軌道車輛制動盤磨粒磨損熱仿真分析

劉劍南

（中國土木工程集團有限公司，北京 100038）

磨粒磨損一般是指硬的顆粒對材料表面進行劃擦，使原有材料出現(xiàn)損耗的現(xiàn)象。磨粒磨損一般經(jīng)歷滑擦、耕犁和切削三個階段，在此過程中，材料會出現(xiàn)諸多物理變化，如產(chǎn)生溫度、材料表面形貌破碎、材料表面分離成屑等。制動盤是列車制動系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件，列車在行駛過程中會經(jīng)歷雨雪、風沙等復雜環(huán)境，而制動盤作為基礎(chǔ)制動裝置長期暴露在外部環(huán)境中，列車在制動過程中，閘瓦與制動盤界面之間會出現(xiàn)第三體硬質(zhì)顆粒，對制動盤進行劃擦造成磨粒磨損；閘片表面出現(xiàn)的硬質(zhì)顆粒也會對制動盤進行劃擦，從而降低制動盤的使用年限。因此，研究制動盤磨粒磨損現(xiàn)象，對提高制動盤使用壽命，保證車輛安全平穩(wěn)運行具有理論指導意義。相關(guān)研究表明，列車制動過程中，制動盤界面產(chǎn)生的熱量是造成制動盤表層組織損傷的重要原因之一，磨粒劃擦時產(chǎn)生的熱能會使材料表面發(fā)生氧化、軟化甚至熔化等現(xiàn)象，使材料表面的磨損機理變得更加復雜。因此，磨粒磨損產(chǎn)生的劃擦熱是必不可少的研究內(nèi)容。

本文將重點研究磨粒劃擦速度和劃擦深度對制動盤產(chǎn)生熱的影響規(guī)律。

1 制動盤磨粒磨損的有限元與離散元耦合建模

磨粒磨損仿真時，通常將磨粒幾何模型簡化為球體、多棱錐等規(guī)則的幾何模型進行處理。因此，本文將磨粒定義為四棱錐結(jié)構(gòu)，并用Solid186實體單元網(wǎng)格進行劃分。制動盤采用光滑流體力學（SPH）法與有限元（FEM）相結(jié)合的方法進行建模。其中，變形較大區(qū)域采用SPH方法，變形較小區(qū)域采用FEM網(wǎng)格建模，這樣既節(jié)省計算時間，又保證模擬仿真數(shù)據(jù)的真實性。

如圖1所示，利用有限元與光滑粒子的耦合原理，設(shè)置兩種接觸方式，即制動盤中的SPH與單元之間采用CONTACT_TIED_ NODES_TO_SURFACE_ OFFSE接觸方式，區(qū)域1所示；采用CONTACT_ERODING_NODES_TO_ SURFACE接觸模型定義磨粒與制動盤材料劃擦接觸，區(qū)域2所示。固定的磨粒在劃擦制動盤時，實際在做圓周運動，但由于磨粒尺寸較小，將短距離磨粒在制動盤表面劃擦時視為直線運動。為節(jié)省計算時間，仿真時采用1/2模型，在進行仿真時，磨粒以不同的劃擦速度和劃擦深度沿x軸負方向做直線運動。制動盤材料選取常用的灰鑄鐵材料，采用各向同性的Cowper-symonds模型，將磨粒材料定義為SiO2，視為剛體材料如表1所示。

圖1 制動盤材料的耦合模型

表1 材料的物理屬性

2 制動盤磨粒磨損的溫度場分析

2.1 劃擦溫度場分析

為分析磨粒磨損產(chǎn)生溫度的變化過程，本節(jié)對單顆磨粒在速度為20m/s，深度40μm工況下磨粒磨損進行仿真。設(shè)置的初始溫度為293.15K，仿真模型中定義的該制動盤材料的熔點1473.15K。磨損過程中制動盤在不同時刻溫度場分布如圖2所示。由圖2可以看出，隨著磨粒的持續(xù)向前耕犁，在5.8μs時溫度達779.4K，在15.3μs時溫度高達1229K。被耕犁區(qū)域溫度場范圍逐漸擴大，溫度也越來越高，這表明，隨著磨粒持續(xù)向前推進，材料被劃擦范圍逐漸加大，耕犁的溝壑也越來越寬，即產(chǎn)生的變形也越來越劇烈，在溝壑兩側(cè)及底面接觸區(qū)和向前推進區(qū)域的溫度較高。由于磨粒兩側(cè)底部的棱邊與制動盤材料的擠壓和摩擦最為劇烈，該處發(fā)生嚴重撕裂、分離、變形，因此，產(chǎn)生的溫度較高。隨著磨粒向前推進，產(chǎn)生的熱量也向被耕犁的前段推進，溝壑表面溫度有所降低。

圖2 劃痕溫度分布云圖

2.2 劃擦速度對劃擦熱的影響

為分析不同劃擦速度對劃擦熱的影響規(guī)律，進行單顆磨粒在劃擦深度為60μm，不同速度下的磨粒磨損仿真。選取速度分別為5m/s，10m/s，21m/s和31m/s。為保證所評估劃擦產(chǎn)生的溫度的準確性，通過在制動盤材料上沿劃擦方向取臨近磨粒側(cè)楞的20個點的平均溫度作為劃擦熱的評估值，得出的溫度曲線如圖3所示。

圖3 不同劃擦速度下的溫度變化情況

如圖3所示，劃擦速度越高，溫度變化曲線的斜率越大，溫度升高的越快，最高磨損產(chǎn)生的溫度越高。一方面，產(chǎn)生溫度過高的原因主要是由于磨損速度提高后，單位時間內(nèi)切除的材料增多，根據(jù)能量守恒原則，磨粒對制動盤做更多的功，在高速劃擦情況下，消耗在材料變形以及克服摩擦阻力上的功也增大，產(chǎn)生的熱量增大，造成溫度上升。另一方面，由于鑄鐵導熱性相對較好，因此，溫度傳遞較快，造成在速度高的情況下，溫度的變化斜率加大。隨著溫度達到極值后被摩擦的區(qū)域溫度也有明顯下降的趨勢，同樣的鑄鐵的散熱性也相對較好，這也是為什么大部分制動盤選擇鑄鐵材料作為制動盤的原因。

2.3 劃擦深度對劃擦熱的影響

為分析劃擦深度產(chǎn)生熱的影響規(guī)律，進行單顆磨粒在劃擦速度21m/s，不同深度工況下的單顆磨粒與制動盤的磨粒磨損仿真研究。為保證所評估磨損產(chǎn)生的溫度的準確性，通過在制動盤材料上沿深度方向取臨近磨粒側(cè)楞的20個點的平均溫度作為劃擦產(chǎn)生溫度的評估值，得到不同劃擦深度下的溫度變化曲線，如圖4所示。

圖4 不同劃擦深度下的溫度變化情況

觀察圖4發(fā)現(xiàn)，劃擦速度在21m/s時，劃擦深度最淺的20μm的溫度相對于其他兩種深度工況溫度曲線較低，這是由于在低速劃擦過程中劃擦較淺，產(chǎn)生的總能量較低，因此，制動盤發(fā)熱量也相對較小。但總體上看，不同深度工況下溫度變化幅度不大，出現(xiàn)相互交錯現(xiàn)象，并且最高溫度基本是一樣的。通過觀察圖4發(fā)現(xiàn)當溫度達到最高后便出現(xiàn)了下降現(xiàn)象。這是由于熱傳遞導致，被劃擦過的表面不再進行劃擦，溫度散失。在一定速度范圍內(nèi)磨粒越淺，溫度下降速率越快，熱量迅速散失。磨粒深度越深，溫度下降速率越慢。即隨著深度的加大，磨粒與制動盤表面接觸面積增加，產(chǎn)生的劃擦力增大，單位時間內(nèi)耗費的功率增加，從而導致總體熱量增加，散熱速率相對較慢。

3 結(jié)語

本文通過采用有限元法與光滑粒子流體動力學法耦合，建立單顆磨粒鑄鐵制動盤磨粒磨損仿真模型，通過仿真分析發(fā)現(xiàn)：磨粒在制動盤表面劃擦時，制動盤表面出現(xiàn)溝槽和犁皺，材料表面出現(xiàn)撕裂、蹦碎成屑現(xiàn)象。劃擦溫度隨著磨粒速度的提高而加大，而劃擦深度對劃擦溫度的影響不大。研究成果對運行在惡劣環(huán)境中如高寒、風沙地區(qū)中的制動盤設(shè)計與制造提供理論參考。