低温环境下制动速度对高铁制动盘磨损性能的影响及仿真分析

张梅仙，石含波，马蕾^*

西华大学机械工程学院 流体及动力机械教育部重点实验室，四川 成都 610039

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摘要：低温环境给高铁列车制动系统带来制动摩擦系数不稳定、磨损异常，以及材料组织发生变化等问题。通过调研发现我国低温环境温度主要在0～-40°C。为解决高速列车在低温环境下安全服役的问题，本文利用高速摩擦制动试验机和低温环境模拟装置研究了高铁制动盘材料在制动速度为77.39km/h，不同环境温度（20、0、-20、-40℃）下和环境温度为-20°C，不同制动速度（54.15km/h、61.88km/h、69.65km/h、77.39km/h）下的摩擦磨损特性，并利用COMSOL仿真软件对制动盘摩擦表面进行应力和温度分析。研究发现：当制动速度为77.39km/h时，制动盘材料摩擦表面的损伤程度随环境温度的降低而增大。同时，盘面最高温度随环境温度的降低而降低，但由于制动盘材料在0℃时发生韧脆转变，盘面温度异常升高。另外，盘面最大热应力在常温（20℃）下与低温环境（0、-20、-40℃）下差异较大。当环境温度为-20°C时，制动盘材料摩擦表面的损伤程度随制动速度的增大而增大。此外，盘面最高温度与制动速度线性正相关，且试验与仿真结果一致。另外，当制动速度增大时，盘面最大热应力增大，制动时间延长。同时，制动盘摩擦表面径向方向的温度梯度和热应力梯度也增大，这使盘面热裂纹进一步加剧。

关键词：高铁制动盘；磨损特性；低温环境；制动速度；仿真