随着我国高速列车运行速度的不断提升，以及运营里程和年限的增长，由制动问题引起的列车故障和应急事件时有发生，引起产业和学术界的高度重视. 高速列车摩擦制动主要由制动闸片和制动盘之间摩擦消耗动能来实现的，其必须保证列车能在规定的距离内停车，以确保列车运行的安全，因此也被称为基础制动^[1]. 闸片/制动盘之间的摩擦界面是摩擦制动系统工作的“纽带”，而摩擦制动可靠的关键则在于制动界面的良好摩擦学行为.

在高速制动的强摩擦、高热负荷和开放式环境作用下，制动界面的摩擦学行为极其复杂. 如热—机耦合作用下材料弹塑性变形，表面裂纹、磨屑和摩擦膜的形成，以及表面形貌特征、接触应力大小及分布、摩擦热产生及分布、不稳定自激振动等因素均会影响到制动界面摩擦学行为^[2-6]，进而影响制动性能. 因此，充分认识制动界面的摩擦学行为及其影响因素，进而对其进行有效调控一直是研究重点及难点.

针对高速列车制动界面摩擦学行为，研究人员尝试了从摩擦块形状角度对其进行调控^[7]. PANIER等^[8]研究了不同形状摩擦块对热点分布情况的影响，得出摩擦块弧长减少时，热点数量会增多；高飞等^[9]针对高速列车制动摩擦块结构与制动盘温度的关系开展了试验和模拟研究，发现制动块结构形式对制动盘面温差和热应力有明显影响；本课题组^[10]前期也研究了列车制动闸片不同形状摩擦块在干、湿环境下的振动噪声和表面磨损特性，并探讨了两者之间的关系. 这些研究工作发现了摩擦块形状能够有效改变界面摩擦学行为，却未就摩擦块形状对制动界面摩擦学行为调控机制进行有效揭示，尤其是阐明不同摩擦块形状下接触行为—摩擦热—表面磨损之间的内在关联.

为此，本文作者将针对高速列车常见的制动闸片摩擦块形状(六边形、五边形和圆形)，在自行研制的高速列车制动缩比试验台上进行拖曳制动对比试验，并结合有限元分析方法，分析不同摩擦块形状下制动界面摩擦学行为的差异，探讨摩擦块形状对接触压力分布及制动盘和摩擦块表面热分布的影响. 研究成果可为高速列车制动闸片摩擦块的优化设计提供必要的理论依据和应用指导.

1.   试验介绍

1.1   试验装置

在自行研制的高速列车制动缩比试验台上开展了不同摩擦块形状的拖曳制动试验，如图1所示. 基于该试验台可有效模拟高速列车摩擦制动中的正常制动和拖曳制动，并能实现不同转速、加载力等制动参数下的制动摩擦试验. 试验台的控制系统可控制电机的启停、离合器的吸合状态以及加载机构的加载状态. 滑台加载机构上安装的热成像仪(FLIR E40，精度±2 ℃)可实时监测试验过程中制动盘表面热分布，并记录试验后摩擦块表面温度分布情况. 每种形状摩擦块样品拖曳制动试验结束后，使用SPI H-series纳米材料矩阵式压力传感器并搭配Tactilus数据采集装置获取摩擦块样品接触压力分布情况，此外，使用光学显微镜(OM)观察磨损表面形貌.

图  1  高速列车制动系统缩比试验装置及样品

Figure  1.  The high-speed train brake system shrinkage ratio dynamometer and samples

下载: 全尺寸图片 幻灯片

1.2   试验样品

试验研究中，从高速列车制动闸片材料中加工出三种形状的摩擦块样品，其材料均为铜基粉末冶金(硬度为HV0.5 181-223，弹性模量E=6.5 GPa). 三种摩擦块横截面形状分别参照当下服役车型所用的形状(六边形和五边形分别参照我国CRH2A和CRH380A型车，圆形参照法国TGV)，摩擦块样品的厚度均为8.5 mm，且三种摩擦块面积(与制动盘对摩表面)均为368 mm²；制动盘样品选用锻钢材料(硬度为HV_0.5360，弹性模量E=210 GPa)，其直径及厚度分别为Φ138 mm和15 mm. 摩擦块及制动盘样品的具体尺寸(单位均为mm)和安装位置见图1.

1.3   试验过程

将实验室环境温度控制在22~27 ℃，相对湿度控制在RH 60%±12%. 试验开始前，对摩擦块样品进行充分跑合以保证良好的界面接触. 试验采取拖曳制动方式，其参数设置如下：制动盘转速ω=200 r/min，制动力F_n=190 N，摩擦半径R=45 mm，拖曳时间 t=2 min. 每组试验重复5次以保证试验结果的可靠性，且每次试验结束后均将制动盘冷却到常温再进行下一次试验. 此外，各次试验过程中每间隔30 s均使用热成像仪采集制动盘表面温度分布及每次试验结束后记录摩擦块磨损表面温度分布.

2.   结果分析与讨论

2.1   摩擦块表面磨损分析

观察摩擦块磨损表面形貌(图2)，尽管不同摩擦块磨损表面均存在一定大小和数量的接触平台和剥落坑，但其磨损程度及磨损特征仍存在明显差异. 其中，六边形摩擦块磨损表面接触平台较为分散且尺寸较小，而五边形和圆形摩擦块接触平台尺寸较大，在摩擦方向上形成长条形联通区域. 此外，五边形和圆形摩擦块磨损表面均存在较为明显的犁沟和剥落现象，且圆形摩擦块此现象更为严重，表明圆形摩擦块与制动盘的摩擦过程中存在明显的犁削和剪切作用，并导致表面材料剥落形成大小不一的剥落坑，最终加剧摩擦块的磨损并表现出复杂的摩擦学行为.

图  2  三种摩擦块磨损形貌

Figure  2.  The worn surface morphologies of the three friction blocks

下载: 全尺寸图片 幻灯片

磨损表面接触平台作为制动压力的主要承载区域，直接反映界面磨损特性并影响制动系统的振动噪声特性^[11]. 因此，进一步采用Otsu阈值分割法对接触平台进行量化表征，以定量展现不同形状摩擦块下制动界面摩擦学行为的差异. 对摩擦块磨损表面光镜图进行灰度处理，并在图像处理程序中植入自动搜索命令，以自主确定双模间最小灰度级，确保类间方差达到最大以取得最佳分割效果^[12-13]. 最终能较理想地将接触平台识别并分割出来，结果如图3所示. 据此统计所有接触平台的总面积和面积大于8 000 μm²的接触平台的总面积，以及后者在前者中的占比，如图4所示.

图  3  磨损表面接触平台Otsu阈值分割法结果

Figure  3.  The results of Otsu threshold segmentation method for the contact platform

下载: 全尺寸图片 幻灯片

图  4  接触平台面积统计

Figure  4.  Contact platform area statistics

下载: 全尺寸图片 幻灯片

对于接触平台总面积，六边形和五边形摩擦块的数值相近，而圆形摩擦块的明显较大. 而对于面积大于8 000 μm²的接触平台总面积，六边形的数值最小，五边形的次之，圆形的最大. 此外，六边形摩擦块磨损表面积大于8 000 μm²的接触平台占接触平台总面积的比例最小，可认为该磨损表面接触平台大小较为均匀，而圆形摩擦块磨损表面则具有最大的占比，接触平台大小表现出较为明显的差异. 因此，六边形摩擦块具有较好的接触平台分布情况，在与制动盘摩擦过程中表现出比五边形和圆形摩擦块更好的磨损特性.

2.2   温度及接触压力分布

图5示出了拖曳制动试验结束时(120 s)制动盘表面温度分布，可见六边形、五边形和圆形摩擦块均会导致制动盘产生明显的环形带状相对高温区(本文中简称热环)，最高温度分别为55.9、59.9和70.6 ℃. 其中，与六边形和五边形摩擦块对摩的制动盘均存在内、外两圈热环，而圆形摩擦块对摩的制动盘的热环主要集中在内圈，导致摩擦产生的热能多集中于该区域.

图  5  制动盘表面温度分布

Figure  5.  The temperature distribution of disc surface

下载: 全尺寸图片 幻灯片

提取图5中摩擦区域内径向上不同位置在30、60、90和120 s的温度变化情况，结果如图6所示. 可见温度曲线存在明显的峰值，以六边形和五边形摩擦块作为对摩副的制动盘表现出较为对称的双峰特征且峰值分别靠近于内、外摩擦区域，以圆形摩擦块作为对摩副的制动盘的温度峰值主要靠近于内摩擦区域，并且温度值从内摩擦区域到外摩擦区域经历先升高后降低再微弱升高的过程. 总的来说，相比五边形和圆形摩擦块的情况，以六边形摩擦块作为对摩副的制动盘摩擦区域内各位置的温度差异明显较小，表明与六边形摩擦块对摩能够使得制动盘表面温度分布更为均匀.

图  6  制动盘摩擦区域径向节点温度

Figure  6.  Radial node temperature in friction region of disc

下载: 全尺寸图片 幻灯片

计算图6中摩擦区域径向上的最高和最低温度差，结果见图7，可见不同时刻下，与圆形摩擦块对摩的制动盘的表面摩擦区域内均具有最大的高低温度差，这进一步证实了将圆形摩擦块作为对摩副会使得对应的制动盘上产生热能聚集现象. 结合前述摩擦块表面接触平台分布情况，可得出摩擦块磨损表面接触平台大小及分布越均匀(如六边形摩擦块)，拖曳制动过程中与之配副的制动盘表面温度分布越均匀；反之，若磨损表面存在数量较多的大接触平台(如圆形摩擦块)，则容易导致制动盘表面产生温度聚集现象.

图  7  摩擦区域内最高最低温度差

Figure  7.  The temperature difference in the friction region

下载: 全尺寸图片 幻灯片

对比分析试验结束后不同摩擦块表面温度分布，从图8中可以看出：六边形摩擦块表面温度分布较为均匀，而五边形和圆形摩擦块表面相对高温区域多集中于摩擦切入端. 进一步地，分析试验结束后摩擦块接触压力分布情况，如图9所示. 可见摩擦块接触压力分布多集中于摩擦块的切出端，这表明试验结束后切出端平面较高而切入端较低，即摩擦块的切入端磨损率较大，产生了偏磨现象. 在相同制动力下不同形状摩擦块接触压力均值仍差异较大，其中圆形摩擦块的最大，五边形摩擦块次之，六边形摩擦块的最小，表明六边形摩擦块与制动盘具有较大的接触面积，据此可推测六边形摩擦块切入和切出端磨损较为一致. 而六边形摩擦块内、外圈摩擦区域的接触压力差别不大，则可能是导致与其对摩的制动盘表面温度分布较均匀的原因之一. 相比之下，圆形摩擦块内圈摩擦区域具有较高的接触压力，即内圈平面较高，摩擦过程中作为接触压力的主要承载区域，导致对应的制动盘表面呈现出明显的内圈热环.

图  8  摩擦块表面温度分布

Figure  8.  The temperature distribution of friction block surface

下载: 全尺寸图片 幻灯片

图  9  试验结束后摩擦块表面接触压力分布

Figure  9.  Contact pressure distribution of friction block surface after testing

下载: 全尺寸图片 幻灯片

3.   有限元仿真分析

3.1   试验装置有限元模型建立

在有限元分析软件Abaqus中建立简化的试验装置有限元模型，并采用六面体网格对其进行划分，如图10所示. 该有限元模型由制动盘、摩擦块、夹具、振动加速度传感器、推杆和轴承等部分组成. 摩擦块对应试验中所用到的六边形、五边形和圆形摩擦块. 试验装置有限元模型主要组成部分所用材料参数列于表1中. 此外，制动盘样品的热导率32.2 W/(m·K)、线膨胀系数1.16×10⁻⁵、比热容480 J/(kg·K)；摩擦块样品的热导率40 W/(m·K)、线膨胀系数1.1×10⁻⁵、比热容534 J/(kg·K)^[9].

图  10  制动系统有限元模型及边界条件

Figure  10.  The finite element model and boundary condition of braking system

下载: 全尺寸图片 幻灯片

表  1  有限元模型部件材料参数

Table  1.  The component material parameters of finite element model

Parts	Density/(kg/m3)	Young’s modulus/GPa	Poisson’s ratio
Disc sample	7 850	210	0.3
Block sample	5 200	6.5	0.29
Block holder	7 800	200	0.3
Push rod	7 900	190	0.3
Linear bearing	2 700	70	0.3

下载: 导出CSV 

| 显示表格

针对该有限元模型中各部分的真实约束情况，定义制动盘式样与摩擦块式样、推杆与推杆支撑件为面-面接触，主面为制动盘式样和推杆支撑件的摩擦面，从面为其相应的接触面；约束制动盘内圈耦合点所有方向的平动自由度及X和Y轴的旋转自由度，保留制动盘在Z轴转动方向自由度并将转速设置为200 r/min；制动盘与摩擦块之间的接触行为设置为切向摩擦(摩擦系数均为0.4)和法向硬接触；摩擦块与夹具、振动加速度传感器和夹具以及夹具与推杆之间均设置Tie约束.

3.2   热-机耦合分析过程

摩擦块与制动盘在拖曳制动过程中，大部分的动能通过制动盘和摩擦块的摩擦作用转换成为热能，并在摩擦表面不断聚集，导致表面温度升高. 同时，由于试验装置暴露在空气之中，摩擦产生的热量不断以热传导、热辐射和热对流的方式与外界进行热交换，因此在本模型计算过程中，对摩擦副热交换过程进行了定义^[14-15].

3.3   仿真结果与讨论

3.3.1   接触面积分析

图11示出了摩擦块与制动盘进行拖曳制动时，在稳定期间0.1 s内二者接触面积的时变情况及均值. 结果表明，摩擦块与制动盘之间的接触面积呈震荡波动形式；接触面积均小于摩擦块的表面积(三种摩擦块均为368 mm²)，表现出不完全接触以及接触状态实时调整的现象；六边形摩擦块使得制动系统具有较大的接触面积，五边形次之，圆形摩擦块则最小.

图  11  拖曳制动过程摩擦块/制动盘接触面积变化及相应的均值

Figure  11.  The evolution and the corresponding average value of contact area between friction block and disc during dragging brake process

下载: 全尺寸图片 幻灯片

本文中的热-机耦合分析过程未考虑摩擦块表面的磨损情况，而摩擦块与制动盘仍然表现出不完全接触现象，可知在界面摩擦力的作用下，摩擦块将被制动盘拖动沿摩擦方向存在微小运动，导致摩擦块与制动盘之间存在一定的倾斜角度，并加剧摩擦块切入端的磨损，出现图8和图9现象. 六边形摩擦块能够使得制动系统具有最大的接触面积，可知摩擦块与制动盘间的接触倾斜角最小，使得六边形摩擦块表面磨损较为均匀，故将表现出最好的接触行为.

3.3.2   接触应力分析

图12所示为摩擦块与制动盘进行拖曳制动时其表面接触应力的分布情况，可见摩擦块表面接触应力均分布于摩擦切入端区域，这主要是由摩擦块与制动盘之间的接触倾斜角导致的. 摩擦块切入端接触应力较为集中，因此该区域对应的磨损率较大，这将使得拖曳制动后切出端接触压力较大(见图9).

图  12  摩擦块表面接触应力分布仿真结果

Figure  12.  Numerical analysis results of the contact stress distribution of friction block surface

下载: 全尺寸图片 幻灯片

对比不同摩擦块表面接触应力情况，六边形摩擦块的接触应力分布更为均匀，且最大值较五边形和圆形摩擦块的低. 圆形摩擦块的接触应力最为集中，致使其表现出最大的接触应力. 六边形摩擦块内、外圈摩擦区域的接触应力分布较均匀，而圆形摩擦块接触应力几乎分布于内圈摩擦区域，这导致了制动盘产生图5所示的温度分布现象. 此外，接触应力的大小及分布直接影响表面磨损特性，较大的接触应力将使得表面呈现出复杂的磨损特性^[16]. 因此，基于接触应力的分布情况，可以推测六边形摩擦块表面磨损最为轻微，其次为五边形摩擦块，而圆形摩擦块表面磨损最严重，这与3.1节中摩擦块表面磨损分析结论具有较好的一致性.

3.3.3   表面温度场分析

进一步分析了制动盘在拖曳制动40 s时的表面温度分布情况，结果如图13所示. 可见不同形状摩擦块均会使得制动盘产生热环. 与六边形和五边形摩擦块对摩的制动盘均存在内、外两圈热环，而与圆形摩擦块对摩的制动盘的热环主要集中在内圈，导致摩擦产生的热能多聚集于该区域. 但值得注意的是，尽管与六边形摩擦块对摩的制动盘也存在内、外两圈热环，但热环不连续且内外圈热环温度差异并不大，而五边形摩擦块情况下的外圈热环温度却明显高于内环. 因此，在同样的摩擦块表面面积以及边界条件下，与不同形状摩擦块对摩的制动盘表面温度分布存在明显的差异，这可能是接触面积及接触应力分布导致的.

图  13  制动盘表面热分布仿真结果

Figure  13.  Numerical analysis results of the temperature distribution of disc surface

下载: 全尺寸图片 幻灯片

此外，图14示出了摩擦块表面温度分布情况，可见在摩擦块表面存在与制动盘对应的热环，且相对高温区域主要集中在摩擦切入端，此现象圆形摩擦块最为明显，其整体温度值明显较高，这可能是接触应力更集中在摩擦切入端所导致的，如图12所示. 总体而言，六边形摩擦块表面温度分布较为均匀，五边形摩擦块次之，而圆形摩擦块热聚集现象最为明显，这与接触压力分布结果有很好的一致性. 因此，有限元分析很好地揭示了摩擦块形状影响制动界面接触行为的机理，也验证了六边形摩擦块与制动盘拖曳制动过程中具有较好的接触行为.

图  14  摩擦块表面热分布仿真结果

Figure  14.  Numerical analysis results of the temperature distribution of friction block surface

下载: 全尺寸图片 幻灯片

4.   结论

a. 高速列车制动闸片摩擦块的形状对其表面磨损特性具有重要影响，六边形摩擦块表面磨损较为轻微，接触平台较为分散且尺寸较小，而五边形和圆形摩擦块磨损表面存在明显的犁沟和剥落现象，对应的接触平台尺寸较大且形成长条形联通区，六边形摩擦块在与制动盘摩擦过程中具有比五边形和圆形摩擦块更好的磨损特性.

b. 摩擦块形状明显影响了制动界面接触行为，其中六边形摩擦块能使制动系统具有较好的界面接触行为，制动盘、摩擦块的温度及接触应力分布更为均匀，以圆形摩擦块为对摩副的制动盘产生明显的热聚集现象.

c. 制动过程中，具有较大接触面积且接触应力分布均匀的摩擦块能有效改善制动盘和摩擦块的温度聚集现象，呈现出较好的摩擦学行为. 因此，开展高速列车制动闸片摩擦块形状设计时应充分考虑如何保证制动过程中摩擦块与制动盘具有良好的界面接触行为，并由此确保获得良好的制动性能.

本研究结果可为高速列车制动闸片摩擦块的设计及优化提供必要的理论依据和应用指导. 但值得注意的是，摩擦块形状对高速列车制动界面摩擦磨损性能的影响涉及因素较多，仍需进一步开展相应的试验研究及数值模拟工作，以深入探究摩擦块形状对制动界面摩擦磨损性能的影响机理并找出其中的关键因素.