铁路货车高摩擦系数合成闸瓦评价体系研究
发表时间：2014-11-02 12:20 作者：admin 来源：未知 浏览：
中国铁路货运以重载高速为发展方向。货车时速达到80公里,轴重从21吨提高至23吨,在部分运煤专线,轴重达到25吨。作为制动系统的关键部件,高摩擦系数合成闸瓦的性能与行车安全密切相关。科学评价高摩擦系数合成闸瓦的性能尤为重要。 本文主要由四部分组成,分别为：合成闸瓦使用现状调查；合成闸瓦力学性能研究；合成闸瓦摩擦学性能研究；合成闸瓦老化性能研究。 研究从合成闸瓦的使用现状调查入手,对合成闸瓦在使用过程中出现的各种问题进行了大量、广泛、深入的收集研究,并对数据加以统计分析。通过调研与统计分析,基本摸清了合成闸瓦的使用状况。最终把闸瓦出现的问题确定为四类：摩擦体破损；瓦体变形；偏磨；金属镶嵌。其中摩擦体破损主要为掉渣、掉块两种情况,破损率达到25.91%；瓦体变形率为3.59%；偏磨率为20.29%；金属镶嵌率为42.24%。 力学性能研究部分主要内容为：把在调研中收集到的16家合成闸瓦制作成标准试块,测试了其各项力学性能,包括冲击强度、压缩强度、压缩模量、粘接强度、洛氏硬度,并研究了力学性能从室温到300℃的变化规律。在此基础上,用有限元法分析了闸瓦摩擦体部分的应力分布情况,并推断闸瓦瓦体破损过程为变形——裂纹——梅花孔松脱——瓦体瓦背脱离。然后用等级相关法判断了冲击强度与闸瓦破损的关联性,发现在95%显著水平上冲击强度与闸瓦破损呈现显著相关。进而讨论了闸瓦破损情况随冲击强度变化的规律,结果表明将冲击强度下限提高至3kJ/m2有望使闸瓦破损率降低至30%以下。最后从闸瓦的纵向受力分析以及某一典型闸瓦的使用情况入手,分析了压缩强度和弹性模量的指标设定,认为压缩强度下限可降低至20MPa,而对于原来未设限的压缩弹性模量,其下限应加以限定。 摩擦性能研究部分的主要内容包括三方面：合成闸瓦摩擦性能测试方法的比较；影响摩擦性能的各项因素分析；合成闸瓦金属镶嵌情况研究。在测试方法比较部分,以16家闸瓦试样为测试样本,比较了销盘试验机、定速实验试验机、惯性制动试验机的测试结果的关联性,以及它们与现场使用情况的联系。结果表明：销盘试验机与定速试验机的测试结果关联性较好,并且与现场使用情况契合较好；而惯性实验结果与前两者的关联性较差,与现场使用情况契合度不高。因而建议推广销盘试验方式在合成闸瓦性能评价领域的使用。在摩擦性能影响因素分析部分,以销盘试验机测试结果为依据,采用聚类对比分析的方法,对在销盘测试中结果较好的a类试样和结果较差的c类试样分别使用热分析仪、表面轮廓测试仪、扫描电子显微镜、能谱仪研究了类别之间热失重温度特点、对偶表面轮廓特征、表面形貌、表面元素含量,寻找具有统计意义、代表性强的影响因素。结果表明摩擦性能稳定的材料具有如下的特点：初始热分解温度较高,平均达到318℃；摩擦对偶的粗糙度较低,平均为N4级；疲劳磨损为主要磨损方式,鲜见磨粒磨损和黏着磨损；摩擦界面层成分以铁、氧、碳三种元素为主,其中铁氧元素的原子比例接近3：4、碳元素含量为10%左右。而摩擦性能不稳的材料特点为：初始热分解温度较低,平均达到281.1℃；摩擦对偶的粗糙度较高,平均为N5至N6级；可观测到明显的磨粒磨损和黏着磨损状态；界面层中碳元素含量远高于10%,铁氧元素比例失调,铁的价态远离稳定价态。在合成闸瓦金属镶嵌研究部分,同样采用聚类分析方式,根据调研结果,分别把三种金属镶嵌最严重和三种最不严重的闸瓦归为两类,结合小盘实验测试结果,分析两类闸瓦中各种指标的差异,发现两类闸瓦在对偶表面轮廓微观平均高度Rpm和闸瓦洛氏硬度HRR两项指标上有明显的类别性差异。进而通过等级相关检测法证明了上述两项指标与金属镶嵌率在95%显著水平上存在关联性。通过散点图发现Rpm和HRR分别与闸瓦金属镶嵌率呈现近似的线性关系。因此,采用二元线性回归方程建立了合成闸瓦金属镶嵌率预测模型：P=0.029423+0.050717Rpm-0.00301HRR。参数均通过了90%显著性检验,模型的修正自由度系数达0.8471。此模型可以较好的预测合成闸瓦金属镶嵌情况。 文中最后一部分研究了合成闸瓦在热氧老化过程中各项性能的变化情况。分别以典型的酚醛树脂和丁腈橡胶体系为基础制作了两类试样,测试了老化过程中力学性能和摩擦性能的变化,并推导了老化速率动力学方程。结果表明：以酚醛树脂为基体的闸瓦性能衰减幅度小于丁腈橡胶；以丁腈橡胶为基体的闸瓦冲击性能和粘接性能衰减方式可用Boltzmann函数精确拟合,可决系数分别为0.9915和0.9975；动力学分析说明老化速率与氧含量的1/2次方成正比,与丁腈橡胶活性链段含量的3/2次方成正比。 本文的主要创新点为： 1)首次提出合成闸瓦破损方式,并对其主要影响因素加以分析。 2)首次提出合成闸瓦金属镶嵌情况与对偶表面轮廓微观平均高度呈显著正相关,与闸瓦表面硬度呈显著负相关。并依此建立了预测合成闸瓦金属镶嵌率的模型。模型的修正自由度系数达到0.8471。 3)首次研究了老化过程对热固性树脂和丁腈橡胶两种典型合成闸瓦粘结剂体系的影响,并推导动力学方程,讨论了老化速率的影响因素。 此项研究可为进一步完善合成闸瓦评价体系提供有益的参考。
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