磁浮车用闸片材料优化与磁场下摩擦机制研究
近年来磁浮列车发展迅速，前景广阔。制动系统是磁浮列车的关键技术，保证磁浮列车的运行速度、安全性和舒适性。在磁浮列车实际运行过程中，出现了闸片异常损耗的问题，具体表现为闸片使用时间短，更换频繁，闸片摩擦接触面存在沟状损伤痕迹，且表面粗糙。为了解决磁浮列车的异常磨耗问题，有必要开展磁浮列车闸片的优化研究。 根据磁浮闸片常规制动服役条件，测试了不同速度下的既有闸片材料的摩擦磨损性能，包括低速匀速试验（模拟常规制动）和高速制动试验（模拟紧急制动），对闸片进行金相、表面形貌与元素成分等手段进行表面分析，推导分析了既有闸片发生异常磨耗的相关机制，并提出了闸片材料的优化方案。根据闸片小样的制动性能检测结果，筛选出了无异常磨耗的闸片配方工艺，并进行了1∶1实尺寸闸片台架测试。 其次，磁悬浮列车的闸片/铁轨机械制动形式是在磁场环境下服役的典型摩擦副，因此本文还研究了磁场强度对闸片材料/Q235钢的摩擦磨损性能的影响。最后，为了建立磁场-磨屑氧化和吸附-干摩擦磨损性能之间的关系，探索磁场干摩擦中磨屑吸附机制和表面氧化机制，设计了一种磨屑收集装置，以磁场干摩擦研究中最典型的45#碳素钢自配副为摩擦副，分析了磨屑收集装置对磁场摩擦的影响，并进行了磨屑量化分析。 通过以上试验和分析，得到了以下结论： 1.磁浮列车的异常磨耗发生在6km/h以下匀速摩擦试验条件中，既有闸片和Q235盘的表面黏着现象严重；在6km/h到12km/h的速度区间，既有闸片在摩擦初中期会产生短暂的异常磨耗情况，但继续试验闸片跑合较好，逐渐平稳，未出现严重磨损；在12km/h以上（匀速试验最高做到20km/h，制动初速度100km/h到140km/h），摩擦过程中都能保持一个稳定的摩擦状态。 2.磁浮车用闸片异常磨耗主要发生在低速制动过程中，分析其异常磨耗作用机制为：在摩擦过程初期，碳膜被逐渐消耗；当碳膜被消耗殆尽，闸片材料中的增磨相（铬）颗粒较大，摩擦过程中发生聚集黏着在Q235制动盘表面，形成小的凸起；低速制动条件下摩擦热量小，表面温度低，此时铬的硬度较高且黏附于Q235表面，对闸片产生了切削效果，造成了闸片的异常磨耗。 3.本研究对12个闸片配方进行了低速摩擦磨损测试和高速制动摩擦试验测试，最后结果发现将闸片材料中的增磨相（铬）替换为氧化铝时，闸片小样无异常磨耗，且制动性能检测结果最佳；最终的台架测试结果表明优化后的闸片低速试验结果符合预期，可以在不伤盘面的情况下保持较低的磨耗和稳定的摩擦系数，但速度提升后和盘面发生粘连现象，基本解决了磁浮闸片低速制动的异常磨耗问题。 4.在磁场环境下，测试了低速匀速试验中不同速度下的既有闸片材料的摩擦磨损性能，并和无磁场环境下的数据进行了对比。闸片材料在磁场中的摩擦系数降低，磨损减少且磨损速度变慢；随着速度的增加，制动材料的摩擦系数下降。 5.在使用磨屑收集装置并对45钢销、45钢盘和磨屑进行称重后发现，在磁场条件下摩擦后销、盘和磨屑的总质量比摩擦前的销和盘总质量有所增加，增加的质量是磨屑和表面氧化固定的氧气量。随着磁场强度增加，45钢摩擦过程中产生的磨屑质量锐减，平均粒度也显著下降，磨屑的氧化程度也有所增加。磁场环境下摩擦体系因氧化而出现质量增重，磨屑被磁场捕获形成“三体磨损”，且反复参与摩擦过程而使得粒径得到细化，细化后的磨屑被反复碾压而形成氧化膜，使得材料的耐磨性增加。
磁浮列车;闸片材料;磁场摩擦;磨屑量化分析;机械制动
河南科技大学
硕士
材料科学与工程
孙乐民
2021
中文
U292.917
2022-04-18（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）