(1.西南交通大學(xué)摩擦學(xué)研究所 四川成都 610031；2.利物浦大學(xué)工程學(xué)院 英國(guó)利物浦 L69 3GH)

制動(dòng)盤與制動(dòng)片上的摩擦塊之間的摩擦過(guò)程稱為機(jī)械制動(dòng)，也是高速列車主要制動(dòng)方式之一[1]。然而，機(jī)械制動(dòng)過(guò)程中摩擦界面會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)并輻射出噪聲，這不僅影響了乘客乘坐的舒適性，給鐵路沿線帶來(lái)噪聲污染[2]，還會(huì)影響制動(dòng)系統(tǒng)零部件的可靠性，從而對(duì)列車運(yùn)行安全造成威脅?，F(xiàn)如今，國(guó)內(nèi)外制動(dòng)閘片上摩擦塊的幾何參數(shù)(形狀、尺寸等)多種多樣，而不同幾何參數(shù)的摩擦塊會(huì)對(duì)界面接觸力、磨損行為、摩擦熱分布等產(chǎn)生影響，這些因素也會(huì)影響制動(dòng)噪聲[3-4]。因此，探究摩擦塊幾何參數(shù)對(duì)制動(dòng)噪聲的影響機(jī)制，對(duì)建立抑制制動(dòng)噪聲的有效措施和途徑有著重大的研究意義。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外的研究者關(guān)于列車制動(dòng)閘片摩擦塊幾何參數(shù)研究，主要圍繞其與制動(dòng)盤溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)分布及熱裂紋擴(kuò)展等方面關(guān)系展開[5-7]。農(nóng)萬(wàn)華等[5]模擬了圓形、三角形、六邊形摩擦塊制動(dòng)時(shí)制動(dòng)盤的溫度及熱應(yīng)力分布狀況，發(fā)現(xiàn)摩擦塊形狀對(duì)制動(dòng)盤面溫差和熱應(yīng)力有顯著影響。PANIER等[6]研究了3種不同摩擦塊熱點(diǎn)的分布情況，結(jié)果表明當(dāng)摩擦塊弧長(zhǎng)減少時(shí)，熱點(diǎn)數(shù)量會(huì)增多。孫超等人[7]研究發(fā)現(xiàn)，閘片設(shè)計(jì)應(yīng)盡可能使閘片周向弧長(zhǎng)沿著徑向方向均勻地排布，減小摩擦塊尺寸并增加其數(shù)目能有效降低摩擦副表面的最高溫度，從而提高制動(dòng)器的使用壽命。

關(guān)于摩擦塊幾何參數(shù)與振動(dòng)噪聲的關(guān)系，國(guó)內(nèi)外學(xué)者也進(jìn)行了相關(guān)研究[8-10]。CHIELLO和DES ROCHES等[8-9]研究了不同形狀、數(shù)目及材料參數(shù)的制動(dòng)閘片對(duì)制動(dòng)系統(tǒng)不穩(wěn)定振動(dòng)模態(tài)的影響，結(jié)果表明減少盤/片接觸面積可減少系統(tǒng)不穩(wěn)定振動(dòng)的模態(tài)數(shù)目，閘片厚度變化會(huì)影響系統(tǒng)不穩(wěn)定振動(dòng)的主頻。MOORE等[10]通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了制動(dòng)片幾何形狀變化對(duì)尖叫噪聲的影響規(guī)律，進(jìn)而從降低制動(dòng)噪聲的角度來(lái)指導(dǎo)制動(dòng)片的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

結(jié)合以上分析，摩擦塊形狀與振動(dòng)噪聲的關(guān)系已有過(guò)研究，但從文獻(xiàn)檢索來(lái)看，目前還沒有關(guān)于摩擦塊尺寸對(duì)制動(dòng)噪聲影響的研究。而且，摩擦塊尺寸確實(shí)會(huì)影響界面摩擦學(xué)行為，進(jìn)而對(duì)制動(dòng)噪聲的發(fā)生及其演變產(chǎn)生一定的影響。基于上述分析，本文作者設(shè)計(jì)了3種尺寸的圓形摩擦塊，在制動(dòng)摩擦噪聲試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行制動(dòng)試驗(yàn)，探究摩擦塊尺寸對(duì)制動(dòng)噪聲的影響規(guī)律，并嘗試從摩擦學(xué)角度，結(jié)合摩擦弧長(zhǎng)分析，探討摩擦塊尺寸對(duì)制動(dòng)噪聲的影響機(jī)制，為高速列車制動(dòng)片摩擦塊的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)裝置

摩擦塊尺寸對(duì)制動(dòng)噪聲特性影響的試驗(yàn)在自行研制的制動(dòng)摩擦噪聲試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，主要包括了驅(qū)動(dòng)和傳動(dòng)系統(tǒng)、滑臺(tái)及加載系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、摩擦學(xué)測(cè)量系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)，如圖1所示?？刂葡到y(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)制動(dòng)盤轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)、離合的吸合與分離、摩擦塊的加載與卸載，滑臺(tái)及加載系統(tǒng)可改變加載力的大小，從而可以完成在一定轉(zhuǎn)速和壓力下的制動(dòng)盤與摩擦塊之間的拖磨和制動(dòng)試驗(yàn)。

圖1 試驗(yàn)裝置和樣品示意圖

傳聲器(靈敏度50 mV/Pa，動(dòng)態(tài)量程15～146 dB，頻率范圍3.5 Hz～20 kHz)距離摩擦界面大約40 mm，用來(lái)采集摩擦噪聲信號(hào)。三維加速度傳感器(靈敏度10 mV/g，量程±500 g)位于摩擦塊背板的上方，可采集3個(gè)方向的振動(dòng)加速度信號(hào)。以上信號(hào)均輸入DHDAS 8通道信號(hào)采集分析系統(tǒng)，采樣頻率設(shè)置為50 kHz，該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的實(shí)時(shí)采集、存儲(chǔ)及分析。

1.2 試驗(yàn)材料與參數(shù)

制動(dòng)盤材料為鍛鋼(密度7.85 g/cm3，彈性模量210 GPa，硬度HV360(測(cè)量壓力0.5 N))，尺寸為直徑138 mm、厚度14 mm。為探究摩擦塊尺寸對(duì)制動(dòng)噪聲特性的影響規(guī)律，試驗(yàn)中使用了3種不同尺寸的圓形摩擦塊，分別稱為大圓形摩擦塊、中圓形摩擦塊和小圓形摩擦塊，簡(jiǎn)記為B-Circle、M-Circle和S-Circle。3種摩擦塊材料均為粉末冶金(密度6.2 g/cm3，彈性模量6.5 GPa)，厚度均為20 mm，摩擦塊的直徑從大到小依次為25.8、18.4、14.8 mm。試驗(yàn)中采用1個(gè)大圓形摩擦塊、2個(gè)中圓形摩擦塊、3個(gè)小圓形摩擦塊，以保證與制動(dòng)盤的摩擦面積相等。3種尺寸的摩擦塊在背板上的安裝位置如圖1所示(灰色為背板)。

采用制動(dòng)試驗(yàn)?zāi)Ｊ?，摩擦學(xué)試驗(yàn)參數(shù)如下：氣缸加載壓力設(shè)置為0.1 MPa，制動(dòng)盤制動(dòng)初始轉(zhuǎn)速為400 r/min。試驗(yàn)環(huán)境為大氣下干態(tài)(溫度25 ℃左右，相對(duì)濕度約60%)。正式試驗(yàn)前需對(duì)制動(dòng)盤和摩擦塊試樣進(jìn)行充分的跑合，確保樣品之間有良好的面-面接觸。由于所測(cè)的摩擦噪聲具有一定隨機(jī)性，為確保結(jié)果可靠，每種尺寸的摩擦塊均進(jìn)行10次重復(fù)制動(dòng)試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)束后，用光學(xué)顯微鏡觀測(cè)和分析摩擦塊表面磨損形貌，用雙模式輪廓儀測(cè)量摩擦塊表面二維輪廓。

2 結(jié)果與討論

2.1 摩擦塊尺寸對(duì)制動(dòng)噪聲的影響

為評(píng)價(jià)3種尺寸摩擦塊制動(dòng)過(guò)程中的噪聲水平，對(duì)制動(dòng)過(guò)程噪聲時(shí)域信號(hào)進(jìn)行A計(jì)權(quán)等效聲壓級(jí)[11]分析，結(jié)果如圖2所示?？芍?，3種尺寸摩擦塊制動(dòng)噪聲有相同的變化趨勢(shì)：隨著制動(dòng)開始，聲壓明顯增大，隨后在較高水平維持一段時(shí)間，制動(dòng)末尾聲壓又迅速下降?？偟膩?lái)說(shuō)，中圓形和小圓形摩擦塊的聲壓比較高，大圓形摩擦塊的聲壓較低。對(duì)比較高水平噪聲階段的聲壓均值和方差，如圖3所示，可以看到大圓形摩擦塊聲壓平均值約為86 dB，且波動(dòng)最大；中圓形和小圓形摩擦塊聲壓平均值分別為109 dB和104 dB，且波動(dòng)較小。

圖2 3種摩擦塊制動(dòng)噪聲曲線

圖3 3種摩擦塊聲壓穩(wěn)定時(shí)段的均值與標(biāo)準(zhǔn)差

進(jìn)一步對(duì)3種尺寸摩擦塊的制動(dòng)噪聲進(jìn)行頻域分析，考察其在制動(dòng)進(jìn)程中的頻率特性。從圖4可看出：3種尺寸摩擦塊噪聲的頻率都比較復(fù)雜，出現(xiàn)了多階諧波響應(yīng)，說(shuō)明3種摩擦系統(tǒng)的非線性程度均較強(qiáng)。另外，這3種摩擦塊噪聲的頻率具有較好的一致性，區(qū)別在于這些頻率的能量強(qiáng)度不同。總體來(lái)說(shuō)，小圓形和中圓形摩擦塊噪聲頻率的能量較高，這與之前聲壓分析結(jié)果相對(duì)應(yīng)。主頻上也存在著差異，大圓形和小圓形摩擦塊噪聲的主頻在2 800 Hz左右，中圓形摩擦塊噪聲的主頻為3 808 Hz，主頻的能量相對(duì)其他激發(fā)頻率并不是特別突出。

圖4 3種摩擦塊聲壓頻域分析比較

摩擦噪聲往往與摩擦自激振動(dòng)存在密不可分的聯(lián)系。以大圓形摩擦塊為例，圖5所示為制動(dòng)過(guò)程中振動(dòng)加速度和噪聲信號(hào)的功率譜對(duì)比分析結(jié)果，可以看出：振動(dòng)加速度、噪聲信號(hào)在頻域范圍內(nèi)都有良好的對(duì)應(yīng)性，振動(dòng)加速度和摩擦噪聲的主要頻率保持一致，兩者密切相關(guān)。因此，本文作者認(rèn)為是系統(tǒng)的不穩(wěn)定振動(dòng)導(dǎo)致摩擦噪聲的產(chǎn)生。在制動(dòng)進(jìn)程中，界面摩擦力的波動(dòng)引起摩擦系統(tǒng)產(chǎn)生自激振動(dòng)，并最終對(duì)外界輻射出尖叫噪聲。

圖5 聲壓和振動(dòng)加速度功率譜分析比較

2.2 界面磨損特征分析

基于以上摩擦噪聲特性的分析，為了探討摩擦塊尺寸對(duì)制動(dòng)噪聲的影響機(jī)制，需要對(duì)制動(dòng)之后3種尺寸摩擦塊表面的摩擦磨損特性進(jìn)行分析。圖6示出了3種尺寸摩擦塊表面形貌?？芍?種尺寸摩擦塊表面上均出現(xiàn)了嚴(yán)重磨損情況，小圓形摩擦塊表面最為明顯，與摩擦塊表面其他區(qū)域形貌形成鮮明對(duì)比，即均出現(xiàn)了偏磨現(xiàn)象,且偏磨的位置出現(xiàn)在摩擦塊的進(jìn)摩擦區(qū)域或者摩擦塊前端(摩擦半徑較小處)。相關(guān)研究表明，制動(dòng)盤/片間的偏磨與局部接觸現(xiàn)象可能會(huì)增加制動(dòng)系統(tǒng)的不穩(wěn)定性，進(jìn)一步地誘發(fā)出尖叫噪聲[12]。

圖7展示了3種摩擦塊表面嚴(yán)重磨損區(qū)的局部光鏡圖，可知：小圓形和中圓形摩擦塊表面分別存在明顯的犁溝現(xiàn)象和大片的剝落，剝落區(qū)的顏色較深，剝落程度較大，表面磨損比較嚴(yán)重；大圓形摩擦塊表面的磨損比較輕微，磨損特征主要為輕微犁溝及小塊剝落，且剝落特征不十分明顯。

圖6 3種摩擦塊表面形貌

圖7 3種摩擦塊表面局部光鏡圖

結(jié)合時(shí)域信號(hào)分析可以得出，磨損情況嚴(yán)重的摩擦塊表面，噪聲聲壓水平也較高；同樣地，磨損情況較輕微的表面，噪聲聲壓水平較低。因此，界面磨損特征對(duì)摩擦尖叫噪聲強(qiáng)度具有重要的影響。根據(jù)RHEE等[13]提出的錘擊理論，文中實(shí)驗(yàn)中磨損表面的犁溝現(xiàn)象、剝落等特征會(huì)引起錘擊效應(yīng)，這些隨機(jī)產(chǎn)生的“不平順”因素使得制動(dòng)過(guò)程中摩擦力產(chǎn)生不規(guī)則波動(dòng)，導(dǎo)致摩擦力具有斷續(xù)和脈沖特性，且包含豐富的頻率成分，系統(tǒng)將會(huì)產(chǎn)生自激振動(dòng)，進(jìn)而出現(xiàn)尖叫噪聲。中圓形、小圓形摩擦塊表面在磨損區(qū)域內(nèi)的大塊剝落、明顯犁溝等“不平順”因素更容易激發(fā)摩擦系統(tǒng)強(qiáng)烈的自激振動(dòng)，進(jìn)而輻射出高強(qiáng)度制動(dòng)噪聲；相反地，大圓形摩擦塊表面“不平順”因素較微弱，對(duì)應(yīng)輻射出的制動(dòng)噪聲強(qiáng)度較弱。

考慮到界面磨損特征在誘發(fā)尖叫噪聲中所起的關(guān)鍵作用，為進(jìn)一步驗(yàn)證之前的分析，測(cè)量了試驗(yàn)后摩擦塊表面的輪廓曲線，輪廓曲線的測(cè)量方向?yàn)閺膰?yán)重磨損區(qū)向輕微磨損區(qū)。為保證結(jié)果可靠性，每個(gè)摩擦塊測(cè)試2次，所以對(duì)應(yīng)地大圓形、中圓形和小圓形摩擦塊的輪廓曲線數(shù)目分別為2、4、6。如圖8所示，輪廓曲線中比較低的區(qū)域?qū)?yīng)于摩擦塊表面嚴(yán)重磨損區(qū)域，可以推測(cè)，嚴(yán)重磨損區(qū)在制動(dòng)過(guò)程中磨損量較大。另外，中圓形和小圓形摩擦塊表面的輪廓曲線較大圓形摩擦塊明顯更為粗糙，曲線上凸起和凹陷的幅度更大，其中凸起和凹陷分別代表了磨屑堆積和犁溝、剝落。這表明在制動(dòng)過(guò)程中摩擦力會(huì)產(chǎn)生明顯的高頻波動(dòng)，輻射出更強(qiáng)的尖叫噪聲，很好地驗(yàn)證了試驗(yàn)結(jié)果。

圖8 3種摩擦塊表面輪廓曲線比較

2.3 界面摩擦弧長(zhǎng)分析

為了進(jìn)一步探討摩擦塊尺寸對(duì)制動(dòng)噪聲的影響，對(duì)3種尺寸摩擦塊的摩擦弧長(zhǎng)度進(jìn)行了比較與分析。摩擦弧長(zhǎng)是指當(dāng)摩擦塊與制動(dòng)盤接觸時(shí)，在一定的摩擦半徑下，制動(dòng)盤在摩擦塊上滑過(guò)圓弧的長(zhǎng)度，如圖9所示(以中圓形摩擦塊為例)。摩擦弧長(zhǎng)越大，對(duì)應(yīng)制動(dòng)盤圓弧上的點(diǎn)與摩擦塊的接觸長(zhǎng)度也越長(zhǎng)，產(chǎn)生尖叫噪聲的傾向更大。

3種尺寸摩擦塊的摩擦弧長(zhǎng)沿制動(dòng)盤徑向變化的情況如圖10所示?？芍?，3種摩擦塊的摩擦弧長(zhǎng)在摩擦半徑為47.5 mm(摩擦塊中心位置)左右時(shí)最大，摩擦弧長(zhǎng)曲線關(guān)于摩擦塊中心近似對(duì)稱，距離摩擦塊中心越遠(yuǎn)，摩擦弧長(zhǎng)越小。中圓形和小圓形摩擦塊摩擦弧長(zhǎng)隨摩擦半徑的增大會(huì)發(fā)生明顯變化，但總的來(lái)說(shuō)，它們的摩擦弧長(zhǎng)都比較大，明顯高于大圓形摩擦塊的摩擦弧長(zhǎng)。結(jié)合2.1節(jié)的分析可知，摩擦弧長(zhǎng)較大，處在摩擦半徑范圍的制動(dòng)盤上的點(diǎn)與摩擦塊的接觸時(shí)間越長(zhǎng)，輻射出的摩擦噪聲的強(qiáng)度也較高，推測(cè)摩擦弧長(zhǎng)的不同是造成制動(dòng)噪聲強(qiáng)度差異的另一個(gè)因素。

圖9 摩擦塊摩擦弧示意圖

圖10 3種摩擦塊摩擦弧長(zhǎng)的比較

3 結(jié)論

(1)3種尺寸摩擦塊的制動(dòng)噪聲強(qiáng)度和頻率特性呈現(xiàn)出一定區(qū)別：中圓形和小圓形摩擦塊的噪聲強(qiáng)度明顯高于大圓形摩擦塊；頻域范圍內(nèi)，都呈現(xiàn)出多階諧波響應(yīng)，頻譜成分相似，但主頻存在差異。

(2)中圓形、小圓形摩擦塊表面有明顯犁溝、剝落等“不平順”因素，更容易激發(fā)高強(qiáng)度制動(dòng)噪聲，大圓形摩擦塊表面“不平順”因素較微弱，對(duì)應(yīng)輻射出的制動(dòng)噪聲強(qiáng)度較弱。

(3)中圓形和小圓形摩擦塊的摩擦弧長(zhǎng)都比較大，明顯高于大圓形摩擦塊的摩擦弧長(zhǎng)，這是造成制動(dòng)噪聲強(qiáng)度差異的另一個(gè)因素。