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原文传递微织构对制动摩擦副摩擦学行为的影响

论文题名：	微织构对制动摩擦副摩擦学行为的影响
关键词：	高速列车;制动摩擦副;微织构表面;摩擦学行为
摘要：	随着我国高速列车运行速度的逐渐提高，有关列车的安全性问题也更加为人们所关注。高速列车的制动系统是安全控制系统的重要组成部分，其中闸片和制动盘是制动系统中的核心部件，它们的性能优劣与乘客的人身安全息息相关。而制动过程伴随着剧烈的温度-应力-摩擦磨损复杂的耦合现象，大大缩短了闸片和制动盘的使用寿命。所以，需要对闸片材料和制动盘的结构进行改进设计，从而进一步提升制动效能。表面织构化技术作为改善摩擦副表面性能的一种新方法，将该技术引入到制动盘表面，结合闸片使用耐高温和耐磨损的铜金属基复合材料，在干摩擦条件下能够获得稳定的摩擦系数，减小制动过程中产生的磨损。因此，本文针对铜基自润滑复合材料闸片和球墨铸铁QT600制动盘组成的制动副，通过采用栓（闸片）-盘（制动盘）接触方式进行摩擦磨损试验，再结合有限元模拟对制动材料摩擦副的摩擦学性能进行研究。　　本文采用激光加工的方法制备出三角形织构，考察三角形微织构摩擦方向的取向角度、不同载荷、不同滑动距离、不同面积占有率下的表面摩擦磨损情况，从摩擦系数、磨损量、转移润滑膜、栓盘表面磨损情况、磨损表面氧元素的变化以及有限元模拟仿真的应力场和温度场等方面进行分析。具体研究内容和结果如下：　　（1）采用激光加工技术在盘表面设计取向角度为边和角的两种三角形织构，研究三角形的摩擦方向取向角度对摩擦磨损性能的影响，并且与同等工况下的无织构模型进行对比。结果发现，取向角度为边的三角形织构表现出优良的摩擦特性，摩擦系数变的更加稳定，其极差最小为0.0059；磨损量相对于无织构而言降幅达到56.6%；在其栓表面发现磨粒磨损轻微，磨损疤痕面积最小，盘表面塑性棘轮效应明显形成了稳定且连续的转移润滑膜，从而降低磨损。　　（2）在栓表面施加两种不同的载荷，研究在低载（10N）和高载（20N）下三角形织构对摩擦磨损性能的影响。结果发现，高载（20N）下织构表现出较好的摩擦磨损性能，具体表现为摩擦系数更加稳定而且跑合阶段所用时间较少；分析发现高载荷下织构表面能够更快形成连续稳定的转移润滑膜，从而迅速稳定摩擦系数并且减小磨损。　　（3）在盘表面加工制备出两种面积占有率的三角形微织构，研究不同面积占有率下的微织构对摩擦磨损性能的影响。结果显示，面积占有率为6.8%的三角形织构具有较好的摩擦磨损性能，摩擦系数不但稳定而且跑合时间短，滑动时间在3min时就已经进入稳定状态；栓表面的磨损量较面积占有率为11.3%的织构减少50%左右，观察发现表面塑性流动现象明显，结合塑性棘轮效应表面形成连续稳定的转移润滑膜，从而减小磨损；EDS结果中显示磨损表面氧元素堆积较多，说明发生氧化反应生成氧化物薄膜，避免栓盘直接接触，从而进一步减小磨损。　　（4）设计四种不同的滑动距离（100m、200m、300m、400m）,研究不同滑动距离下的三角形微织构对摩擦磨损性能的影响。结果是滑动距离400m时摩擦磨损性能最好，相比于100m而言滑动距离为400m时平均摩擦系数降幅最大，达到25.8%且上下波动幅度小，并且滑动距离400m时磨损量最低，其盘表面出现很多材料转移的塑性流动分层，结合滑动距离最长，表面更容易形成稳定且连续的转移润滑膜，使得磨损降低。　　（5）采用ABAQUS有限元分析软件，对栓盘模型进行温度场和应力场的分析。结果显示，最高温度和最大应力均发生在栓盘的接触区域，微织构表面的最高温度都要小于无织构模型的最高温度值，说明表面微织构的存在对温度场是有较大影响；微织构的存在切断了应力在接触表面的横向扩散，与无织构模型相比，三角形织构表面的应力集中面积显著减小。在t=0.12s时，面积占有率为11.3%的微织构较无织构最高温度降幅达到21.8%，对温升的抑制作用更加明显，并且11.3%的织构其最大应力最小，对减小应力集中更有利。
作者：	未亮亮
专业：	车辆工程
导师：	马文林
授予学位：	硕士
授予学位单位：	兰州交通大学
学位年度：	2022