对车辆踏面制动摩擦分析

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【摘 要】 自铁路出现在人们的生活当中，闸瓦制动便被人们开始广泛的运用，同时也为人们的生活带来了很大的便利。瓦状制动块一般是用铸铁或者是其他材料（现常用有机合成材料）制成，而闸瓦在车轮踏面上进行紧压滚动时会因机械摩擦而使列车产生动能，然后再通过动能转变为热能，消散丁大气，并且产生制动力。为此，了解和清楚车辆踏面制动摩擦对我们至关重要。

【关键词】 车轮踏面 机械摩擦 闸瓦制动

当闸瓦与车轮踏面进行相对运动时，其所接触的表面就会产生摩擦阻力，而利用此阻力来调节相对摩擦副在进行相对运动时的速度或者是停止运动，最终达到制动的目的便是列车摩擦制动的工作原理。因此制动器的制动性能及其可靠性和使用期是由摩擦副的摩擦特性而决定的。

列车制动是一种十分复杂的动态摩擦过程。在这个过程中，随着时间的变化摩擦制动系统的每个因素都会发生不同的变化，系统的各种条件也由各种既相依存又相作用的因素而影响。比如，随着摩擦表面的温度和周围环境的变化，摩擦材料的表层会发生一些变化，而这些变化则决定摩擦副的使用期和制动效率。也就是说，在摩擦制动过程中，不仅有摩擦学的变化产生还有互相影响的其它变化产生。比如，接触区材料粘连磨损、弹塑性变形、扩散过程、与环境介质相互作用而发生的化学变化、电解过程、分解及结晶化等。由此可见，系统依赖性和时变性是摩擦制动系统的两大特性。

下面，我们以重载货车的踏面制动为对象，对摩擦制动系统进行全面的分析。制动闸瓦、摩擦界面第三体、车轮踏面共动组成摩擦制动系统。详细系统框如图1所示。质量、作用力及转速度属于系统的输入。重载货车的减速或停止是通过摩擦制动系统来实现的。重载货车在运行过程中所产生的大量热能以及其在运行过程中所产生的摩擦损耗、产生摩擦粒、磨损、制动副和周围的环境温度上升、制动噪音等都被称为是损耗的输出能量。受外载作用的影响，制动摩擦副中两个粗糙的表面微凸体就会进行接触并且进行相互运动，在接触和运动的过程中会产生机械啮合变形阻力和接触点粘接的形成和破裂，并且在此过程中产生摩耗粒子，摩耗粒子产生后便在两个粗糙的表面间进行不断滚滑运动，使两表面产生三体磨粒磨损。另外，摩擦副元件材料受外摩擦过程中所产生高温的影响会发生一系列的物理和化学变化。一般看来，影响摩擦磨损的主要因素有以下几方面：摩擦区域中的温度变化、压力和负荷的大小、名义接触面的形貌。

现今，人们已对系统的摩擦学特性的影响有了较深的研究，并且取得了显著的成果。可是，单单通过磨粒磨损和粘着磨损来解释制动摩擦中的摩擦学现象是不全面的。因为在制动摩擦过程中，摩擦界面上的物质运动、摩擦材料的结构及变化等摩擦学现象，我们无法通过粘着的磨粒磨损理论来得到解答或者作出合理的解释。针对合成闸瓦——钢轮摩擦副，因其合成闸瓦的力学和热物理性能与钢轮之间有着很大的不同，并且具有一定的粘弹性，因此摩擦热则会引起合成闸瓦中有机物间的合成物进行热分解、热交联、热氧化等诸多的化学变化。而温度场则影响这些化学变化的发生。一般情况下，所发生的化学变化主要是：在800～1000K之间，树脂就会发生碳化，释放出CO，CO2，H2，CH4等混合气体；在600～700K之间，树脂会分解成苯、甲苯、酚、甲酚等物质，当这些物质之间发生氧化则会释放出H2；500K以下时，有机物在存缩聚时所产生的吸附水会被蒸发出来，如此一来过剩的酚、甲酚以及其它物质就会游离出来。

在摩擦制动过程中，由于会发生一些物理和化学的变化，而这些变化的发生则会造成两个接触界面间生成一种不同于两摩擦元件基体材质的多种组分和结构组成的一种较为复杂的界面膜，一般而言，主要有以下几种：

（1）氧化膜。受高温的影响，在金属摩擦表面所形成的界面膜。其具有强度低、硬而脆的特点，通常在摩擦力的作用下，很容易破裂或者是开裂，从金属表面剥离便可形成磨粒。

（2）膜。受高温的影响，合成闸瓦中的有机物就会发生热分解产生液态物，在界面会形成一种膜。这种膜有利于减少制动副的磨损，但同时也会影响制动的可靠性，使其的摩擦系数不断下降，制动性能越来越差。另外，它也是影响热衰退的重要因素。

（3）气垫膜。在摩擦面温度高于500K时，就会在摩擦面的局部形成一种气垫膜。受高温的影响，加之切向摩擦力的作用，接触界面的表层的塑性变形，微凸体凹处气体被包覆，如此一来，如果受到反复的制动作用，那么其表层的承受循环应力就会下降，表面膜的破裂和磨粒的剥离也会因此而加速。

（4）转移膜。在合成闸与车轮踏面进行摩擦的过程中，有机摩擦材料与制动盘表面之间就会发生材料转移，并且在转移的过程中形成一种转移膜。

（5）金属化层。在摩擦制运过程中，当车轮踏面表面的氧化膜发生破裂后，其碎片或磨粒会聚集在衬片表面。一旦其温度场达到一定的所需温度，那么这些有机物衬片就会发生热分解，产生H2，CO形成原气氛，聚积物被还原成铁，如此一来，闸瓦的表面上便会形成一种含铁量较高的层片结构的金属化层。金属化层会在切向应力大于金属化层的剪切强度时发生断裂和破裂。也就是说，影响粘着和磨粒磨损的重要因素是金属化层的形成和破裂，同时也是影响制动副摩擦稳定性及耐磨性的重要因素。

参考文献：

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