軌道車輛制動閘片摩擦塊跑合階段磨損分析

盧純，尹家寶，張慶賀，付強

摩擦磨損與潤滑

軌道車輛制動閘片摩擦塊跑合階段磨損分析

盧純1,2，尹家寶1,2，張慶賀1,2，付強1,2

（1.西南交通大學 機械工程學院，成都 610031；2.軌道交通運維技術與裝備四川省重點實驗室，成都 610031）

在軌道車輛制動閘片摩擦塊的使用過程中，目前認為當接觸面積達到85%即跑合完成，這種判定標準缺少理論支撐。通過深入分析跑合階段的摩擦學行為，確定跑合結束時的摩擦學行為特點，為判定軌道車輛制動閘片摩擦塊跑合完全與否提供理論判據，同時也為縮短跑合時間、延長摩擦塊磨損壽命提供理論支撐。利用自行研制的盤型制動系統制動性能試驗臺進行制動閘片摩擦塊的跑合試驗，記錄制動閘片摩擦塊跑合過程中的接觸壓力、接觸面積、磨損量和界面損傷等摩擦學行為變化情況。利用ABAQUS建立有限元模型，通過UMESHMOTION子程序和ALE自適應網格劃分技術，基于Archard磨損模型實現考慮摩擦塊磨損累積的跑合階段摩擦學行為分析。跑合初期接觸壓力不均勻導致切入端迅速磨損，宏觀接觸面積增加使平均接觸應力迅速減小；在跑合中期，產生的磨屑不斷累積并壓實，宏觀接觸面積增加幅度逐漸減慢，平均接觸應力減小速率減緩；在跑合后期，宏觀接觸面積增加幅度進一步放緩，磨屑的壓實與破壞達到一個動態平衡，平均接觸應力保持穩定。根據跑合過程中平均接觸應力先迅速減小、后緩慢減小、最后保持不變的特點，可將軌道車輛制動閘片摩擦塊的跑合過程劃分為迅速跑合階段、過渡跑合階段和穩定跑合階段。因此，跑合階段完成的判定標準為平均接觸應力保持不變，即進入穩定跑合階段。在本文的試驗工況下，發現當摩擦塊接觸面積達到名義接觸面積的90%時跑合完成。

跑合階段；摩擦學行為；軌道車輛；摩擦磨損；制動閘片摩擦塊

摩擦磨損廣泛存在于工程領域[1-3]。在軌道交通領域，制動閘片摩擦塊與制動盤之間的摩擦接觸是實現列車高速制動、精準停車與穩定調速的有效手段，也是高速列車行車安全的最后一道安全屏障。然而，隨著列車運行速度的不斷提高，摩擦塊的磨損問題日益突出，嚴重影響鐵路運輸的安全性與經濟性。

磨損過程可分為3個階段，即跑合階段（初期磨損階段）、穩定磨損階段和劇烈磨損階段，見圖1。跑合階段可為零部件的正常使用創造條件，是服役過程中必不可少的階段。由于摩擦磨損無法避免，如何縮短跑合階段、延長穩定磨損階段、推遲劇烈磨損階段，是提高零部件磨損使用壽命的關鍵所在。因此，能否深入理解高速列車制動閘片摩擦塊跑合階段的摩擦學和界面損傷行為特點，對于縮短跑合期、延長高速列車制動閘片摩擦塊的使用壽命具有重要意義。

目前，學者們主要通過試驗[4-6]和仿真手段[7-9]研究了跑合階段、穩定磨損階段和劇烈磨損階段的第三體特征[10]、摩擦因數變化[11-12]、瞬態熱現象[13]、磨損機制[14]、界面干濕影響[15]、接觸平臺演變[16]、界面化合物成分變化[17]、磨損率[18]、表面硬化程度[19]等。例如，Yin等[20]研究了跑合階段中摩擦塊連接方式對制動界面接觸行為的影響，發現浮動連接方式能夠在跑合階段中較快地改善界面接觸狀態。Quan等[21]研究發現跑合階段中摩擦塊形狀特征能夠顯著改變制動界面的摩擦學行為，五邊形摩擦塊表面經歷較嚴重的摩擦磨損過程，具有五邊形摩擦塊的制動系統會產生較強的摩擦振動噪聲。Welsh[22-23]研究發現穩定磨損階段的磨損率較低，伴隨著氧化物磨屑的形成，表面氧化膜和應變硬化會防止嚴重磨損的出現；而在劇烈磨損階段，接觸力的增加會使表面氧化膜破碎，使金屬基體相互接觸并產生金屬磨屑。Rodrigues等[24]研究發現在穩定磨損階段中，高溫會使摩擦塊金屬氧化、軟化并起到潤滑作用使摩擦因數降低，接觸界面的金屬氧化層會使摩擦因數趨于穩定并提高摩擦塊的抗磨損性能。Xiao等[25]研究了高速鐵路列車銅基粉末冶金摩擦塊在380 km/h制動初速度下的磨損機制，發現摩擦塊表面形成了一層厚約2 μm的納米級氧化銅和三氧化二鐵，高硬度的氧化物使界面摩擦因數和耐磨性均高于原始表面。Howell等[26]利用掃描電鏡分析了穩定磨損階段摩擦塊的磨損過程，發現石墨形成的第三體潤滑膜會使磨損率下降，而第三體中的硬質顆粒會使磨損率急劇升高。

圖1 磨損三階段

以上研究對于探明高速列車制動閘片摩擦塊的磨損行為有重要意義，但針對跑合階段的摩擦學行為和界面損傷分析較少，對于通過縮短跑合期來延長磨損壽命缺少相關理論指導。同時，目前對于摩擦塊跑合是否完成缺少一個準確的定義，現在的判定標準是以接觸面積是否達到一個臨界值[23]，一般以摩擦塊接觸面積達到名義接觸面積的85%作為跑合結束的指標[27]。

針對上述問題，本文擬通過試驗測試和仿真分析手段，深入研究高速列車制動閘片摩擦塊在跑合階段的摩擦學行為和界面損傷特點，揭示跑合階段摩擦塊摩擦學行為演變規律，建立跑合階段是否完成的判定標準，為從縮短跑合階段的角度提高摩擦塊的服役壽命提供理論支撐。

1 試驗裝置及測試結果

試驗在盤型制動系統制動性能試驗臺上進行（圖2），試驗臺主要包含驅動系統、飛輪組、盤片摩擦系統、加載系統等主要部分。試驗時，先利用驅動系統帶動制動盤旋轉，當制動盤達到額定轉速時，通過加載系統推動摩擦塊使制動盤與摩擦塊之間建立接觸。在試驗過程中可實現轉速、制動力等制動參數的同步采集，采樣頻率為50 kHz。本文所使用的縮比制動盤的材料為鍛鋼（密度為7.8×103kg/m3，硬度為350 kg/mm2(HV0.5)），制動盤半徑為69 mm、厚度為14 mm；縮比圓形摩擦塊材料為銅基粉末冶金（密度為5.18×103kg/m3，硬度為181～223 kg/mm2(HV0.5)），摩擦塊半徑為16.3 mm、厚度為17 mm，摩擦塊與制動盤間的平均摩擦半徑為42 mm，制動盤與摩擦塊的元素組成見表1。

圖2 盤型制動系統制動性能試驗臺

Fig.2 Brake performance test bench of disc brake system

本文在跑合階段制動盤與摩擦塊摩擦學行為及摩擦塊損傷行為的試驗研究中，制動氣缸的壓力設為恒定（0.1 MPa），制動盤轉速設定為250 r/min，制動模式選用拖曳制動，試驗在環境溫度25 ℃、相對濕度60%±10%下進行。在整個試驗過程中，根據以往經驗間斷選取不同時刻使試驗臺停機。然后卸載制動力使盤塊分離，利用高清相機觀察記錄摩擦塊表面磨損狀態。再將壓力膜傳感器置于制動盤與摩擦塊之間并重新加載制動力以建立盤塊接觸，獲得包括接觸面積和接觸壓力等制動盤與摩擦塊兩者之間的接觸狀態。

本文對摩擦塊進行了450 min的跑合，試驗得到不同觀察時刻下的接觸面積及接觸壓力演變過程如圖3所示。整體看來，在跑合過程中，摩擦塊的接觸面積逐漸增加，最終整個摩擦塊名義表面均與制動盤接觸。同時，接觸壓力在跑合開始階段集中于較小的區域，隨著跑合過程的進行接觸壓力集中現象消失，接觸壓力近乎均布在摩擦塊的名義接觸區域內。另外，接觸面積和接觸壓力的變化在跑合開始階段較為劇烈，隨著跑合過程的進行，兩者變化的劇烈程度逐漸減緩。

為了定量分析摩擦塊在跑合過程中接觸壓力和接觸面積的變化情況，利用不同觀察時刻下最大平均接觸應力和最大接觸面積對跑合過程中的接觸壓力和接觸面積進行歸一化處理，見圖4。可以看到，宏觀接觸面積隨著跑合過程的進行逐漸增加，直到整個摩擦塊名義表面與制動盤完全接觸。對于接觸壓力，在跑合初期平均接觸應力迅速減小。隨著跑合過程的不斷進行，平均接觸應力減小速度減慢。在跑合的最終階段，雖然宏觀接觸面積繼續增加，但平均接觸應力幾乎保持不變。

表1 制動盤與摩擦塊材料組成

圖3 跑合過程中摩擦塊接觸界面及接觸狀態演變

圖4 跑合過程中接觸壓力和接觸面積變化情況

為了確保摩擦塊跑合完全，在摩擦塊與制動盤完全接觸后，繼續進行數次跑合。跑合完成后摩擦塊的接觸表面形貌、制動盤與摩擦塊之間的接觸壓力分布及平均接觸應力測試結果見圖5。可以看到，制動盤與摩擦塊繼續保持完全接觸，接觸區域覆蓋整個摩擦塊的名義接觸面，接觸狀態以及平均接觸應力在一個均衡狀態范圍內波動，這表明摩擦塊已跑合完全。

摩擦塊跑合完全后的接觸界面損傷分析觀測結果見圖6。可以看到，在跑合過程中，接觸壓力和接觸面積的不斷變化導致摩擦塊表面出現了較為復雜的損傷行為特點。例如，在圖6a和圖6b中可以觀察到，在摩擦塊接觸界面上出現了明顯的劃傷、剝落等損傷形式。在圖6c和圖6d中可以觀察到初級接觸平臺，以及在初級接觸平臺附近由于磨屑的堆積和壓實形成的二次接觸平臺。在圖6e和圖6f中可以觀察到隨著摩擦接觸的進行，二次接觸平臺被破壞，接觸界面微觀結構發生重構。

圖5 摩擦塊與制動盤完全接觸后的界面狀態

圖6 摩擦塊接觸界面損傷

2 模型建立及仿真分析

本文利用Archard磨損模型進行摩擦塊的摩擦磨損計算[28]，見等式（1）。

式中：d、Δ和d分別為磨損深度、接觸面積和滑動距離；f代表法向載荷；為表面硬度；0是無量綱磨損系數。對等式（1）進一步變形得到接觸表面磨損深度的計算公式，見等式（2）。

式中：為0與的比值，是有量綱磨損系數；為接觸應力，可通過法向載荷與接觸面積求得。利用ABAQUS中UMESHMOTION子程序將Archard磨損計算嵌入到有限元模型應力應變場的求解過程中[29]。與此同時，利用ALE自適應網格重繪技術，根據Archard磨損模型計算得到的磨損量調整摩擦塊接觸表面的幾何形貌，實現磨損狀態的更新[29]。

利用ABAQUS建立盤型制動系統制動性能試驗臺有限元模型，見圖7。模型中包含制動盤、摩擦塊和夾具等主要零部件。有限元模型的尺寸按照試驗臺的真實尺寸進行搭建，所有零部件均用六面體單元進行離散，并對摩擦塊接觸表面進行網格細化。摩擦塊與夾具之間采用綁定約束，摩擦塊與制動盤之間采用面面接觸配置，摩擦因數取為0.4[30]。在制動盤圓心處建立參考點，將制動盤內圈與參考點耦合，將制動盤的旋轉約束條件施加于參考點上，參考點保留沿制動盤軸向的旋轉自由度，夾具和摩擦塊保留沿接觸表面的法向移動自由度，制動力通過均布載荷施加于夾具上，有限元模型中各部件的材料屬性見表2。

圖7 有限元模型

表2 有限元模型材料屬性

仿真計算得到的跑合過程中摩擦塊與制動盤接觸界面的壓力分布演變結果見圖8。可以看到，仿真計算得到的壓力分布及演變與試驗測試結果一致。仿真計算結果相比于試驗測試結果更加均勻，這是因為仿真計算中忽略了界面粗糙度、安裝精度、接觸表面不平順的影響。從仿真結果可以看到，隨著跑合過程的不斷進行，摩擦塊與制動盤的接觸面積逐漸擴散直至摩擦塊名義接觸面全部接觸。同時，在仿真分析結果中能夠更加清楚地看出，在跑合初期接觸區域及應力集中區域靠近制動盤圓心及切入端，這主要是由于摩擦塊單側加載及系統剛度導致。

仿真模擬得到的摩擦塊接觸面積和接觸應力的定量分析結果見圖9，圖中利用跑合過程中仿真得到的最大接觸面積和最大平均接觸壓力對接觸面積演變和平均接觸壓力演變做了歸一化處理。可以看到，仿真計算得到的演變趨勢與試驗測試結果相同，即接觸面積隨著跑合過程的進行不斷增加，接觸壓力分布隨著跑合過程的進行逐漸變得均勻。平均接觸壓力在跑合開始階段直至摩擦塊名義接觸表面完全接觸的過程中先迅速下降、后緩慢下降，當接觸面積達到摩擦塊名義接觸面積的90%左右時，平均接觸壓力幾乎保持不變。值得注意的是，本研究的關注點并非是給出摩擦塊接觸面積與其名義接觸面積之間的一個明確的比值來定義摩擦塊是否完成跑合，而是旨在從接觸壓力、接觸面積等角度，深入分析摩擦塊在跑合過程中的摩擦學行為演變規律，從而給出跑合過程結束時的摩擦學行為特點，進而基于摩擦學行為來判定跑和是否完成。根據本文的研究，發現當摩擦塊與制動盤之間的平均接觸壓力保持相對穩定時，可認為摩擦塊完成了跑合。

圖8 接觸壓力演變仿真計算結果

圖9 摩擦塊接觸面積和平均接觸壓力仿真計算結果

圖10為仿真計算得到的摩擦塊磨損演變結果，可以看到，在靠近制動盤圓心且偏向切入端處，摩擦塊的磨損深度最高，在遠離制動盤圓心且偏向切出端處，摩擦塊的磨損量最小。為了解釋這種現象，圖11中給出了跑合階段內沿著摩擦方向摩擦塊的接觸應力分布及演變過程。可以看到，在跑合初始階段，切入端的接觸應力遠大于切出端，造成切入端迅速磨損；隨著跑合的進行和切入端材料逐漸被磨掉，切入端和切出端接觸應力的差值逐漸減小并趨于相等，整個摩擦塊表面均勻磨損。綜上可以看到，造成摩擦塊切入端磨損較為嚴重的原因主要在于接觸壓力分布不均勻，雖然根據Archard磨損理論，在遠離制動盤圓心且偏向切出端的滑動速度較大，但接觸應力遠小于靠近制動盤圓心且偏向切入端，因此摩擦塊在靠近制動盤圓心偏向切入端的磨損較為嚴重。

仿真計算得到的累積磨損體積結果見圖12。可以看到，隨著跑合過程的進行，摩擦塊的累積磨損量逐步增加，與試驗測試得到的累積磨損量相比，仿真計算結果的相對誤差為10.1%。考慮到在仿真計算模型中對試驗臺進行了一定的簡化，并忽略了表面粗糙度、試驗臺安裝誤差、人為測量誤差等影響。而這些因素將導致預測結果出現一定的誤差，且產生的誤差會不斷累積并影響后續的預測結果。在本文中，計算所得累積磨損量誤差為10.1%，表明該方法在鐵路摩擦塊累積磨損退化預測中的有效性。同時，相比于試驗測試，仿真計算能夠更詳細地復現摩擦塊的磨損過程，也能夠更加清晰地展示在跑合過程中摩擦學行為的演變規律。

圖10 摩擦塊磨損演變仿真計算結果

圖11 沿摩擦方向摩擦塊接觸應力演變與分布

圖12 磨損量演變仿真計算結果

3 分析與討論

通過上述試驗測試和仿真分析結果，可以看到從跑合開始直至摩擦塊名義接觸面完全與制動盤接觸的過程中，根據摩擦塊與制動盤之間平均接觸應力的變化情況可以將跑合過程分為3個階段，分別為迅速跑合階段、過渡跑合階段和穩定跑合階段，見圖13。

圖13 跑合過程中不同階段及特征

在迅速跑合階段，由于系統剛度、安裝精度、表面粗糙度及表面不平順等影響，制動盤與摩擦塊之間的實際接觸面積較小，導致摩擦塊名義接觸面的接觸應力分布極為不均勻（見圖3），局部接觸應力較大，使得局部接觸面迅速磨損（見圖10），實際接觸面積逐漸變大，進而平均接觸應力迅速減小（見圖3、圖8）；隨著跑合過程的繼續進行，達到過渡跑合階段，宏觀接觸面積繼續增加但增加幅度逐漸減慢，同時產生的磨屑會逐漸累積、壓實并形成磨屑層，進而進一步增大了承力面積（見圖6），以上因素綜合作用使平均接觸應力下降速率減緩；在跑合階段后期的穩定跑合階段，宏觀接觸面積增加幅度進一步放緩，產生的磨屑進一步堆積、壓實并繼續形成磨屑層，與此同時磨屑層也不斷發生崩塌，新增加的接觸面與消失的接觸面達到一個動態平衡，使平均接觸應力保持不變。

4 結論

1）在跑合初期，摩擦塊上的接觸壓力不均勻導致切入端迅速磨損，宏觀接觸面積增加，平均接觸應力迅速減小；在跑合中期，產生的磨屑不斷累積、壓實并形成磨屑層，宏觀接觸面積增加幅度逐漸減慢，平均接觸應力減小速率減緩；在跑合后期，宏觀接觸面積增加幅度進一步放緩，磨屑層的形成與崩塌達到一個動態平衡，平均接觸應力保持穩定。

2）跑合過程可以根據平均接觸應力先迅速減小、后緩慢減小、最后保持穩定的變化情況分為3個階段，即迅速跑合階段、過渡跑合階段和穩定跑合階段。

3）給出了跑合完成的摩擦學行為特點、判定方法及相應的理論依據。當摩擦塊接觸面積達到名義接觸面積的90%時，平均接觸應力基本保持穩定、進入穩定跑合階段，此時可認為跑合結束。

4）根據本文的研究，未來可通過在制動閘片摩擦塊加工制造過程中微調預設磨損、調整摩擦塊安裝結構和界面接觸狀態等方式來使平均接觸應力保持穩定，以期達到縮短跑合時間，延長制動閘片摩擦塊使用壽命的目的。

[1] 尹波潤, 文永蓬, 尚慧琳. 基于元胞自動機方法的地鐵車輪磨損動態建模與仿真[J]. 機械工程學報, 2019, 55(2): 135-146.

YIN Bo-run, WEN Yong-peng, SHANG Hui-lin. Dyna-mic Modeling and Simulation of Metro Wheel Wear Based onCellular Automata Method[J]. Journal of Mechanical Engineering, 2019, 55(2): 135-146.

[2] Shen Xue-jin, Liu Yun-fei, Cao Lei. Numerical Simu-lation of Sliding Wear for Self-Lubricating Spherical Plain Bearings[J]. Journal of Materials Research and Technology, 2012, 1(1): 8-12.

[3] 趙廣輝, 張健, 宋耀輝, 等. 不同淬火溫度下NM500/ Q345復合板耐磨層的摩擦磨損性能研究[J]. 精密成形工程, 2021, 13(6): 35-41.

ZHAO Guang-hui, ZHANG Jian, SONG Yao-hui, et al. Friction and Wear Properties of Wear-Resistant Layer of NM500/Q345 Composite Plates at Different Quenching Temperature[J]. Journal of Netshape Forming Enginee-ring, 2021, 13(6): 35-41.

[4] TAVANGAR R, et al. Comparison of Dry Sliding Beha-vior and Wear Mechanism of Low Metallic and Copper- Free Brake Pads[J]. Tribology International, 2020, 151: 106416.

[5] 高飛, 孫野, 楊俊英, 等. 摩擦副結構與制動盤溫度關系的試驗與模擬研究[J]. 機械工程學報, 2015, 51(19): 182-188.

GAO Fei, SUN Ye, YANG Jun-ying, et al. Experimental and Simulation Research on Relationships of the Pattern of a Friction Pair and Temperature[J]. Journal of Me-chanical Engineering, 2015, 51(19): 182-188.

[6] ZHAO San-qing. The Braking Behaviors of Cu-Based Powder Metallurgy Brake Pads Mated with C/C-SiC Disk for High-Speed Train[J]. Wear, 2020, 448-449: 203237.

[7] GUI Liang-jin. A Simulation Method of Thermo-Mechanical and Tribological Coupled Analysis in Dry Sliding Sys-tems[J]. Tribology International, 2016, 103: 121-131.

[8] 李靜, 尹俊. 自潤滑軸承磨損行為的數值仿真[J]. 潤滑與密封, 2018, 43(11): 120-124.

LI Jing, YIN Jun. On the Wear Simulation of Self- Lubrication Bearings[J]. Lubrication Engineering, 2018, 43(11): 120-124.

[9] ARUNACHALAM A P S. Material Removal Analysis for Compliant Polishing Tool Using Adaptive Meshing Tech-nique and Archard Wear Model[J]. Wear, 2019, 418-419: 140-150.

[10] FEDERICI M. A Preliminary Investigation on the Use of the Pin-on-Disc Test to Simulate Off-Brake Friction and Wear Characteristics of Friction Materials[J]. Wear, 2018, 410-411: 202-209.

[11] ZHANG Peng. A High-Performance Copper-Based Brake Pad for High-Speed Railway Trains and Its Surface Substance Evolution and Wear Mechanism at High Tem-perature[J]. Wear, 2020, 444-445: 203182.

[12] WEI L. A Study of Brake Contact Pairs under Different Friction Conditions with Respect to Characteristics of Brake Pad Surfaces[J]. Tribology International, 2019, 138: 99-110.

[13] 楊肖, 張志輝, 王金田, 等. 仿生制動盤表面溫度場與應力場的計算機模擬[J]. 機械工程學報, 2012, 48(17): 121-127.

YANG Xiao, ZHANG Zhi-hui, WANG Jin-tian, et al. Com-puter Simulation of Bionic Brake Disk Surfaces Temperature and Stress[J]. Journal of Mechanical Engi-neering, 2012, 48(17): 121-127.

[14] MA Xu. Comparison of Braking Behaviors between Iron- and Copper-Based Powder Metallurgy Brake Pads that Used for C/C-SiC Disc[J]. Tribology International, 2021, 154: 106686.

[15] SHI L B. Study of the Friction and Vibration Charac-teristics of the Braking Disc/Pad Interface under Dry and Wet Conditions[J]. Tribology International, 2018, 127: 533-544.

[16] QIAN H H, et al. The Effect of the Macroscopic Surface Morphology Caused by the Uneven Wear on Friction Induced Vibration[J]. Tribology International, 2021, 154: 106672.

[17] GULTEKIN D. The Effects of Applied Load on the Coe-fficient of Friction in Cu-MMC Brake Pad/Al-SiCp MMC Brake Disc System[J]. Wear, 2010, 270(1-2): 73-82.

[18] STRAFFELINI G. The Relationship between Wear of Semimetallic Friction Materials and Pearlitic Cast Iron in Dry Sliding[J]. Wear, 2013, 307(1-2): 75-80.

[19] MEZLINI S. Effect of Indenter Geometry and Relation-ship between Abrasive Wear and Hardness in Early Stage of Repetitive Sliding[J]. Wear, 2006, 260(4-5): 412-421.

[20] YIN J B, WU Y K, LU C, et al. The Influence of Friction Blocks Connection Configuration on High-Speed Railway Brake Systems Performance[J]. Tribology Letters, 2021, 69(4): 122.

[21] QUAN Xin, MO Ji-liang, HUANG Bo, et al. Influence of the Friction Block Shape and Installation Angle of High- Speed Train Brakes on Brake Noise[J]. Journal of Tribo-logy, 2020, 142(3): 589.

[22] Welsh N C. The Dry Wear of Steels I. the General Pattern of Behaviour[J]. Philosophical Transactions of the Royal Society of London Series A, Mathematical and Physical Sciences, 1965, 257(1077): 31-50.

[23] Welsh N C. The Dry Wear of Steels II. Interpretation and Special Features[J]. Philosophical Transactions of the Royal Society of London Series A, Mathematical and Physical Sciences, 1965, 257(1077): 51-70.

[24] RODRIGUES A C P. Impact of Copper Nanoparticles on Tribofilm Formation Determined by Pin-on-Disc Tests with Powder Supply: Addition of Artificial Third Body Consisting of Fe3O4, Cu and Graphite[J]. Tribology International, 2017, 110: 103-112.

[25] XIAO Jin-kun. Wear Mechanism of Cu-Based Brake Pad for High-Speed Train Braking at Speed of 380 Km/H[J]. Tribology International, 2020, 150: 106357.

[26] HOWELL G J. Dry Sliding Wear of Particulate- Reinforced Aluminium Alloys Against Automobile Fric-tion Materials[J]. Wear, 1995, 181-183: 379-390.

[27] TJ/CL 307—2014, 動車組閘片暫行技術條件[s].

TJ/CL 307—2014, Temporary Technical Conditions for Multiple Units Brake pads[s].

[28] ARCHARD J F. Contact and Rubbing of Flat Surfaces[J]. Journal of Applied Physics, 1953, 24(8): 981-988.

[29] Simulia D C S. ABAQUS Analysis User’s Manual. Providence, RI, USA, 2011.

[30] LU Chun, et al. Accumulated Wear Degradation Predi-ction of Railway Friction Block Considering the Evolu-tion of Contact Status[J]. Wear, 2022, 494-495: 204251.

Wear Degradation of Railway Vehicle Brake Pad Friction Block in Running-in Stage

1,2,1,2,1,2,1,2

(1. School of Mechanical Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China; 2. Technology and Equipment of Rail Transit Operation and Maintenance Key Laboratory of Sichuan Province, Chengdu 610031, China)

In the using of railway vehicle brake pad friction block, 85% contact area is assumed to be an indication of the accomplishment of the running-in process without theoretical support. Only few studies mention tribological behavior and interface damage analysis for the running-in phase.

Through the comprehensive analysis of the tribological behavior in running-in stage, the characteristics of tribological behaviors at the end of the running-in process are determined, which provides a theoretical criterion for determining whether the running-in stage is complete or not and gives theoretical support for running-in period shortening and wear life increasing. With the help of self-designed brake performance test bench, the changes of the tribological behaviors such as contact pressure, contact area, wear and interface damage in running-in stage are recorded to study the braking performance of the friction block in running-in stage. Using UMESHMOTION subroutine, ALE technology and Archard wear model, the tribological behavior of the friction block considering wear degradation accumulation is analyzed. Inaddition, the correctness of simulation results is verified by the experimental data.Finally, based on the results from experiments and simulation, the evolving tribological behavior of the friction block during the running-in process is thoroughly evaluated in terms of contact pressure, contact area, wear volume, damage characteristics, etc. And the tribological behavior features and determination method at the end of the running-in process are provided.

It is found that the uneven contact pressure at the beginning of the running-in stage results in a rapid wear on the friction block cut-in side. The increase of the macroscopic contact area leads to a rapid decrease of the average contact stress. In the middle of the running-in stage, the secondary contact plateaus are gradually established by the accumulation and compaction of the generated wear debris. The increase of the macroscopic contact area gradually slows down, as well as the decrease rate of the average contact stress. At the end of the running-in stage, the increase rate in macro contact area further slows down. There is a dynamic balance between the formation and collapse of the secondary contact plateaus, the average contact stress reaches a stable value. According to the variation characteristics of the average contact stress in running-in stage, i.e., first quickly reduces, then slowly reduces and finally remains stable, the running-in stage can be divided into rapid running-in phase, transitional running-in phase and stable running-in phase. Thus, the indication of the accomplishment of the running-in process is that the average contact stress remains unchanged, that is, the stable running-in phase is entered. Under the test conditions in this work, it is found that the running-in process is completed when the contact area of the friction block reaches 90% of the nominal contact area of the friction block. According to these findings, it is possible to keep the average contact stress stable by fine-tuning the preset wear, adjusting the friction block mounting structure and interface contact state during the manufacturing process of the brake friction block.Thesecould help to shorten the running-in time and extend the service life of the brake pad friction block.

running-in stage; tribological behavior; railway vehicle; friction and wear; brake pad friction block

Th117

A

1001-3660(2022)12-0063-09

10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2022.12.005

2021–11–18；

2022–03–09

2021-11-18；

2022-03-09

國家自然科學基金（52105160）；四川省科技計劃資助項目（2020JDTD0012）；中央高校基本科研基金（2682021CX028）

The National Natural Science Foundation of China (52105160); the Sichuan Province Science and Technology Support Program (2020JDTD0012); the Fundamental Research Funds for the Central Universities (2682021CX028)

盧純（1989—），男，博士，講師，主要研究方向為多軸疲勞可靠性、鐵路摩擦學。

LU Chun (1989-), Male, Doctor, Lecturer, Research focus: multiaxial fatigue reliability, rail tribology.

盧純，尹家寶，張慶賀，等. 軌道車輛制動閘片摩擦塊跑合階段磨損分析[J]. 表面技術, 2022, 51(12): 63-71.

LU Chun, YIN Jia-bao, ZHANG Qing-he, et al. Wear Degradation of Railway Vehicle Brake Pad Friction Block in Running-in Stage[J]. Surface Technology, 2022, 51(12): 63-71.

責任編輯：萬長清