盧純，尹家寶，張慶賀，付強(qiáng)

摩擦磨損與潤滑

軌道車輛制動閘片摩擦塊跑合階段磨損分析

盧純1,2，尹家寶1,2，張慶賀1,2，付強(qiáng)1,2

（1.西南交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，成都 610031；2.軌道交通運(yùn)維技術(shù)與裝備四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610031）

在軌道車輛制動閘片摩擦塊的使用過程中，目前認(rèn)為當(dāng)接觸面積達(dá)到85%即跑合完成，這種判定標(biāo)準(zhǔn)缺少理論支撐。通過深入分析跑合階段的摩擦學(xué)行為，確定跑合結(jié)束時(shí)的摩擦學(xué)行為特點(diǎn)，為判定軌道車輛制動閘片摩擦塊跑合完全與否提供理論判據(jù)，同時(shí)也為縮短跑合時(shí)間、延長摩擦塊磨損壽命提供理論支撐。利用自行研制的盤型制動系統(tǒng)制動性能試驗(yàn)臺進(jìn)行制動閘片摩擦塊的跑合試驗(yàn)，記錄制動閘片摩擦塊跑合過程中的接觸壓力、接觸面積、磨損量和界面損傷等摩擦學(xué)行為變化情況。利用ABAQUS建立有限元模型，通過UMESHMOTION子程序和ALE自適應(yīng)網(wǎng)格劃分技術(shù)，基于Archard磨損模型實(shí)現(xiàn)考慮摩擦塊磨損累積的跑合階段摩擦學(xué)行為分析。跑合初期接觸壓力不均勻?qū)е虑腥攵搜杆倌p，宏觀接觸面積增加使平均接觸應(yīng)力迅速減小；在跑合中期，產(chǎn)生的磨屑不斷累積并壓實(shí)，宏觀接觸面積增加幅度逐漸減慢，平均接觸應(yīng)力減小速率減緩；在跑合后期，宏觀接觸面積增加幅度進(jìn)一步放緩，磨屑的壓實(shí)與破壞達(dá)到一個動態(tài)平衡，平均接觸應(yīng)力保持穩(wěn)定。根據(jù)跑合過程中平均接觸應(yīng)力先迅速減小、后緩慢減小、最后保持不變的特點(diǎn)，可將軌道車輛制動閘片摩擦塊的跑合過程劃分為迅速跑合階段、過渡跑合階段和穩(wěn)定跑合階段。因此，跑合階段完成的判定標(biāo)準(zhǔn)為平均接觸應(yīng)力保持不變，即進(jìn)入穩(wěn)定跑合階段。在本文的試驗(yàn)工況下，發(fā)現(xiàn)當(dāng)摩擦塊接觸面積達(dá)到名義接觸面積的90%時(shí)跑合完成。

跑合階段；摩擦學(xué)行為；軌道車輛；摩擦磨損；制動閘片摩擦塊

摩擦磨損廣泛存在于工程領(lǐng)域[1-3]。在軌道交通領(lǐng)域，制動閘片摩擦塊與制動盤之間的摩擦接觸是實(shí)現(xiàn)列車高速制動、精準(zhǔn)停車與穩(wěn)定調(diào)速的有效手段，也是高速列車行車安全的最后一道安全屏障。然而，隨著列車運(yùn)行速度的不斷提高，摩擦塊的磨損問題日益突出，嚴(yán)重影響鐵路運(yùn)輸?shù)陌踩耘c經(jīng)濟(jì)性。

磨損過程可分為3個階段，即跑合階段（初期磨損階段）、穩(wěn)定磨損階段和劇烈磨損階段，見圖1。跑合階段可為零部件的正常使用創(chuàng)造條件，是服役過程中必不可少的階段。由于摩擦磨損無法避免，如何縮短跑合階段、延長穩(wěn)定磨損階段、推遲劇烈磨損階段，是提高零部件磨損使用壽命的關(guān)鍵所在。因此，能否深入理解高速列車制動閘片摩擦塊跑合階段的摩擦學(xué)和界面損傷行為特點(diǎn)，對于縮短跑合期、延長高速列車制動閘片摩擦塊的使用壽命具有重要意義。

目前，學(xué)者們主要通過試驗(yàn)[4-6]和仿真手段[7-9]研究了跑合階段、穩(wěn)定磨損階段和劇烈磨損階段的第三體特征[10]、摩擦因數(shù)變化[11-12]、瞬態(tài)熱現(xiàn)象[13]、磨損機(jī)制[14]、界面干濕影響[15]、接觸平臺演變[16]、界面化合物成分變化[17]、磨損率[18]、表面硬化程度[19]等。例如，Yin等[20]研究了跑合階段中摩擦塊連接方式對制動界面接觸行為的影響，發(fā)現(xiàn)浮動連接方式能夠在跑合階段中較快地改善界面接觸狀態(tài)。Quan等[21]研究發(fā)現(xiàn)跑合階段中摩擦塊形狀特征能夠顯著改變制動界面的摩擦學(xué)行為，五邊形摩擦塊表面經(jīng)歷較嚴(yán)重的摩擦磨損過程，具有五邊形摩擦塊的制動系統(tǒng)會產(chǎn)生較強(qiáng)的摩擦振動噪聲。Welsh[22-23]研究發(fā)現(xiàn)穩(wěn)定磨損階段的磨損率較低，伴隨著氧化物磨屑的形成，表面氧化膜和應(yīng)變硬化會防止嚴(yán)重磨損的出現(xiàn)；而在劇烈磨損階段，接觸力的增加會使表面氧化膜破碎，使金屬基體相互接觸并產(chǎn)生金屬磨屑。Rodrigues等[24]研究發(fā)現(xiàn)在穩(wěn)定磨損階段中，高溫會使摩擦塊金屬氧化、軟化并起到潤滑作用使摩擦因數(shù)降低，接觸界面的金屬氧化層會使摩擦因數(shù)趨于穩(wěn)定并提高摩擦塊的抗磨損性能。Xiao等[25]研究了高速鐵路列車銅基粉末冶金摩擦塊在380 km/h制動初速度下的磨損機(jī)制，發(fā)現(xiàn)摩擦塊表面形成了一層厚約2 μm的納米級氧化銅和三氧化二鐵，高硬度的氧化物使界面摩擦因數(shù)和耐磨性均高于原始表面。Howell等[26]利用掃描電鏡分析了穩(wěn)定磨損階段摩擦塊的磨損過程，發(fā)現(xiàn)石墨形成的第三體潤滑膜會使磨損率下降，而第三體中的硬質(zhì)顆粒會使磨損率急劇升高。

圖1 磨損三階段

以上研究對于探明高速列車制動閘片摩擦塊的磨損行為有重要意義，但針對跑合階段的摩擦學(xué)行為和界面損傷分析較少，對于通過縮短跑合期來延長磨損壽命缺少相關(guān)理論指導(dǎo)。同時(shí)，目前對于摩擦塊跑合是否完成缺少一個準(zhǔn)確的定義，現(xiàn)在的判定標(biāo)準(zhǔn)是以接觸面積是否達(dá)到一個臨界值[23]，一般以摩擦塊接觸面積達(dá)到名義接觸面積的85%作為跑合結(jié)束的指標(biāo)[27]。

針對上述問題，本文擬通過試驗(yàn)測試和仿真分析手段，深入研究高速列車制動閘片摩擦塊在跑合階段的摩擦學(xué)行為和界面損傷特點(diǎn)，揭示跑合階段摩擦塊摩擦學(xué)行為演變規(guī)律，建立跑合階段是否完成的判定標(biāo)準(zhǔn)，為從縮短跑合階段的角度提高摩擦塊的服役壽命提供理論支撐。

1 試驗(yàn)裝置及測試結(jié)果

試驗(yàn)在盤型制動系統(tǒng)制動性能試驗(yàn)臺上進(jìn)行（圖2），試驗(yàn)臺主要包含驅(qū)動系統(tǒng)、飛輪組、盤片摩擦系統(tǒng)、加載系統(tǒng)等主要部分。試驗(yàn)時(shí)，先利用驅(qū)動系統(tǒng)帶動制動盤旋轉(zhuǎn)，當(dāng)制動盤達(dá)到額定轉(zhuǎn)速時(shí)，通過加載系統(tǒng)推動摩擦塊使制動盤與摩擦塊之間建立接觸。在試驗(yàn)過程中可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速、制動力等制動參數(shù)的同步采集，采樣頻率為50 kHz。本文所使用的縮比制動盤的材料為鍛鋼（密度為7.8×103kg/m3，硬度為350 kg/mm2(HV0.5)），制動盤半徑為69 mm、厚度為14 mm；縮比圓形摩擦塊材料為銅基粉末冶金（密度為5.18×103kg/m3，硬度為181～223 kg/mm2(HV0.5)），摩擦塊半徑為16.3 mm、厚度為17 mm，摩擦塊與制動盤間的平均摩擦半徑為42 mm，制動盤與摩擦塊的元素組成見表1。

圖2 盤型制動系統(tǒng)制動性能試驗(yàn)臺

Fig.2 Brake performance test bench of disc brake system

本文在跑合階段制動盤與摩擦塊摩擦學(xué)行為及摩擦塊損傷行為的試驗(yàn)研究中，制動氣缸的壓力設(shè)為恒定（0.1 MPa），制動盤轉(zhuǎn)速設(shè)定為250 r/min，制動模式選用拖曳制動，試驗(yàn)在環(huán)境溫度25 ℃、相對濕度60%±10%下進(jìn)行。在整個試驗(yàn)過程中，根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)間斷選取不同時(shí)刻使試驗(yàn)臺停機(jī)。然后卸載制動力使盤塊分離，利用高清相機(jī)觀察記錄摩擦塊表面磨損狀態(tài)。再將壓力膜傳感器置于制動盤與摩擦塊之間并重新加載制動力以建立盤塊接觸，獲得包括接觸面積和接觸壓力等制動盤與摩擦塊兩者之間的接觸狀態(tài)。

本文對摩擦塊進(jìn)行了450 min的跑合，試驗(yàn)得到不同觀察時(shí)刻下的接觸面積及接觸壓力演變過程如圖3所示。整體看來，在跑合過程中，摩擦塊的接觸面積逐漸增加，最終整個摩擦塊名義表面均與制動盤接觸。同時(shí)，接觸壓力在跑合開始階段集中于較小的區(qū)域，隨著跑合過程的進(jìn)行接觸壓力集中現(xiàn)象消失，接觸壓力近乎均布在摩擦塊的名義接觸區(qū)域內(nèi)。另外，接觸面積和接觸壓力的變化在跑合開始階段較為劇烈，隨著跑合過程的進(jìn)行，兩者變化的劇烈程度逐漸減緩。

為了定量分析摩擦塊在跑合過程中接觸壓力和接觸面積的變化情況，利用不同觀察時(shí)刻下最大平均接觸應(yīng)力和最大接觸面積對跑合過程中的接觸壓力和接觸面積進(jìn)行歸一化處理，見圖4?？梢钥吹?，宏觀接觸面積隨著跑合過程的進(jìn)行逐漸增加，直到整個摩擦塊名義表面與制動盤完全接觸。對于接觸壓力，在跑合初期平均接觸應(yīng)力迅速減小。隨著跑合過程的不斷進(jìn)行，平均接觸應(yīng)力減小速度減慢。在跑合的最終階段，雖然宏觀接觸面積繼續(xù)增加，但平均接觸應(yīng)力幾乎保持不變。

表1 制動盤與摩擦塊材料組成

圖3 跑合過程中摩擦塊接觸界面及接觸狀態(tài)演變

圖4 跑合過程中接觸壓力和接觸面積變化情況

為了確保摩擦塊跑合完全，在摩擦塊與制動盤完全接觸后，繼續(xù)進(jìn)行數(shù)次跑合。跑合完成后摩擦塊的接觸表面形貌、制動盤與摩擦塊之間的接觸壓力分布及平均接觸應(yīng)力測試結(jié)果見圖5?？梢钥吹?，制動盤與摩擦塊繼續(xù)保持完全接觸，接觸區(qū)域覆蓋整個摩擦塊的名義接觸面，接觸狀態(tài)以及平均接觸應(yīng)力在一個均衡狀態(tài)范圍內(nèi)波動，這表明摩擦塊已跑合完全。

摩擦塊跑合完全后的接觸界面損傷分析觀測結(jié)果見圖6?？梢钥吹剑谂芎线^程中，接觸壓力和接觸面積的不斷變化導(dǎo)致摩擦塊表面出現(xiàn)了較為復(fù)雜的損傷行為特點(diǎn)。例如，在圖6a和圖6b中可以觀察到，在摩擦塊接觸界面上出現(xiàn)了明顯的劃傷、剝落等損傷形式。在圖6c和圖6d中可以觀察到初級接觸平臺，以及在初級接觸平臺附近由于磨屑的堆積和壓實(shí)形成的二次接觸平臺。在圖6e和圖6f中可以觀察到隨著摩擦接觸的進(jìn)行，二次接觸平臺被破壞，接觸界面微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生重構(gòu)。

圖5 摩擦塊與制動盤完全接觸后的界面狀態(tài)

圖6 摩擦塊接觸界面損傷

2 模型建立及仿真分析

本文利用Archard磨損模型進(jìn)行摩擦塊的摩擦磨損計(jì)算[28]，見等式（1）。

式中：d、Δ和d分別為磨損深度、接觸面積和滑動距離；f代表法向載荷；為表面硬度；0是無量綱磨損系數(shù)。對等式（1）進(jìn)一步變形得到接觸表面磨損深度的計(jì)算公式，見等式（2）。

式中：為0與的比值，是有量綱磨損系數(shù)；為接觸應(yīng)力，可通過法向載荷與接觸面積求得。利用ABAQUS中UMESHMOTION子程序?qū)rchard磨損計(jì)算嵌入到有限元模型應(yīng)力應(yīng)變場的求解過程中[29]。與此同時(shí)，利用ALE自適應(yīng)網(wǎng)格重繪技術(shù)，根據(jù)Archard磨損模型計(jì)算得到的磨損量調(diào)整摩擦塊接觸表面的幾何形貌，實(shí)現(xiàn)磨損狀態(tài)的更新[29]。

利用ABAQUS建立盤型制動系統(tǒng)制動性能試驗(yàn)臺有限元模型，見圖7。模型中包含制動盤、摩擦塊和夾具等主要零部件。有限元模型的尺寸按照試驗(yàn)臺的真實(shí)尺寸進(jìn)行搭建，所有零部件均用六面體單元進(jìn)行離散，并對摩擦塊接觸表面進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化。摩擦塊與夾具之間采用綁定約束，摩擦塊與制動盤之間采用面面接觸配置，摩擦因數(shù)取為0.4[30]。在制動盤圓心處建立參考點(diǎn)，將制動盤內(nèi)圈與參考點(diǎn)耦合，將制動盤的旋轉(zhuǎn)約束條件施加于參考點(diǎn)上，參考點(diǎn)保留沿制動盤軸向的旋轉(zhuǎn)自由度，夾具和摩擦塊保留沿接觸表面的法向移動自由度，制動力通過均布載荷施加于夾具上，有限元模型中各部件的材料屬性見表2。

圖7 有限元模型

表2 有限元模型材料屬性

仿真計(jì)算得到的跑合過程中摩擦塊與制動盤接觸界面的壓力分布演變結(jié)果見圖8。可以看到，仿真計(jì)算得到的壓力分布及演變與試驗(yàn)測試結(jié)果一致。仿真計(jì)算結(jié)果相比于試驗(yàn)測試結(jié)果更加均勻，這是因?yàn)榉抡嬗?jì)算中忽略了界面粗糙度、安裝精度、接觸表面不平順的影響。從仿真結(jié)果可以看到，隨著跑合過程的不斷進(jìn)行，摩擦塊與制動盤的接觸面積逐漸擴(kuò)散直至摩擦塊名義接觸面全部接觸。同時(shí)，在仿真分析結(jié)果中能夠更加清楚地看出，在跑合初期接觸區(qū)域及應(yīng)力集中區(qū)域靠近制動盤圓心及切入端，這主要是由于摩擦塊單側(cè)加載及系統(tǒng)剛度導(dǎo)致。

仿真模擬得到的摩擦塊接觸面積和接觸應(yīng)力的定量分析結(jié)果見圖9，圖中利用跑合過程中仿真得到的最大接觸面積和最大平均接觸壓力對接觸面積演變和平均接觸壓力演變做了歸一化處理?？梢钥吹剑抡嬗?jì)算得到的演變趨勢與試驗(yàn)測試結(jié)果相同，即接觸面積隨著跑合過程的進(jìn)行不斷增加，接觸壓力分布隨著跑合過程的進(jìn)行逐漸變得均勻。平均接觸壓力在跑合開始階段直至摩擦塊名義接觸表面完全接觸的過程中先迅速下降、后緩慢下降，當(dāng)接觸面積達(dá)到摩擦塊名義接觸面積的90%左右時(shí)，平均接觸壓力幾乎保持不變。值得注意的是，本研究的關(guān)注點(diǎn)并非是給出摩擦塊接觸面積與其名義接觸面積之間的一個明確的比值來定義摩擦塊是否完成跑合，而是旨在從接觸壓力、接觸面積等角度，深入分析摩擦塊在跑合過程中的摩擦學(xué)行為演變規(guī)律，從而給出跑合過程結(jié)束時(shí)的摩擦學(xué)行為特點(diǎn)，進(jìn)而基于摩擦學(xué)行為來判定跑和是否完成。根據(jù)本文的研究，發(fā)現(xiàn)當(dāng)摩擦塊與制動盤之間的平均接觸壓力保持相對穩(wěn)定時(shí)，可認(rèn)為摩擦塊完成了跑合。

圖8 接觸壓力演變仿真計(jì)算結(jié)果

圖9 摩擦塊接觸面積和平均接觸壓力仿真計(jì)算結(jié)果

圖10為仿真計(jì)算得到的摩擦塊磨損演變結(jié)果，可以看到，在靠近制動盤圓心且偏向切入端處，摩擦塊的磨損深度最高，在遠(yuǎn)離制動盤圓心且偏向切出端處，摩擦塊的磨損量最小。為了解釋這種現(xiàn)象，圖11中給出了跑合階段內(nèi)沿著摩擦方向摩擦塊的接觸應(yīng)力分布及演變過程?？梢钥吹?，在跑合初始階段，切入端的接觸應(yīng)力遠(yuǎn)大于切出端，造成切入端迅速磨損；隨著跑合的進(jìn)行和切入端材料逐漸被磨掉，切入端和切出端接觸應(yīng)力的差值逐漸減小并趨于相等，整個摩擦塊表面均勻磨損。綜上可以看到，造成摩擦塊切入端磨損較為嚴(yán)重的原因主要在于接觸壓力分布不均勻，雖然根據(jù)Archard磨損理論，在遠(yuǎn)離制動盤圓心且偏向切出端的滑動速度較大，但接觸應(yīng)力遠(yuǎn)小于靠近制動盤圓心且偏向切入端，因此摩擦塊在靠近制動盤圓心偏向切入端的磨損較為嚴(yán)重。

仿真計(jì)算得到的累積磨損體積結(jié)果見圖12?？梢钥吹?，隨著跑合過程的進(jìn)行，摩擦塊的累積磨損量逐步增加，與試驗(yàn)測試得到的累積磨損量相比，仿真計(jì)算結(jié)果的相對誤差為10.1%?？紤]到在仿真計(jì)算模型中對試驗(yàn)臺進(jìn)行了一定的簡化，并忽略了表面粗糙度、試驗(yàn)臺安裝誤差、人為測量誤差等影響。而這些因素將導(dǎo)致預(yù)測結(jié)果出現(xiàn)一定的誤差，且產(chǎn)生的誤差會不斷累積并影響后續(xù)的預(yù)測結(jié)果。在本文中，計(jì)算所得累積磨損量誤差為10.1%，表明該方法在鐵路摩擦塊累積磨損退化預(yù)測中的有效性。同時(shí)，相比于試驗(yàn)測試，仿真計(jì)算能夠更詳細(xì)地復(fù)現(xiàn)摩擦塊的磨損過程，也能夠更加清晰地展示在跑合過程中摩擦學(xué)行為的演變規(guī)律。

圖10 摩擦塊磨損演變仿真計(jì)算結(jié)果

圖11 沿摩擦方向摩擦塊接觸應(yīng)力演變與分布

圖12 磨損量演變仿真計(jì)算結(jié)果

3 分析與討論

通過上述試驗(yàn)測試和仿真分析結(jié)果，可以看到從跑合開始直至摩擦塊名義接觸面完全與制動盤接觸的過程中，根據(jù)摩擦塊與制動盤之間平均接觸應(yīng)力的變化情況可以將跑合過程分為3個階段，分別為迅速跑合階段、過渡跑合階段和穩(wěn)定跑合階段，見圖13。

圖13 跑合過程中不同階段及特征

在迅速跑合階段，由于系統(tǒng)剛度、安裝精度、表面粗糙度及表面不平順等影響，制動盤與摩擦塊之間的實(shí)際接觸面積較小，導(dǎo)致摩擦塊名義接觸面的接觸應(yīng)力分布極為不均勻（見圖3），局部接觸應(yīng)力較大，使得局部接觸面迅速磨損（見圖10），實(shí)際接觸面積逐漸變大，進(jìn)而平均接觸應(yīng)力迅速減?。ㄒ妶D3、圖8）；隨著跑合過程的繼續(xù)進(jìn)行，達(dá)到過渡跑合階段，宏觀接觸面積繼續(xù)增加但增加幅度逐漸減慢，同時(shí)產(chǎn)生的磨屑會逐漸累積、壓實(shí)并形成磨屑層，進(jìn)而進(jìn)一步增大了承力面積（見圖6），以上因素綜合作用使平均接觸應(yīng)力下降速率減緩；在跑合階段后期的穩(wěn)定跑合階段，宏觀接觸面積增加幅度進(jìn)一步放緩，產(chǎn)生的磨屑進(jìn)一步堆積、壓實(shí)并繼續(xù)形成磨屑層，與此同時(shí)磨屑層也不斷發(fā)生崩塌，新增加的接觸面與消失的接觸面達(dá)到一個動態(tài)平衡，使平均接觸應(yīng)力保持不變。

4 結(jié)論

1）在跑合初期，摩擦塊上的接觸壓力不均勻?qū)е虑腥攵搜杆倌p，宏觀接觸面積增加，平均接觸應(yīng)力迅速減??；在跑合中期，產(chǎn)生的磨屑不斷累積、壓實(shí)并形成磨屑層，宏觀接觸面積增加幅度逐漸減慢，平均接觸應(yīng)力減小速率減緩；在跑合后期，宏觀接觸面積增加幅度進(jìn)一步放緩，磨屑層的形成與崩塌達(dá)到一個動態(tài)平衡，平均接觸應(yīng)力保持穩(wěn)定。

2）跑合過程可以根據(jù)平均接觸應(yīng)力先迅速減小、后緩慢減小、最后保持穩(wěn)定的變化情況分為3個階段，即迅速跑合階段、過渡跑合階段和穩(wěn)定跑合階段。

3）給出了跑合完成的摩擦學(xué)行為特點(diǎn)、判定方法及相應(yīng)的理論依據(jù)。當(dāng)摩擦塊接觸面積達(dá)到名義接觸面積的90%時(shí)，平均接觸應(yīng)力基本保持穩(wěn)定、進(jìn)入穩(wěn)定跑合階段，此時(shí)可認(rèn)為跑合結(jié)束。

4）根據(jù)本文的研究，未來可通過在制動閘片摩擦塊加工制造過程中微調(diào)預(yù)設(shè)磨損、調(diào)整摩擦塊安裝結(jié)構(gòu)和界面接觸狀態(tài)等方式來使平均接觸應(yīng)力保持穩(wěn)定，以期達(dá)到縮短跑合時(shí)間，延長制動閘片摩擦塊使用壽命的目的。

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Wear Degradation of Railway Vehicle Brake Pad Friction Block in Running-in Stage

1,2,1,2,1,2,1,2

(1. School of Mechanical Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China; 2. Technology and Equipment of Rail Transit Operation and Maintenance Key Laboratory of Sichuan Province, Chengdu 610031, China)

In the using of railway vehicle brake pad friction block, 85% contact area is assumed to be an indication of the accomplishment of the running-in process without theoretical support. Only few studies mention tribological behavior and interface damage analysis for the running-in phase.

Through the comprehensive analysis of the tribological behavior in running-in stage, the characteristics of tribological behaviors at the end of the running-in process are determined, which provides a theoretical criterion for determining whether the running-in stage is complete or not and gives theoretical support for running-in period shortening and wear life increasing. With the help of self-designed brake performance test bench, the changes of the tribological behaviors such as contact pressure, contact area, wear and interface damage in running-in stage are recorded to study the braking performance of the friction block in running-in stage. Using UMESHMOTION subroutine, ALE technology and Archard wear model, the tribological behavior of the friction block considering wear degradation accumulation is analyzed. Inaddition, the correctness of simulation results is verified by the experimental data.Finally, based on the results from experiments and simulation, the evolving tribological behavior of the friction block during the running-in process is thoroughly evaluated in terms of contact pressure, contact area, wear volume, damage characteristics, etc. And the tribological behavior features and determination method at the end of the running-in process are provided.

It is found that the uneven contact pressure at the beginning of the running-in stage results in a rapid wear on the friction block cut-in side. The increase of the macroscopic contact area leads to a rapid decrease of the average contact stress. In the middle of the running-in stage, the secondary contact plateaus are gradually established by the accumulation and compaction of the generated wear debris. The increase of the macroscopic contact area gradually slows down, as well as the decrease rate of the average contact stress. At the end of the running-in stage, the increase rate in macro contact area further slows down. There is a dynamic balance between the formation and collapse of the secondary contact plateaus, the average contact stress reaches a stable value. According to the variation characteristics of the average contact stress in running-in stage, i.e., first quickly reduces, then slowly reduces and finally remains stable, the running-in stage can be divided into rapid running-in phase, transitional running-in phase and stable running-in phase. Thus, the indication of the accomplishment of the running-in process is that the average contact stress remains unchanged, that is, the stable running-in phase is entered. Under the test conditions in this work, it is found that the running-in process is completed when the contact area of the friction block reaches 90% of the nominal contact area of the friction block. According to these findings, it is possible to keep the average contact stress stable by fine-tuning the preset wear, adjusting the friction block mounting structure and interface contact state during the manufacturing process of the brake friction block.Thesecould help to shorten the running-in time and extend the service life of the brake pad friction block.

running-in stage; tribological behavior; railway vehicle; friction and wear; brake pad friction block

Th117

A

1001-3660(2022)12-0063-09

10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2022.12.005

2021–11–18；

2022–03–09

2021-11-18；

2022-03-09

國家自然科學(xué)基金（52105160）；四川省科技計(jì)劃資助項(xiàng)目（2020JDTD0012）；中央高校基本科研基金（2682021CX028）

The National Natural Science Foundation of China (52105160); the Sichuan Province Science and Technology Support Program (2020JDTD0012); the Fundamental Research Funds for the Central Universities (2682021CX028)

盧純（1989—），男，博士，講師，主要研究方向?yàn)槎噍S疲勞可靠性、鐵路摩擦學(xué)。

LU Chun (1989-), Male, Doctor, Lecturer, Research focus: multiaxial fatigue reliability, rail tribology.

盧純，尹家寶，張慶賀，等. 軌道車輛制動閘片摩擦塊跑合階段磨損分析[J]. 表面技術(shù), 2022, 51(12): 63-71.

LU Chun, YIN Jia-bao, ZHANG Qing-he, et al. Wear Degradation of Railway Vehicle Brake Pad Friction Block in Running-in Stage[J]. Surface Technology, 2022, 51(12): 63-71.

責(zé)任編輯：萬長清