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制动盘材料摩擦热斑的试验研究与数值模拟
| 论文题名： | 制动盘材料摩擦热斑的试验研究与数值模拟 |
| 关键词： | 制动盘材料;弹塑性;热-机耦合;摩擦热斑;数值模拟;有限元 |
| 摘要： | 热斑是钢铁制动盘制动后，摩擦表面普遍存在的一种现象，热斑的颜色为藏蓝色。热斑会影响制动盘摩擦表面的残余应力分布状态，是疲劳裂纹萌生和扩展的主要原因，对列车运行安全危害性很大，直接影响到列车和旅客的安全。我国目前对热斑尚缺乏深入、系统的研究，本文针对制动盘摩擦面热斑的产生进行试验研究和数值模拟，探讨热斑形成机理，分析热斑形成影响因素，为制动盘的改进设计及事故预防提供理论依据。 在试验研究方面，采用MM1000摩擦试验机进行摩擦制动缩比试验，在实验室条件下生成热斑，然后利用金相显微镜、扫描电子显微镜、能谱分析仪等试验设备，对热斑产生处的材料组织、形貌、成分等进行分析研究。结果表明，锻钢材料制动盘热斑发生处材料组织发生相变，由回火索氏体相变为马氏体，说明热斑发生处存在的局部高温区温度达到或超过727℃，大大高于摩擦表面的平均温度；热斑位置的铁元素含量大幅度降低，氧元素含量大幅度升高，说明在热斑发生处存在材料高温氧化现象。 在数值模拟方面，采用有限元软件对一次紧急制动过程进行弹塑性热-机耦合数值模拟，温度场和应力场分布规律表明在制动过程中制动盘摩擦表面存在明显的局部高温区，局部高温区附近热应力增大、塑性变形加剧。结合试验研究的结果总结出热斑形成机理：制动过程中，制动盘摩擦表面存在局部高温区，该高温区域存在着较大的凸起塑性变形并与闸片产生局部摩擦，导致制动盘摩擦表面的摩擦热量和输入能量更为集中，使该局部高温区域的温度进一步升高，在一次或多次紧急制动周期性地重复这一过程，最终将形成热斑。 此外，利用模拟技术分析了影响热斑形成的因素。材料热容量大、弹性模量低、热导率好，例如铝基复合材料，可使制动盘摩擦表面难以形成局部高温区，热斑较少或无热斑；通风散热结构如散热筋等可以有效降低制动盘整体温度，减少热斑的发生。 |
| 作者： | 于大海 |
| 专业： | 材料加工工程 |
| 导师： | 韩建民 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 北京交通大学 |
| 学位年度： | 2011 |
| 正文语种： | 中文 |
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