粉末冶金闸瓦主要制动参数的仿真计算研究(1)
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由本节分析来看，所建立的计算模型可以较好地对粉末冶金
闸瓦踏面制动过程进行仿真计算。
5 仿真计算分析摩擦体脱落面积达到 10%时对闸瓦制动性能的影响
转换系数，再除以车轮转动单圈摩擦力所做的功，得出的结果即是
本节对两个工况进行了仿真计算结果对比分析。两个工况均具
车轮在制动过程中转过的总圈数，即仿真计算后得出的制动距离。 有相同的初始制动速度、闸瓦摩擦系数及闸瓦压力，但两个工况的闸
中图分类号：TH789 文献标识码：A
1 引言
作为粉末冶金闸瓦主要制动性能参数的闸瓦摩擦系数偏差
范围（±0.04 或±0.03）和摩擦体的脱落面积（一般是不应大于摩擦 面积的 10%），是决定车体制动距离、防止车轮和闸瓦发生热损伤
＊来稿日期：2009-08-08 ＊基金项目：中国铁道科学研究院所基金项目（0752JH0201）
4.2.1 制动距离
在摩擦系数和制动压力一定时，车轮每制动一圈，摩擦力所 做的功是定值。则在固定摩擦力做功的情况下，车轮每制动一圈，减 少的车体动能也是一定的，也就可以推出用总的车体动能乘以动能
50 0 0 2.5 5 7.5 10 12.5 15 17.5 20 时间（s）
图 2 节点 2448 在计算时间内温度随时间变化曲线
制动性能的影响如何，尤其是对制动距离、车轮踏面最高温度的 据该节点动能变化和车体动能的总减少量，计算出车轮需转动
影响，只有在选择好具有相应摩擦系数的闸瓦或对 1：1 制动试验 170 圈后制动完毕。如表 1 所示，可计算出，实际车轮转动圈数为
机进行改造的情况下才能进行验证，这实现起来很困难。因此本 188.9 圈，两者制动距离相差 70m。仿真与试验结果出现偏差，主
文利用 Marc 有限元软件，采用热-机耦合方法，对粉末冶金闸瓦 要是由于仿真计算时选用固定的平均摩擦系数所导致的。
制动过程进行了仿真计算，并在此基础上，专门针对 M 型粉末冶
7000
金闸瓦在不同初始制动速度下的摩擦系数偏差范围和闸瓦摩擦
6000
车体动能（kJ）
体脱落限值对踏面制动过程的影响进行了仿真计算研究，为粉末 冶金闸瓦的性能研究提供了一个验证性方法。
2 Ramon L.R. Performance measurement of MEMS analysis system. Master of En－ gineering thesis，Massachusetts Institute of Technology，Cambridge，MA，1999
3 廖强，周忆，米林等. 机器视觉在精密测量中的应用.重庆大学学报（自然科 学版）［J］，2002，25（6）：1～4
第6期
机械设计与制造
2010 年 6 月
Machinery Design ＆ Manufacture
231
文章编号：1001-3997（2010）06-0231-03
粉末冶金闸瓦主要制动参数的仿真计算研究 *
姚伟伟 何 忠 （中国铁道科学研究院 金属及化学研究所，北京 100081）
Simulation research on key technology parameters of powder metallurgy brake shoes for locomotive
4 金翠云. MEMS 平面微运动测量的若干关键技术研究［D］：［博士学位论 文］. 天津：天津大学，2004
232
姚伟伟等：粉末冶金闸瓦主要制动参数的仿真计算研究
第6期
的重要参数[1]。这些值的确定是多年制动试验和理论分析的结果， 以看出制动开始后，车体动能呈迅速下降趋势，说明车轮转速在
那么要想知道处于限值的闸瓦摩擦系数和闸瓦脱落面积对闸瓦 快速减少。计算得出车体制动一圈车体动能减少约为 37.7kJ，根
YAO Wei-wei，HE Zhong （Metals and Chemistry Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China）
【摘 要】采用热-机耦合方法，利用 Marc 软件，在经过准确性验证的粉末冶金闸瓦踏面制动计算模 型上，专门针对粉末冶金闸瓦的主要制动参数摩擦体脱落面积和不同初始制动速度下闸瓦摩擦系数变化 偏差范围（±0.04 或±0.03）对制动试验结果的影响进行了验证性的仿真计算研究。仿真计算结果表明，闸瓦 摩擦体脱落 10%，车轮踏面最高温度增加 52℃，制动距离未发生明显变化；不同初始制动速度下闸瓦摩擦 系数变化偏差范围对车轮踏面的最高温度和制动距离影响较小，偏差范围设置合理。
图 1 制动过程中车体动能随制动时间的变化曲线
闸瓦踏面制动时，闸瓦在一定制动压力下压向高速旋转的车 4.2.2 车轮踏面温度变化曲线
轮，两者发生动态摩擦接触并产生摩擦热能，这些摩擦热能大部
如图 2 所示，整个制动过程中车轮 2448 号节点的温度变化
分通过摩擦面被车轮和闸瓦吸收，随着制动的进行，车轮各个界 曲线。由该曲线可以看出，车轮踏面温度随着制动的进行逐渐升
关键词：踏面制动；热-机耦合方法；摩擦系数；摩擦面积 【Abstract】On the simulation model whose validity is verified，enactments of the friction coefficient scope and friction area of the braking shoes are simulated and analyzed by using thermo-mechanical cou－ pling method and applying MARC software. The results show：the maximal temperature of the wheel and the brake distance aren’t influenced by the friction coefficient scope；when the friction area of the braking shoes is decreased 10% ，maximal tread temperature is increased 52℃ and the brake distance isn’t changed. The enactment of the friction coefficient scope and setting the requirement about friction area of the braking shoes is right. Key words：Tread braking；Thermo-mechanical coupling method；Friction coefficient；Friction area
4 仿真计算与 1：1 制动试验结果对比
4.1 1：1 制动试验
采用的 1：1 制动试验结果，如表 1 所示。为了便于进行仿真计 算与实际制动试验结果的对比分析，选用车轮初始速度 120km/ h，闸瓦压力 43KN，摩擦系数 0.21 的制动工况，进行仿真计算。
表 1 1：1 实际制动试验结果
动距离的 59%。这与试验人员根据长期的 1：1 制动试验经验总结 出的车轮踏面最高温度大概出现在整个制动时间的 1/3 处相符。同 时由表 1 可以大概计算出车轮转动到制动总时间的 1/3 时，车轮所 转动的距离大概占整个制动距离的 57%，仿真计算结果与制动试 验结果比较相符。如图 2 所示，车轮踏面最高温度为 240℃，与表 1 中车轮踏面最高温度 340℃相比相差 100℃，数值较大。这是因 为，在进行踏面制动仿真计算时，通过调整车轮踏面网格划分数 目和大小来使车轮和闸瓦尽可能全接触，仿真计算出来的踏面温 度相对来说也就比较平均，而实际制动时，由于多种原因的影响， 车轮和闸瓦的摩擦接触并不是很均匀，因此会出现一定偏差。
统采集的微结构图像，图像信号的能量主要集中在空间频率 0～2
的范围内，其中 π 为尼奎斯特频率。这种微结构图像信号能量和
空间频率的关系能够指导研究者更好地研究微结构的物理过程。
参考文献
1 Davis C.Q. Measuring nanometer，three-dimensional motions with light mi－ crscopy［D］. Ph.D thesis. Massachusetts Institute of Technology，Cambridge， MA，1997
4 结论
计算机微视觉是计算机视觉在微观领域的应用，是一种采用
计算机视觉和显微镜分析微结构运动等物理过程的工具。本文采
用 Blackman-Tukey 方法计算了两幅由微视觉系统采集的典型微
结构图像的功率谱密度。通过分析微结构图像的功率谱密度，给
出了其功率谱和空间频率之间的关系，即对于大多数由微视觉系
面开始对外进行对流和辐射换热。因此所构建模型的边界条件包 高，在 12.3s 时车轮踏面温度达到最高，最高温度为 240℃，接着
括初始环境温度和车轮初始制动速度的设置，车轮对空气的对流 车轮踏面温度在维持一段时间后缓慢降低，与实际车体制动车轮踏
换热和对环境的辐射换热系数的设置，车轮固定位移的设定，以 面温度变化相符。观察仿真计算结果发现 12.3s 这个时间点大概位
仿真计算得出的车体动能变化曲线，如图 1 所示。由该图可 瓦摩擦面积减少了 10%（用以模拟闸瓦摩擦体脱落面积为 10%）。
No.6
Jun.2010
机械设计与制造
233
5.1 制动距离对比分析
由两个工况车体制动距离仿真计算结果可知，在相同闸瓦压
力、摩擦系数和制动初始速度情况下，减少闸瓦摩擦面积基本没
及闸瓦压力的施加等[8、9]。
于整个制动时间的 35%处，在该时间点车轮转动 100 圈，占整个制
3 仿真计算模型
粉末冶金闸瓦踏面制动采用单侧闸瓦制动。为简化模型，减 少计算时间，假设车轮和车轴在原地转动，闸瓦以一定压力压向 车轮，闸瓦和车轮进行动态摩擦接触。在仿真计算时，可以利用 Marc 软件中的等效质量密度材料特性，把整个车体一半的动能等 效到车轴上，闸瓦对车轮与车轴的制动就相当于对车体的制动。
功率谱密度（dB）
80
60 40 20
0 -20
-40 -60 -80
4 2 0 -2
空间频率（rad/sample） -4
-2 0
2
4
-4 空间频率（rad/sample）
图 7 Blackman-Tukey 方法计算的微陀螺图像功率谱 100
50
0
-50
-100
-2
0
2
图 8 Blackman-Tukey 方法计算的微陀螺图像功率谱二维图
2 热—机耦合能量守恒方程边界条件
机车闸瓦踏面制动属于动态摩擦接触热—机耦合问题，仿真 计算时需按照热—机耦合场的求解方法，建立整体的动态摩擦机 构模型，同时处理热传导和力平衡两类方程[2-7]来进行求解。
5000
4000
3000
2000
1000 0 2.5 5 7.5 10 12.5 15 17.5 20 时间（s）
已有较高温度的车轮上再施加这个温度载荷，很容易使车轮踏面
温度超高，使其产生的热应力超过车轮材料的屈服强度，或使车
轮上的某些闪点超过车轮材料的熔点，造成车轮和闸瓦个别点的
热熔结，因此对闸瓦摩擦体脱落面积进行限定是非常正确的。
300 250 200
温度（℃）
初始速度（/ Kmh-）1 闸瓦压力/kN 平均摩擦系数 制动距离/m 最高温度/℃
150
120
43
0.21
741.9
340
100
4.2 工况仿真计算结果分析
制动距离和车轮踏面最高温度是粉末冶金闸瓦的两个主要 制动性能参数，下面主要就这两个参数进行仿真计算结果分析， 并与实际制动试验结果进百度文库对比，来验证仿真计算模型的准确性。
有改变制动距离大小，两工况的制动距离相差 11 米。
5.2 车轮踏面最高温度对比分析
由两个制动工况下车轮踏面最高温度仿真计算结果可知，在
相同闸瓦压力、摩擦系数和制动初始速度情况下，减少闸瓦摩擦
面积可使车轮踏面最高温度有较大升高。两工况的车轮踏面最高
温度差值为 52℃，这个数值相对来说可能较小，但在制动过程中
闸瓦踏面制动过程进行仿真计算。
5 仿真计算分析摩擦体脱落面积达到 10%时对闸瓦制动性能的影响
转换系数，再除以车轮转动单圈摩擦力所做的功，得出的结果即是
本节对两个工况进行了仿真计算结果对比分析。两个工况均具
车轮在制动过程中转过的总圈数，即仿真计算后得出的制动距离。 有相同的初始制动速度、闸瓦摩擦系数及闸瓦压力，但两个工况的闸
中图分类号：TH789 文献标识码：A
1 引言
作为粉末冶金闸瓦主要制动性能参数的闸瓦摩擦系数偏差
范围（±0.04 或±0.03）和摩擦体的脱落面积（一般是不应大于摩擦 面积的 10%），是决定车体制动距离、防止车轮和闸瓦发生热损伤
＊来稿日期：2009-08-08 ＊基金项目：中国铁道科学研究院所基金项目（0752JH0201）
4.2.1 制动距离
在摩擦系数和制动压力一定时，车轮每制动一圈，摩擦力所 做的功是定值。则在固定摩擦力做功的情况下，车轮每制动一圈，减 少的车体动能也是一定的，也就可以推出用总的车体动能乘以动能
50 0 0 2.5 5 7.5 10 12.5 15 17.5 20 时间（s）
图 2 节点 2448 在计算时间内温度随时间变化曲线
制动性能的影响如何，尤其是对制动距离、车轮踏面最高温度的 据该节点动能变化和车体动能的总减少量，计算出车轮需转动
影响，只有在选择好具有相应摩擦系数的闸瓦或对 1：1 制动试验 170 圈后制动完毕。如表 1 所示，可计算出，实际车轮转动圈数为
机进行改造的情况下才能进行验证，这实现起来很困难。因此本 188.9 圈，两者制动距离相差 70m。仿真与试验结果出现偏差，主
文利用 Marc 有限元软件，采用热-机耦合方法，对粉末冶金闸瓦 要是由于仿真计算时选用固定的平均摩擦系数所导致的。
制动过程进行了仿真计算，并在此基础上，专门针对 M 型粉末冶
7000
金闸瓦在不同初始制动速度下的摩擦系数偏差范围和闸瓦摩擦
6000
车体动能（kJ）
体脱落限值对踏面制动过程的影响进行了仿真计算研究，为粉末 冶金闸瓦的性能研究提供了一个验证性方法。
2 Ramon L.R. Performance measurement of MEMS analysis system. Master of En－ gineering thesis，Massachusetts Institute of Technology，Cambridge，MA，1999
3 廖强，周忆，米林等. 机器视觉在精密测量中的应用.重庆大学学报（自然科 学版）［J］，2002，25（6）：1～4
第6期
机械设计与制造
2010 年 6 月
Machinery Design ＆ Manufacture
231
文章编号：1001-3997（2010）06-0231-03
粉末冶金闸瓦主要制动参数的仿真计算研究 *
姚伟伟 何 忠 （中国铁道科学研究院 金属及化学研究所，北京 100081）
Simulation research on key technology parameters of powder metallurgy brake shoes for locomotive
4 金翠云. MEMS 平面微运动测量的若干关键技术研究［D］：［博士学位论 文］. 天津：天津大学，2004
232
姚伟伟等：粉末冶金闸瓦主要制动参数的仿真计算研究
第6期
的重要参数[1]。这些值的确定是多年制动试验和理论分析的结果， 以看出制动开始后，车体动能呈迅速下降趋势，说明车轮转速在
那么要想知道处于限值的闸瓦摩擦系数和闸瓦脱落面积对闸瓦 快速减少。计算得出车体制动一圈车体动能减少约为 37.7kJ，根
YAO Wei-wei，HE Zhong （Metals and Chemistry Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China）
【摘 要】采用热-机耦合方法，利用 Marc 软件，在经过准确性验证的粉末冶金闸瓦踏面制动计算模 型上，专门针对粉末冶金闸瓦的主要制动参数摩擦体脱落面积和不同初始制动速度下闸瓦摩擦系数变化 偏差范围（±0.04 或±0.03）对制动试验结果的影响进行了验证性的仿真计算研究。仿真计算结果表明，闸瓦 摩擦体脱落 10%，车轮踏面最高温度增加 52℃，制动距离未发生明显变化；不同初始制动速度下闸瓦摩擦 系数变化偏差范围对车轮踏面的最高温度和制动距离影响较小，偏差范围设置合理。
图 1 制动过程中车体动能随制动时间的变化曲线
闸瓦踏面制动时，闸瓦在一定制动压力下压向高速旋转的车 4.2.2 车轮踏面温度变化曲线
轮，两者发生动态摩擦接触并产生摩擦热能，这些摩擦热能大部
如图 2 所示，整个制动过程中车轮 2448 号节点的温度变化
分通过摩擦面被车轮和闸瓦吸收，随着制动的进行，车轮各个界 曲线。由该曲线可以看出，车轮踏面温度随着制动的进行逐渐升
关键词：踏面制动；热-机耦合方法；摩擦系数；摩擦面积 【Abstract】On the simulation model whose validity is verified，enactments of the friction coefficient scope and friction area of the braking shoes are simulated and analyzed by using thermo-mechanical cou－ pling method and applying MARC software. The results show：the maximal temperature of the wheel and the brake distance aren’t influenced by the friction coefficient scope；when the friction area of the braking shoes is decreased 10% ，maximal tread temperature is increased 52℃ and the brake distance isn’t changed. The enactment of the friction coefficient scope and setting the requirement about friction area of the braking shoes is right. Key words：Tread braking；Thermo-mechanical coupling method；Friction coefficient；Friction area
4 仿真计算与 1：1 制动试验结果对比
4.1 1：1 制动试验
采用的 1：1 制动试验结果，如表 1 所示。为了便于进行仿真计 算与实际制动试验结果的对比分析，选用车轮初始速度 120km/ h，闸瓦压力 43KN，摩擦系数 0.21 的制动工况，进行仿真计算。
表 1 1：1 实际制动试验结果
动距离的 59%。这与试验人员根据长期的 1：1 制动试验经验总结 出的车轮踏面最高温度大概出现在整个制动时间的 1/3 处相符。同 时由表 1 可以大概计算出车轮转动到制动总时间的 1/3 时，车轮所 转动的距离大概占整个制动距离的 57%，仿真计算结果与制动试 验结果比较相符。如图 2 所示，车轮踏面最高温度为 240℃，与表 1 中车轮踏面最高温度 340℃相比相差 100℃，数值较大。这是因 为，在进行踏面制动仿真计算时，通过调整车轮踏面网格划分数 目和大小来使车轮和闸瓦尽可能全接触，仿真计算出来的踏面温 度相对来说也就比较平均，而实际制动时，由于多种原因的影响， 车轮和闸瓦的摩擦接触并不是很均匀，因此会出现一定偏差。
统采集的微结构图像，图像信号的能量主要集中在空间频率 0～2
的范围内，其中 π 为尼奎斯特频率。这种微结构图像信号能量和
空间频率的关系能够指导研究者更好地研究微结构的物理过程。
参考文献
1 Davis C.Q. Measuring nanometer，three-dimensional motions with light mi－ crscopy［D］. Ph.D thesis. Massachusetts Institute of Technology，Cambridge， MA，1997
4 结论
计算机微视觉是计算机视觉在微观领域的应用，是一种采用
计算机视觉和显微镜分析微结构运动等物理过程的工具。本文采
用 Blackman-Tukey 方法计算了两幅由微视觉系统采集的典型微
结构图像的功率谱密度。通过分析微结构图像的功率谱密度，给
出了其功率谱和空间频率之间的关系，即对于大多数由微视觉系
面开始对外进行对流和辐射换热。因此所构建模型的边界条件包 高，在 12.3s 时车轮踏面温度达到最高，最高温度为 240℃，接着
括初始环境温度和车轮初始制动速度的设置，车轮对空气的对流 车轮踏面温度在维持一段时间后缓慢降低，与实际车体制动车轮踏
换热和对环境的辐射换热系数的设置，车轮固定位移的设定，以 面温度变化相符。观察仿真计算结果发现 12.3s 这个时间点大概位
仿真计算得出的车体动能变化曲线，如图 1 所示。由该图可 瓦摩擦面积减少了 10%（用以模拟闸瓦摩擦体脱落面积为 10%）。
No.6
Jun.2010
机械设计与制造
233
5.1 制动距离对比分析
由两个工况车体制动距离仿真计算结果可知，在相同闸瓦压
力、摩擦系数和制动初始速度情况下，减少闸瓦摩擦面积基本没
及闸瓦压力的施加等[8、9]。
于整个制动时间的 35%处，在该时间点车轮转动 100 圈，占整个制
3 仿真计算模型
粉末冶金闸瓦踏面制动采用单侧闸瓦制动。为简化模型，减 少计算时间，假设车轮和车轴在原地转动，闸瓦以一定压力压向 车轮，闸瓦和车轮进行动态摩擦接触。在仿真计算时，可以利用 Marc 软件中的等效质量密度材料特性，把整个车体一半的动能等 效到车轴上，闸瓦对车轮与车轴的制动就相当于对车体的制动。
功率谱密度（dB）
80
60 40 20
0 -20
-40 -60 -80
4 2 0 -2
空间频率（rad/sample） -4
-2 0
2
4
-4 空间频率（rad/sample）
图 7 Blackman-Tukey 方法计算的微陀螺图像功率谱 100
50
0
-50
-100
-2
0
2
图 8 Blackman-Tukey 方法计算的微陀螺图像功率谱二维图
2 热—机耦合能量守恒方程边界条件
机车闸瓦踏面制动属于动态摩擦接触热—机耦合问题，仿真 计算时需按照热—机耦合场的求解方法，建立整体的动态摩擦机 构模型，同时处理热传导和力平衡两类方程[2-7]来进行求解。
5000
4000
3000
2000
1000 0 2.5 5 7.5 10 12.5 15 17.5 20 时间（s）
已有较高温度的车轮上再施加这个温度载荷，很容易使车轮踏面
温度超高，使其产生的热应力超过车轮材料的屈服强度，或使车
轮上的某些闪点超过车轮材料的熔点，造成车轮和闸瓦个别点的
热熔结，因此对闸瓦摩擦体脱落面积进行限定是非常正确的。
300 250 200
温度（℃）
初始速度（/ Kmh-）1 闸瓦压力/kN 平均摩擦系数 制动距离/m 最高温度/℃
150
120
43
0.21
741.9
340
100
4.2 工况仿真计算结果分析
制动距离和车轮踏面最高温度是粉末冶金闸瓦的两个主要 制动性能参数，下面主要就这两个参数进行仿真计算结果分析， 并与实际制动试验结果进百度文库对比，来验证仿真计算模型的准确性。
有改变制动距离大小，两工况的制动距离相差 11 米。
5.2 车轮踏面最高温度对比分析
由两个制动工况下车轮踏面最高温度仿真计算结果可知，在
相同闸瓦压力、摩擦系数和制动初始速度情况下，减少闸瓦摩擦
面积可使车轮踏面最高温度有较大升高。两工况的车轮踏面最高
温度差值为 52℃，这个数值相对来说可能较小，但在制动过程中