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，使原有材料出現損耗的現象。磨粒磨損一般經歷滑擦、耕犁和切削三個階段，在此過程中，材料會出現諸多物理變化，如產生溫度、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中的關鍵部件，列車在行駛過程中會經歷雨雪、風沙等復雜環境，而制動盤作為基礎制動裝置長期暴露在外部環境中，列車在制動過程中，閘瓦與制動盤界面之間會出現第三體硬質顆粒，對制動盤進行劃擦造成磨粒磨損；閘片表面出現的硬質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象，對提高制動盤使用壽命，保證車輛安全平穩運行具有理論指導意義。相關研究表明，列車制動過程中，制動盤界面產生的熱量是造成制動盤表層組織損傷的重要原因之一，磨粒劃擦時產生的熱能會使材料表面發生氧化、軟化甚至熔化等現象，使材料表面的磨損機理變得更加復雜。因此，磨粒磨損產生的劃擦熱是必不可少的研究內容。

本文將重點研究磨粒劃擦速度和劃擦深度對制動盤產生熱的影響規律。

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、多棱錐等規則的幾何模型進行處理。因此，本文將磨粒定義為四棱錐結構，并用Solid186實體單元網格進行劃分。制動盤采用光滑流體力學（SPH）法與有限元（FEM）相結合的方法進行建模。其中，變形較大區域采用SPH方法，變形較小區域采用FEM網格建模，這樣既節省計算時間，又保證模擬仿真數據的真實性。

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

為分析磨粒磨損產生溫度的變化過程，本節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，即產生的變形也越來越劇烈，在溝壑兩側及底面接觸區和向前推進區域的溫度較高。由于磨粒兩側底部的棱邊與制動盤材料的擠壓和摩擦最為劇烈，該處發生嚴重撕裂、分離、變形，因此，產生的溫度較高。隨著磨粒向前推進，產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，最高磨損產生的溫度越高。一方面，產生溫度過高的原因主要是由于磨損速度提高后，單位時間內切除的材料增多，根據能量守恒原則，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

為分析劃擦深度產生熱的影響規律，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楞的20個點的平均溫度作為劃擦產生溫度的評估值，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發現，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，產生的總能量較低，因此，制動盤發熱量也相對較小。但總體上看，不同深度工況下溫度變化幅度不大，出現相互交錯現象，并且最高溫度基本是一樣的。通過觀察圖4發現當溫度達到最高后便出現了下降現象。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，產生的劃擦力增大，單位時間內耗費的功率增加，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，通過仿真分析發現：磨粒在制動盤表面劃擦時，制動盤表面出現溝槽和犁皺，材料表面出現撕裂、蹦碎成屑現象。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境中如高寒、風沙地區中的制動盤設計與制造提供理論參考。