铁路客车铜基粉末冶金闸片摩擦性能及寿命预测研究

作     者：陈佳伟 

作者单位：青岛理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：于春雨;王震宁

授予年度：2023年

学科分类：08[工学] 082304[工学-载运工具运用工程] 080204[工学-车辆工程] 0802[工学-机械工程] 0823[工学-交通运输工程] 

主      题：铜基闸片 摩擦性能 摩损率预测 摩擦热 寿命预测 样本扩充 

摘      要：铜基粉末冶金闸片作为铁路客车制动系统中的重要部件,在列车制动中起着关键作用。在我国《“十四五铁路发展规划》中,对高速列车提速做出了进一步规划,这对列车制动系统的要求也越来越高。然而,对于铜基粉末冶金闸片的研究,尚存在摩擦性能研究不充分、磨损率及使用寿命难以预测等问题。针对上述问题,本文利用1:1制动试验台,对铜基粉末冶金闸片进行了多因素耦合制动试验,结合扫描电镜能谱仪,对其摩擦性能及磨损表面进行了研究;提出ASO-BP算法用以对闸片磨损率预测;利用SMOTE算法对闸片磨损率数据进行扩充,通过威布尔分布对闸片寿命进行预测。具体如下:(1)针对高速列车用铜基粉末冶金闸片工作环境复杂多变、摩擦性能变化研究不够充分的问题,研究了多因素耦合作用的闸片摩擦性能变化趋势。以铜基粉末冶金闸片为研究对象,探讨了多因素耦合制动条件下摩擦系数、摩擦温度、制动距离、磨损率的变化,并利用电镜扫描能谱仪分析其表面变化机理。结果表明:制动速度和制动压力是影响铜基粉末冶金闸片制动性能的主要因素,不同制动工况下铜基粉末冶金闸片的平均摩擦系数在0.35～0.45之间变化,闸片的最高温度、制动距离、制动时间和磨损率分别为473℃、3506m、138s和0.14cm/MJ。(2)针对列车制动过程中,铜基闸片表面温度难以获得问题,基于有限元方法,分析了铜基粉末冶金闸片的摩擦热。利用三维建模软件对铜基粉末冶金闸片及制动盘进行建模,并将模型导入有限元软件进行网格划分及载荷施加,然后进行数值分析,得到其摩擦热云图。分析发现,铜基粉末冶金闸片的表面温度,随着时间先增后减;铜基粉末冶金闸片摩擦块的径向温度传导均匀减小;铜基闸片表面最高温度在34s达到;相较于制动试验,其表面温度变化趋势相同,但最大温度值有一定差距。(3)针对铜基粉末冶金闸片的磨损率难以预测的问题,提出了基于ASO-BP神经网络的铜基粉末冶金闸片磨损率预测方法。ASO-BP预测铜基粉末冶金闸片磨损率的基本原理是利用原子搜索算法优化BP神经网络的权值和阈值,然后对磨损率进行预测。结果表明,基于ASO-BP神经网络对铜基粉末冶金闸片磨损率预测准确度可达97.3%。(4)针对铜基闸片磨耗数据样本较小,以及在服役过程中的使用寿命难以预测等问题,结合SMOTE算法和三参威布尔分布对闸片使用寿命进行预测。首先,利用SMOTE算法对制动试验所得数据样本进行扩充;其次,计算出基于三参数威布尔分布的铜基粉末冶金闸片使用寿命模型的参数;最后,对铜基粉末冶金闸片使用寿命预测,为列车铜基闸片的更换周期提供参考。