荷和交變應力的作用，易發生熱疲勞，不利于行車安全［1-4］。制動速度、制動壓力、通風散熱條件、制動載荷等都是制動過程中施加在制動盤上的外部條件，這些因素決定了制動盤的溫度場分布［5-10］。在外部條件一定的情況下，摩擦副表面接觸形式也是影響盤面溫度分布的重要因素。針對這些因素，Degallaix 等［11］利用1∶1 制動試驗臺，比較了圓形摩擦塊4種排布形式與盤面溫度的關系，發現排布方式的不同可使盤面的最高溫度相差達到200 ℃，這說明閘片排布方式對溫度分布的影響是顯著的。理論上，摩擦塊的排布形式主要是改變了盤面摩擦弧長分布形態，產生的摩擦弧長分布形態的差異造成盤面溫度場的變化［12-14］。一般認為，在閘片結構確定的情況下，摩擦弧長的分布就確定了，也就意味著盤面溫度的分布形態僅僅與外部條件有關。然而，在試驗中容易發現，測試得到的盤面溫度分布形態與摩擦弧長的分布形態常常不吻合［15］，其原因在于制動盤與閘片的磨損并不是均勻的［16-17］，非均勻磨損將導致制動盤與閘片間往往存在局部接觸，局部接觸區位置不同，則接觸點的線速度也不同，這些都會不同程度反映到盤面溫度分布形態的變化。然而，局部接觸的形式和位置對盤面溫度和摩擦性能影響有多大，仍鮮有報道。因此，如果能通過試驗的方法，研究局部接觸形式與盤面溫度分布和制動性能間的相互關系，對于認識制動盤面的熱損傷機制是有推動作用的。

本文為探討摩擦副表面存在的非均勻接觸問題，針對制動摩擦副常出現的2 側接觸和中間接觸的局部接觸情況，通過將摩擦塊設計為2 側接觸和中間接觸形式，進行針對性制動試驗，并與全接觸摩擦副進行對比，比較在不同制動工況下3種接觸形式時摩擦系數和盤面溫度變化規律，從而探討局部接觸形式對摩擦系數和制動盤溫度的影響。

1 試驗材料及方法

摩擦塊材料為銅基粉末冶金材料，其主要成分為銅、石墨、鐵和二氧化硅等。三角形摩擦塊面積為2 973 mm2，高度為20 mm。通過機加工的方法，將摩擦塊表面的接觸區域加工成2 側接觸、中部接觸，其接觸面積為全接觸摩擦塊的一半，如圖1所示。

圖1 3種接觸形式的摩擦塊

制動盤材料為4Cr5MoSiV1，盤外徑為320 mm，厚度為20 mm，摩擦半徑為125 mm。

試驗設備為TM-I型軌道列車縮比試驗臺，制動慣量為46 kg·m2。針對3 種接觸形式，分別進行制動壓力為0.50，0.75 和1.00 MPa，制動速度為50，80，120，160 和200 km·h-1的制動試驗，每次試驗前將制動盤充分冷卻，當制動盤溫度低于60 ℃時開始進行摩擦試驗。試驗時，制動載荷按照全接觸面積計算，即摩擦副2 側接觸和中間接觸與全接觸采用相同的制動載荷。制動壓力為0.50，0.75和1.00 MPa，是用全接觸的情況予以說明的。制動盤表面溫度采用FlukeTi45 型紅外熱像儀進行記錄，紅外熱像儀發射率設置為0.75。試驗設備和溫度記錄采集方法如圖2所示。

圖2 試驗設備和溫度采集方法

2 3種接觸形式試驗結果及討論

2.1 盤面溫度隨制動工況變化情況

制動速度為200 km·h-1，不同制動壓力下峰值溫度時刻盤面溫度對比如圖3所示。由圖3（a）可見：制動壓力為0.50 MPa，2側接觸時盤面最大溫差為64 ℃，平均溫度為283 ℃；中間接觸時最大溫差達到231 ℃，在盤半徑110～125 mm 范圍形成溫度峰，峰值為400 ℃；全接觸時盤面溫度分布介于兩者之間，在盤半徑110～130 mm 范圍形成320 ℃左右的高溫區，最大溫差為122 ℃。如圖3（b）可見：隨著制動壓力的增加，全接觸和2 側接觸時盤面最大溫差變化不大，而中間接觸時最大溫差超過306 ℃，波峰溫度增加到463 ℃。如圖3（c）可見：制動壓力升高到1.00 MPa，2側接觸時盤面平均溫度升高到320 ℃左右，溫差在85 ℃范圍內；全接觸時溫度分布表現為典型的單峰形態，峰值溫度達到388 ℃，最大溫差為265 ℃；中間接觸時溫度梯度顯著增加，最大溫差高達362 ℃，峰值溫度達到506 ℃，比全接觸時高118 ℃。

圖3 不同制動壓力下峰值溫度時刻盤面溫度對比（制動速度為200 km·h-1）

制動壓力為0.50 MPa，不同制動速度下峰值溫度時刻盤面溫度對比如圖4所示。由圖4（a）可見：制動速度為50 km·h-1，2 側接觸和全接觸時盤面溫度分布均勻，約為60 ℃；中間接觸時，在盤半徑110～125 mm 范圍內形成峰值溫度為90 ℃的高溫區，最大溫差為38 ℃。由圖4（b）可見：隨著制動速度的增加，2 側接觸和全接觸時盤面溫度仍為均勻形態，平均溫度升至145 ℃左右；中間接觸時盤面溫度為明顯的單峰形態，最大溫差升至125 ℃。由圖3（a）可見：制動速度增至200 km·h-1，3 種接觸形式時盤面整體溫度大幅度升高，其中2側接觸時溫度分布較為均勻，全接觸和中間接觸時盤面溫度均呈現為單峰形態；中間接觸時，峰值溫度比全接觸時高65 ℃，且最大溫差達到231 ℃。

圖4 不同制動速度下峰值溫度時刻盤面溫度對比（制動壓力為0.50 MPa）

制動壓力為0.50 MPa，3種接觸形式時盤面峰值溫度隨制動速度的變化曲線如圖5所示。由圖5可見：不同制動速度下，中間接觸時峰值溫度最高，并且隨著制動速度的增加，峰值溫度近似呈線性增長趨勢，約增長3.3 倍，與其他2 種接觸形式的差距也增加；速度為200 km·h-1時，中間接觸比2側接觸時的峰值溫度高出約30%。

圖5 3種接觸形式時峰值溫度隨制動速度的變化曲線

圖3—圖5的結果表明，局部接觸對盤面溫度分布，尤其是峰值溫度和溫度梯度的影響是顯著的，且影響程度與局部接觸的位置有關。由圖1可知，三角形摩擦塊的幾何特點決定了中部區域的接觸弧長大于2 側區域，而熱流密度與接觸弧長成正比，因此在全接觸形式下中部區域的溫度高于2 側區域的。當局部接觸發生在中部時，接觸區則完全集中在接觸弧長最長的區域，這相當于在該區再次強化了熱流密度，進一步提高了峰值溫度和溫度梯度。在這種情況下，一方面，過高的峰值溫度容易超出制動盤的耐熱溫度，另一方面，過高的溫度梯度加劇了熱應力，這2 個因素都容易突破制動盤的許用應力，導致盤面發生早期損傷。相反，在三角形摩擦塊這種幾何結構條件下，當局部接觸發生在2 側區域，避開中部的高能量區，中部溫度源于2側摩擦區的溫度熱傳導，這種局部接觸反而會改善盤面的溫度分布形態，顯著降低峰值溫度和溫度梯度。這表明，在進行制動閘片的設計時，需要避免其局部接觸的位置與高能量區重合。這對于改善盤面溫度，提高制動盤的使用壽命是有利的。

圖3—圖5的結果還表明，制動工況對3 種接觸形式時的峰值溫度和徑向溫度分布也有著重要影響。隨著制動壓力和制動速度的增加，3 種接觸形式時徑向溫度分布的差別均增加，其中差別最大的為中間接觸，2 側接觸最小。隨著制動壓力的增加，3 種接觸形式時盤面溫度達到峰值的時間變短，造成不同區域的溫度差別增大。隨著制動速度的增加，制動功率與速度的3次方成正比，中間接觸熱源集中于中部，使中間接觸的峰值溫度變化最大。中間接觸時，隨著制動壓力和制動速度的增加，中間接觸的峰值溫度對應的盤半徑位置幾乎沒有變化；而全接觸和兩側接觸時，制動壓力越大，盤面接觸弧的分布形態對盤面溫度的影響程度越明顯，盤面高溫區向對應的接觸區域偏移。

2.2 摩擦系數隨制動工況變化情況

不同制動壓力下，3 種接觸形式時摩擦系數與制動速度的關系如圖6所示。由圖6可見，在所試驗的制動速度和壓力范圍內，全接觸時摩擦系數一直處于較高值，且隨制動速度和壓力的變化，波動程度最小。

由圖6（a）可見：在壓力為0.50 MPa 情況下，隨著制動速度的提高，3 種接觸形式摩擦系數呈現先下降后上升的趨勢，相對而言，全接觸時摩擦系數最高且變化程度不明顯，2 側接觸時摩擦系數比全接觸時低0.02 左右；摩擦系數在制動速度超過100 km·h-1后，隨速度增加略有增加；中間接觸時摩擦系數變化最大，速度低于120 km·h-1時，摩擦系數隨制動速度增加而快速下降，高于120 km·h-1時，摩擦系數變化不明顯。由圖6（b）和圖6（c）可見：壓力增大至0.75 和1.00 MPa 時，全接觸時摩擦系數仍高于其他接觸形式，制動速度為120 km·h-1時，摩擦系數呈現最小值；中間接觸和2 側接觸時的摩擦系數接近，均隨制動速度的增加而有所降低，相對而言，中間接觸的摩擦系數對制動速度更敏感，這緣于中間接觸形式的溫度略高所致。

圖6 3種接觸形式摩擦系數的變化情況

可以看出，當出現局部接觸時，無論是2 側接觸還是中間接觸，均會導致摩擦系數降低和波動的程度加劇。總體上，局部接觸與全接觸相比，摩擦系數降低了10%左右。中間接觸與2 側接觸相比，摩擦系數隨制動速度和壓力的增加，下降程度更明顯。全接觸時，接觸面積大，能量分布區域大，盤面溫度相對較低和均勻，表現為較高的摩擦系數；中間接觸時，接觸區域集中，隨制動速度的增加，盤面升溫最快，材料高溫軟化使摩擦系數下降；2側接觸時，接觸區域被分為2 個部分，熱量分散性好，盤面溫度均勻（圖3和圖4所示），但由于接觸面積比全接觸時少一倍，導致難于形成足夠的摩擦力。這表明，局部接觸是影響摩擦系數衰減和穩定性的重要因素，其影響程度隨制動速度和制動壓力的增加而增加。

2.3 摩擦塊表面形貌隨制動速度的變化情況

全接觸時，制動壓力為0.75 MPa，摩擦塊表面形貌在不同制動速度條件下的變化情況如圖7所示。由圖7可見：在50 km·h-1速度下，摩擦塊表面粗糙、顏色灰暗，摩擦表面犁溝和剝落明顯；在100 和120 km·h-1速度下，摩擦塊表面顏色偏黃、亮度增加；速度增加到160 和200 km·h-1時，摩擦塊表面顏色偏藍、剝落程度增加。

圖7 不同制動初速度下全接觸時摩擦塊表面形貌

2側接觸時，制動壓力同樣為0.75 MPa，摩擦塊的表面形貌如圖8所示。由圖8可見，2 側接觸時，摩擦塊在各個制動速度下的表面形貌與全接觸時較為一致。

由圖7和圖8可以看出摩擦塊表面形貌的相似性，相應地，2 側接觸與全接觸時盤面的溫度分布形態也相差不大（圖3（b）所示），這表明，摩擦塊表面的宏觀形貌與盤面溫度是密切相關的。

中間接觸時，制動壓力同樣為0.75 MPa，摩擦塊的表面形貌隨制動速度的變化情況如圖9所示。由圖9可見：隨制動速度的增加，摩擦塊表面由粗糙向光滑轉變，其顏色由暗紅向土灰色轉變。這表明，摩擦表面形態與溫度形成了對應關系；中間接觸時，摩擦熱高度集中，摩擦塊表面溫度隨制動速度的增加變化程度大，導致表面組織變化明顯。

圖8 不同制動初速度下2側接觸形式的摩擦塊表面形貌

圖9 不同制動初速度下中間接觸形式的摩擦塊表面形貌

上述試驗結果表明，局部接觸將改變制動盤表面溫度分布形態。當局部接觸發生在高能量區時，導致盤面的峰值溫度和溫度梯度顯著增加，其增加程度隨制動速度和制動壓力的增加而加劇，這種局部能量的集中同時影響到摩擦塊表面的粗糙程度和氧化程度，其表面組織的改變進一步反映出摩擦系數的變化。理論上，當金屬材料的氧化程度增加時，可增加材料的硬度，這是有助于增加摩擦系數的；但另一方面，高溫降低金屬的強度，又起到降低摩擦系數的作用。在局部接觸這種情況下，局部高溫對金屬的軟化作用大，加劇了摩擦系數的衰減程度。

3 結 論

（1）當局部接觸與高能量區重合時，盤面峰值溫度和最大溫差隨著制動速度和制動壓力的增加而顯著增加。制動速度為200 km·h-1、制動壓力為1.00 MPa 工況下，相對于全接觸，中間接觸的峰值溫度升高約31%，最大溫差增大約37%。

（2）當局部接觸偏離高能量區時，可以起到增加盤面溫度均勻性的作用。制動速度為200 km·h-1、制動壓力為1.00 MPa 條件下，相對于全接觸，2 側接觸時盤面的峰值溫度下降約11%，最大溫差減小約68%。

（3）存在局部接觸時，無論是2 側接觸還是中間接觸，都將導致摩擦系數降低和波動的程度加劇。總體上，局部接觸導致摩擦系數降低約10%左右。中間接觸與2 側接觸相比，摩擦系數隨制動速度和制動壓力增加，降低程度更明顯，這緣于局部接觸形成的高溫加劇了摩擦系數的降低程度。

（4）摩擦弧長的分布形態是影響盤面溫度分布的重要因素，實際閘片設計時，摩擦塊的形狀和布局應避免長接觸弧區域與高速區和散熱不良區重合。