制动块接触热分析与磨损模拟

摘要

本文描述了铁路轮/制动块系统在制动过程中的实验测试和耦合接触热磨损分析。在试验过程中，对摩擦、产生的热量和磨损进行了评估。研究发现，制动块和车轮之间的接触发生在相对较小和缓慢移动的热点，由磨损和热效应造成。建立了包括摩擦接触数值计算、瞬态热计算和增量磨损计算在内的耦合模拟方法。在三维模拟中，还考虑了摩擦、热膨胀、磨损和随温度变化的材料性能的影响。试验结果与计算结果吻合良好，无论是热磨损结果。该方法适用于接触区热膨胀引起的缓慢振荡磨损的建模。

1.介绍

金属件干滑动摩擦的应用在经典机械工程实践中很常见[1,2]。然而，铁路制动系统的过程是相当复杂的。关于此类应用的稳态摩擦有很多研究，有些甚至考虑了磨损和热效应[3.–6];然而现实生活中的刹车是一个典型的瞬态现象，车辆通常在几秒钟或几分钟内停止。由于火车的大部分动能是通过车轮和刹车块之间的摩擦转化成热量的，所以在很短的时间内就会产生大量的热量。更早的时候人们发现，在开始制动时，即使刹车块已经磨损，刹车块的边缘也会与车轮接触。这可以用制动块的热膨胀来解释:在前一次制动结束时，制动块已经磨损，所以车轮和制动块的半径大致相等。然后，系统冷却下来，由于温度有很大的下降，一个显著的热变形发生，这导致刹车块只有在边缘适合车轮的形状。在文献中还有另一个有趣的特征称为热弹性不稳定性(TEI)，它是表观接触区域热点的出现和移动的原因。许多论文对TEI进行了调查(例如，在[7–11]），并且发现通过磨损和高温热点的热膨胀的共同作用造成的。

本文对制动过程中，特别是在磨合阶段，车轮/制动块系统的热学和摩擦学过程进行了实验和数值分析。

2.实验

为了了解制动过程，铁路车辆和车辆系统分析系(布达佩斯科技经济大学，布达佩斯，匈牙利)在1:4比例的试验台上进行了磨损测试。在实验设置中，制动块被压在一个旋转的车轮上(图)1)。

2.1。磨损试验参数

在本研究的框架内，我们的主要目标是了解发生在制动过程的磨合阶段的现象;因此，测试的总时间为50秒。法向力和摩擦力由测压元件测量，并在试验过程中记录下来。

制动块高92毫米，宽20毫米，初始半径为119毫米(图)2)。车轮35毫米宽;它的半径是121毫米。制动块由液压缸以500牛的法向力压在车轮上。车轮以875 rpm旋转，所以滑动速度为40 km/h。试验过程中，车轮的转速和法向力保持恒定。

用三个热电偶观察制动块的发热情况。热电偶安装在图中所示位置制动块表面下5毫米的孔中2。温度数据在测试期间在线记录。用激光温度计(Advanced ThermoLaser TMTL 1400 K, SKF，瑞典)测量车轮的温度三次(在0秒、25秒和50秒)。在测试前对静止轮的前表面校准温度计，然后在旋转轮的同一位置测量温度。

2.2。磨损试验结果

数字3.示出了试验后的制动块的磨损表面。可以看出的是，制动块的磨损被限制在两个接触区在两个边缘，此外，磨损不是对称的：在左侧的磨损（在前缘）稍微高于上右侧（在后缘处）。磨损图案的不对称性引起的摩擦：接触压力分布向摩擦由于不对称，所以是制动块的磨损强度。这种现象是众所周知的，并且是负责在销上的制动块的枢转。

测量的摩擦系数为0.38。

测点的温度随时间的变化如图所示4。可以看出的是，制动块的两个边缘迅速升温，因为这些都是接近的接触区，而在中间的测定点进行加热较少集中，因为在制动块的中心部分和之间没有接触轮。上部曲线的波浪特征可以归因于热点在表观接触区域的运动。实际的接触，只有当这些热点移动因磨损而发生热膨胀，在表观接触面积，小斑点。从热电偶在其距离的变化会影响所测得的温度。下点的曲线是波状少因为所产生的热是在这一侧更小。中间点显示的温度曲线没有波纹，因为它是从接触点相对较远，所以热点的运动没有显著效果。

数字5显示车轮的温度发展。可以看出，温度曲线是相当线性的。

3.数值模拟

为了了解磨损和热膨胀对制动块与车轮接触的联合效应，进行了机械和热数值模拟。

仿真过程如图所示6。一个周期的仿真可以分为四个主要模块。

首先进行了摩擦接触有限元计算。在这一阶段，制动块被压在车轮上，根据测量车轮以恒定的转速旋转。根据第一个模拟块确定的接触压力分布，进行了瞬态热有限元计算。

的摩擦热增量为每个接触节点确定，并且摩擦热值被施加作为点通量类型的在制动衬垫的热有限元模型的边界条件。

在模拟的开始，室温假定在整个模型。在后面的循环中，从先前的热模拟的结果获得的初始温度分布。

在下一个单元中，进行另一个有限元接触计算，但现在也考虑了热膨胀的影响。在循环的最后一段，我们根据(1)。一旦节点磨损增量已知，我们就根据它们移动接触节点。的节点磨损在接触区域个节点定义如下[12]: 在哪里为比磨损率，是节点节点接触压力,是滑动速度，以及是时间增量。

为了减少引起在接触区中的相对高的局部温度的接触压力分布的高峰的影响，平滑过程应用于。当一个节点是在接触时，邻居节点中根据节点周围的补片的移动平均接触压力值也移动。

仿真的时间增量为，所以实验的总时间(50或多个）是在50个模拟周期建模。

3.1。有限元模型

使用MSC创建三维有限元模型。Marc软件包。仿真过程的四个模块均采用相同的有限元网格。制动块由3918个不同尺寸的8节点三维单元建模(图)7)。对称模型进行了审议。在接触的计算中，车轮被建模为刚体，由于车轮的变形不会改变接触条件显著。的法向力通过一个刚性轴施加。摩擦带的0.38值A系数的制动块和车轮之间规定。In the thermal calculations, a thermal face film boundary condition with a value of 20 W/(m²除对称面、接触区和孔外，制动块表面均采用K)。在孔表面，另一个热膜边界条件，值为100 W/(m² K) was applied in order to approximately model the heat flow through the pin.

3.2。摩擦生热性

摩擦热的产生被解析确定如下。总热量等于摩擦力做的功: 在哪里为摩擦力，是正常的力量，μ是摩擦系数v为滑动速度。

总热量在两个接触物体之间分配。早在[13,14大部分的热是由轮子传导的。发现热分区的比例随时间而变化[15]。然而，热分区的比率(）与常数值假定在一系列的计算。的总热量如下： 在哪里是表示块侧热分区的比率。

在FE计算中，假定以下材料特性来建模刹车片的铸铁(P10)材料:（一世）泊松比:,（ⅱ）密度:公斤/米^3.,(3)杨氏模量:,(iv)线性热膨胀系数：,(v)比热:,(vi)导热系数：,(七)热分区比:。

表中显示了这些随温度变化的材料性能在不同温度下的值1。

4.仿真结果

数字8给出了50秒滑动后制动块的计算磨损分布。可以看出，磨损是不对称的，因为它是在实验结果。左边的刹车片比右边磨损更严重。另一方面，磨损强度沿轴向变化不大，这与实验测试结果一致。试验结果与仿真结果的定量比较显示出轻微的差异。实验磨损区约为14mm长，10mm长，模拟磨损区约为12mm长，9mm长。

从仿真结果文件得到在人在测试的热电偶的位置的有限元模型的节点的温度。制动块的三个测量点的计算出的温度曲线示于图9。上点的温度是最高的;下点的温度稍低是。可以看出的是，计算出的和所测量的曲线是在良好的一致性;然而，边缘附近的计算曲线显示比测定的wavier特征。测试和计算的三个测量点的温度值有很好的一致性。

数字10最后给出了制动块的温度分布。可以看到，靠近接触区域边缘的部分温度最高。在顶部，圆柱面高温点是可见的，由于点状接触的最后一个模拟周期。最低温度出现在孔的周围，这里的热流通过销被考虑。

为了更好地理解物理过程，模拟被延长了40秒。数字11总结了滑动开始和滑动后10、30、50、70、90秒接触面的接触应力分布。可以看出，在开始时，制动块的两个边缘是接触的。之后，接触发生在一些点上，这些点随着磨损和热膨胀引起的几何形状变化而循环移动。

数字12给出了仿真过程中制动块滑动表面的温度分布。人们可以比较图形的曲线11和12可见，由于摩擦热与接触压力成正比，接触点附近的位置温度分布有一个峰值。可以观察到，接触区是先从边缘的初始位置移动到中间位置，然后再移动到边缘位置。这可以解释如下:考虑一个峰，在那里刹车块接触旋转车轮。接触点在接触压力分布中有一个峰值，因此摩擦热的演化会导致该位置出现较高的温度。由于温度高，热膨胀会增加该部位的接触压力。该区域磨损最大，负荷将转移到该区域旁边的区域(见图中30 s和50 s曲线)11)。由于热源与测点之间的距离发生变化，接触区和温度峰值的运动导致测点的温度曲线呈波浪形。

5.结论

对铁路制动块和车轮的制动过程进行了实验和数值模拟研究。在实验试验中观察到了被称为热点运动的现象。为了模拟制动过程中的物理过程，开发并应用了一种耦合数值接触-热-磨损模拟方法。在模拟循环过程中，通过摩擦接触计算确定摩擦产生的热量，然后通过热计算计算摩擦的热膨胀。在仿真的最后部分，确定磨损增量，移动节点，并以新的几何图形开始新的循环。仿真过程的不同方面采用了相同的有限元网格。磨损和温度分布的计算结果与试验结果基本一致。

引起接触的“热点”的热膨胀不均匀磨损过程进行建模。

利益冲突

作者与论文内容没有任何利益冲突。

致谢

作者非常感谢铁路车辆和系统分析部的同事对他们的实验工作的帮助，尤其是安德拉什·绍博教授和伊什特万Zobory教授。在本文报道的工作已经开发了项目框架“人才的关心和栽培BME的科学研讨会”。该项目是由基金资助TAMOP——4.2.2.B-10/1-2010-0009。

参考

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