制動盤摩擦面熱損傷的形成機理分析＊

楊智勇，李志強，李衛京，陳 躍，韓建民

（北京交通大學 軌道車輛結構可靠性與運用檢測技術教育部工程研究中心，北京100044）

在制動過程中，列車的動能通過制動盤和閘片之間的強烈摩擦轉換成摩擦熱，一部分摩擦熱以對流和輻射的方式散入大氣，大部分熱量通過傳導的方式輸入到制動盤，輸入制動盤的熱量將導致制動盤溫度升高，多次制動后將在制動盤摩擦面形成熱損傷［1－5］。熱斑、熱裂紋和應力開裂是3種典型的制動盤宏觀熱損傷型式［6－7］，如圖1所示。

圖1 熱損傷類型

早在20世紀80年代，白以龍［8］在材料機械加工領域就發現了材料表面的溫度集聚現象。A.J.Day［9］和M.Tir ovic［10］基于盤式制動器的壓力分布的研究，認為閘片和制動盤之間產生的摩擦熱并不是均勻地分布在滑動表面上，而是存在溫度的集聚區域。制動盤摩擦面的溫度集聚導致在其表層形成熱斑，并在多次制動后，在摩擦面形成熱裂紋。制動盤內部溫度的不均勻分布，會在制動盤的內部形成熱應力［11］，國內外的研究者采用有限元技術對制動盤內部熱應力已經開展了大量的研究工作［12－16］。但是，對于熱斑、熱裂紋和應力開裂的形成機理目前尚未達成共識，有待進一步研究。研究熱斑、熱裂紋和熱應力的形成機理對于在制動盤服役過程中有效地預防和降低其發生幾率具有重要作用。

1 熱斑的形成機理

制動盤和閘片實際制動過程中的接觸面不是絕對平面，兩者之間的接觸狀態十分復雜。有限元分析的結果表明，制動過程中制動盤摩擦面會發生垂直于摩擦面的法向位移，如圖2所示，制動盤和閘片之間的接觸是非均勻接觸的，最早接觸的部位，在壓力和摩擦力的作用下，在該局部將會出現局部快速升溫，如圖3所示。

圖2 摩擦面法向位移

圖3 溫度場分布

摩擦面的局部升溫，將造成局部的膨脹增加，在膨脹變形受到摩擦面水平方向的限制時，不可恢復的膨脹變形將發生在摩擦面的法線方向。這種變形加劇了摩擦面凸出區域的進一步凸起變形，導致凸出區域的溫度進一步升高，在較高的溫度和較大的摩擦剪切力共同作用下，凸出區域內會產生微小的熱塑剪切帶，熱塑剪切帶的出現進一步惡化了凸出區域的溫度與其他部位溫度的不均勻分布，較高的溫度和較大的摩擦剪切力的共同作用使凸出區域內熱塑剪切帶的數量隨著制動時間的延長而不斷增加。制動盤制動和冷卻的周期性重復進行，將導致摩擦面的凸出點區域出現熱塑剪切帶的聚集，熱塑剪切帶中伴隨著材料的組織變化，圖4所示為摩擦面熱斑區和非熱斑區的組織變化對比圖，從圖中可以看出，在熱斑區出現馬氏體組織。

與此同時，這些高溫的凸出點區域將在空氣中發生高溫氧化，顏色變為藏青色，最終在制動盤表面形成所謂的熱斑現象，如圖1。

從上述熱斑的形成機理可知，高速、大制動功率條件下，制動盤摩擦面容易形成熱斑。制動盤材料的熱容量和導熱系數越小，彈性模量和線膨脹系數越大，熱斑出現的幾率越大。

圖4 （a）正常區域組織和（b）熱斑區組織

2 疲勞裂紋的形成機理

從宏觀角度來看，疲勞裂紋的形成是由于制動盤摩擦面的不均勻溫度場分布，導致制動盤摩擦面的不均勻變形，從而在高溫區域的內部和邊緣形成較大的內應力。當該內應力超過材料在該溫度下的強度時，就會出現裂紋萌生，如圖5所示。疲勞裂紋的萌生與材料的強度、導熱系數、熱容量、彈性模量及線膨脹系數等有關。一般來說，材料的熱容量和導熱系數的大小將決定高溫區的溫度。萌生的疲勞裂紋在徑向和周向拉應力的作用下，沿制動盤的徑向擴展。由于高溫區材料的晶界強度低，微觀上疲勞裂紋將沿著高溫區內部及邊緣處的材料晶界擴展，形成如圖5所示的彎曲不直的熱裂紋。

圖5 摩擦面熱斑區疲勞裂紋

制動盤材料具有較低的熱容量和較小的導熱系數時，溫度會在摩擦面的局部區域聚集而形成較高溫度區，由此在該高溫區將形成較大的熱應力。材料的彈性模量和線膨脹系數越大，溫差引起的熱應力越大，熱裂紋萌生的幾率也就越大。此外，如果高溫區的溫度足以使材料發生組織變化，由于組織變化后體積的變化，高溫區處還會由于組織變化而形成應力。因此，高速、大制動功率條件下，制動盤表面很容易形成熱裂紋。

3 應力開裂的形成機理

制動盤制動過程中受到多種載荷的共同作用，主要有離心力產生的應力，摩擦制動扭矩產生的應力，不同材料之間由于線膨脹系數的差異導致不同材料的部件之間相互約束而產生的應力，同種材料因結構尺寸差異形成約束而產生的應力。最后兩種應力可分別稱為材料本征熱應力和結構熱應力，它們的數值遠高于前兩者，是制動盤斷裂失效的主要作用力［17］。

3.1 制動盤的結構熱應力

為分析方便，簡化制動盤模型，選取出一個結構單元，如圖6（a）所示。在熱載荷從制動盤摩擦面的表面施加到制動盤的過程中，由于L1和L2材料之間傳熱時間上的差異，將導致L1和L2兩層之間產生溫度差。如果兩層之間可以自由變形，L1層的各個方向的變形量可由公式：Δl1＝α·（T1－T0）·l計算，L2層的各個方向的變形量可由公式：Δl2＝α·（T2－T0）·l計算。實際上，兩層材料不能自由變形，它們之間將形成變形約束而產生內應力［18］。這是制動升溫產生的膨脹量不同引起的結構熱應力，進行以下詳細分析。

制動過程中，制動盤在同一時刻出現T1＞T2的情況，如果不同層之間發生自由變形，如圖6（b）所示，則Δl′＞Δl″，將使L1層存在壓應力，L2層存在拉應力。但實際情況并非如此，不同層之間存在相互約束，當兩層中的內應力低于材料的屈服強度時，在兩盤面之間的連接散熱筋（圓柱或橢圓柱）的“釘扎”作用下，摩擦面發生的彈性變形見圖6（c），此種變形使得圖6（a）中A區受壓應力，C區受拉應力，這與有限元分析的結果相吻合，如圖7所示。當L2層中的拉應力大于相同溫度下材料的抗拉強度時，將導致L2中產生斷裂失效。在L2層內表面與連接散熱筋交接處存在大的拉應力，而且將是裂紋產生的最可能區域。當制動盤中存在最大的T1和T2溫度差時，結構熱應力將達到最大，發生裂紋的可能性也最大。

當L2層中的內應力高于相同溫度下材料的屈服強度時，將導致L1和L2層之間發生圖6（d）所示的塑性變形。L1層的伸長量減小，L2的伸長量增加，伸長量達到一個相同值 。但考慮到實際制動條件，此種情況發生的可能性極小。

在不考慮摩擦面變形的情況下，制動盤簡化模型的變形如圖8（a）、（b）所示。

圖6 熱載荷引起的徑向膨脹變形

圖7 徑向應力分布云圖

圖8 散熱筋的變形

當熱載荷由摩擦面的表面進入制動盤后，由于材料自身的熱傳導作用將使散熱筋的溫度升高，散熱筋之間的體積差別，使體積不同的散熱筋之間存在溫度差，從而導致散熱筋之間變形不協調，在摩擦面的內表面與連接散熱筋交接處產生大應力，摩擦面與體積較大的散熱筋的交接處存在拉應力，與體積較小的散熱筋的交接處存在壓應力。如果兩散熱筋是自由變形，小體積的散熱筋的變形增量為Δh″＝α·（Th1－T0）·h，T0為制動的初始溫度；Tb1為制動t時刻后小體積散熱筋對應的溫度。大體積的散熱筋的變形增量為Δh′＝α·（Th2－T0）·h，Th2為制動t時刻后大體積的散熱筋對應的溫度，因為Th1＞Th2，所以Δh″＞Δh′，出于變形的整體協調，兩者將發生圖8（b）的變形，共同增量為Δh。從而是小體積的散熱筋A、B區受壓應力，大體積的散熱筋C、D區受拉應力，見圖8（a），這與有限元分析的結果相吻合，如圖9所示。

圖9 軸向應力分布云圖

下面分析制動過程中制動盤摩擦面沿徑向發生的變形，導致周向熱應力。為簡化分析對摩擦面沿徑向作分層假設，如圖10（a）所示，當熱載荷通過摩擦面的表面施加到制動盤內部，制動盤的溫度將升高，如果制動盤的摩擦面均勻升溫，不妨設溫度升高為ΔT，摩擦面各個半徑上的線應變相同均為ε＝α·ΔT，其中α為線膨脹系數。變形結果見圖10（b），ΔRi＝α·ΔT·Ri，i＝1，2，3，4。但實際并不是這樣，摩擦面內圈的溫度受到材料體積分布和裝配關系的影響在同一時刻明顯低于摩擦面外圈的溫度，摩擦面將發生圖10（c）所示的變形。

圖10 散熱面的徑向變形

設摩擦面外圈的溫升為ΔT，摩擦面內圈的溫升ΔT′，且ΔT＞ΔT′，摩擦面外圈的線應變為εout＝αT·ΔT，摩擦面內圈的線應變為εin＝αT′·ΔT′，又αT＞αT′（一般情況下材料的熱膨脹系數隨溫度的增加而增加），摩擦面內圈的周向增量為Δc′＝（2π·αT′·ΔT′－1）·R1，Δc′表示周向膨脹量，而摩擦面溫度均勻時，摩擦面內圈的增量為Δc＝（2π·αT·ΔT－1）·R1，Δc表示周向膨脹量，顯然，Δc＞Δc′，摩擦面內圈受到拉應力，當摩擦面內圈所受的拉應力超過材料的極限強度時，摩擦面將垂直于摩擦面的徑向發生斷裂失效，尤其是與制動盤爪相連接部位的兩側。這與有限元分析的結果相吻合，如圖11所示。

圖11 周向應力分布云圖

3.2 制動盤的材料本征熱應力

壓緊裝配不同材料的部件，由于材料的線膨脹系數不同，當部件的溫度降低時，會導致裝配關系的松動，而當部件的溫度升高時，將使部件之間進一步壓緊，這種壓緊力的變化量本質上是由材料的線膨脹系數表征的，因此，稱由這種壓緊力產生的應力為材料本征熱應力。

制動盤、轂、壓圈及螺栓之間的裝配關系產生了制動盤的軸向機械約束，限制了制動盤和軸的相對位移。當熱載荷由摩擦面的表面進入制動盤內部后，由于材料間的熱傳導作用，轂和壓圈的溫度也將升高。理想情況下（制動盤、轂、壓圈及螺栓的溫度和材料均相同時），制動盤的爪及與盤連接部位將發生圖12（a）所示的變形，當實際中，由于轂、壓圈和螺栓的材料與制動盤的材料不同，當溫度升高時，因為螺栓的連接緊固作用，制動盤爪的膨脹被限制，發生圖12（b）所示的變形，制動盤、轂和壓圈之間的壓緊力將增加，從而在爪的根部產生材料本征熱應力，其方向沿制動盤的軸向。這與有限元分析的結果相吻合，如圖9所示。

圖12 熱載荷作用時盤爪的變形

3.3 制動盤的徑向機械約束熱應力

在緊急制動過程中，當熱載荷由摩擦面的表面輸入制動盤的過程中，制動盤溫度升高時，如果制動盤無外部約束而自由膨脹，假設制動盤整體的溫度均勻變化，制動盤將發生圖13（a）所示的變形，虛線表示變形后的制動盤，但由于制動盤、鋼轂及壓圈之間緊固連接，嚴重限制了制動盤爪的徑向移動，因此實際發生的變形如圖13（b）所示，圖13（b）中箭頭所指處受到拉應力，方向垂直于摩擦面在應力發生處的徑向，此種應力是由于機械約束作用限制了制動盤爪受熱膨脹時的徑向移動造成的，因此稱為機械約束熱應力。

通過上述對制動盤的力學分析可知，制動過程中的熱載荷是產生應力、變形和裂紋的根源。

圖13 機械約束導致的變形

綜合考慮結構的約束熱應力，材料本征熱應力及機械約束熱應力的聯合作用，制動盤在制動過程中，最可能的裂紋萌生位置位于制動盤爪與摩擦面的搭接部位的兩側，這與有限元分析的結果相吻合，如圖14所示。

圖14 等效應力分布云圖

4 結論

通過研究可以得出以下結論：

（1）熱斑是制動盤摩擦面局部高溫區的組織變化和高溫氧化的結果；

（2）熱裂紋是由于制動盤摩擦面高溫區的邊緣存在較大的內應力而萌生晶界裂紋，在徑向和周向拉應力的作用下，裂紋沿晶界徑向擴展；

（3）制動盤中不均勻的溫度場分布造成不均勻變形，變形受阻形成熱應力，在結構約束熱應力、材料本征熱應力及機械約束熱應力的聯合作用下，熱應力超過材料的高溫強度導致制動盤開裂。

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