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作者：罗勇中南大学

学位级别：硕士

铜基(Cu-base)闸片在配对碳陶(C/C-SiC)的高速制动过程存在热衰退和磨损率过高的问题。通过耐高温、高强度的碳化硼(BC)来提高Cu-base闸片的高温承载能力;再通过添加碳纳米管(CNT)进一步降低Cu-base闸片的重量和磨损率。采用粉末冶金方... 详细信息

铜基(Cu-base)闸片在配对碳陶(C/C-SiC)的高速制动过程存在热衰退和磨损率过高的问题。通过耐高温、高强度的碳化硼(BC)来提高Cu-base闸片的高温承载能力;再通过添加碳纳米管(CNT)进一步降低Cu-base闸片的重量和磨损率。采用粉末冶金方法分别制备了BC改性Cu-base闸片以及CNT改性Cu-base闸片;并分别分析BC含量及CNT含量对Cu-base闸片的物理性能和制动性能的影响。主要研究内容和结果如下:(1)研究了BC含量对Cu-base闸片微观结构与物理性能的影响。随BC含量增加,BC颗粒团聚现象越明显,并阻碍烧结颈的形成以及削弱各组元之间的键力作用;Cu-base闸片的密度从5.27 g/cm逐渐降低到4.39 g/cm,而Cu-base闸片硬度首先从21.57 HB增加到50.36 HB,然后降低到48.63 HB。在室温下,当BC含量为6 wt.%,Cu-based闸片材料的硬度为48.63 HB,密度为4.39 g/cm,开孔率为15.93%,比热容为0.510 J·g·K,导热系数为12.923 W·m·K,热扩散系数为5.144 mm/s。(2)研究了BC含量对Cu-base闸片摩擦膜的形成机制及对制动性能的影响。在6000 r/min循环制动过程,BC的表面和界面会产生液态BO会转移到相邻Cu和Fe表面,以填补颗粒破碎留下的空隙并修复磨损表面,形成完整致密的摩擦膜。这可以显著改善Cu-base闸片的热衰退现象。随着BC含量的增加,Cu-based闸片的磨损率从0.137 cm/MJ降低到0.08 cm/MJ;当BC含量超过4 wt.%,Cu-based闸片的磨损机制从分层磨损转变为氧化磨损。(3)研究了CNT含量对Cu-base闸片微观结构与物理性能的影响。随着CNT含量增加,烧结过程形成的“过渡层(内层为Fe,次外层为Cu和Fe的混合物,最外层为CNT)”的数量增加。Cu-base闸片的密度从4.78 g/cm逐渐降低到4.02 g/cm;而Cu-base闸片硬度首先从34.95 HB下降到12.86 HB,然后增加到27.93 HB;Cu-base闸片的抗压强度从122.6 MPa先下降到48.4 MPa,再上升98.7 MPa。(4)研究了CNT含量对Cu-base闸片制动性能的影响。在6000r/min循环制动过程,0.025～0.075 wt.%CNT改性Cu-base闸片表面的CNT较软且极易氧化留下凹坑,有利于磨屑的填充。烧结过程形成的“过渡层”具有较强耐磨性,使得Cu-base闸片的磨损率随着CNT增加从0.05 cm/MJ降低0.04 cm/MJ。但当CNT为0.100 wt.%时,“过渡层”最外层的CNT对Cu基体的割裂增强,等同于天然的裂纹。在制动过程中“过渡层”整块脱落导致Cu-base闸片的磨损率增加到0.09 cm/MJ。随着CNT含量的增加,Cu-base闸片的磨损机制由分层磨损转变为磨粒磨损再转变为分层磨损。图65幅,表21个,参考文献155篇

关键词： B4C 铜基闸片碳陶制动性能

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铁路客车铜基粉末冶金闸片摩擦性能及寿命预测研究

铁路客车铜基粉末冶金闸片摩擦性能及寿命预测研究

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作者：陈佳伟青岛理工大学

学位级别：硕士

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... 详细信息

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。

关键词：铜基闸片摩擦性能摩损率预测摩擦热寿命预测样本扩充

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铜基粉末冶金摩擦材料粘接层失效机理研究

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铁道机车车辆 2023年第6期43卷 111-116页

作者：贾潞中国铁路北京局集团有限公司北京100860

因摩擦材料粘接面失效导致的摩擦体脱落现象给铁路客运安全带来隐患。文中采用摩擦块厚度分别为21、15、9 mm的燕尾型铜基闸片进行1∶1制动动力试验,研究了不同磨耗状态的闸片制动时摩擦块粘接层温度和温升的特点,及其与粘接层形貌和强... 详细信息

因摩擦材料粘接面失效导致的摩擦体脱落现象给铁路客运安全带来隐患。文中采用摩擦块厚度分别为21、15、9 mm的燕尾型铜基闸片进行1∶1制动动力试验,研究了不同磨耗状态的闸片制动时摩擦块粘接层温度和温升的特点,及其与粘接层形貌和强度的关系。结果表明,摩擦块在制动时承受反复高温载荷作用,粘接面附近在热应力作用下产生疲劳裂纹,降低了粘接面的剪切强度。摩擦块厚度越薄,制动时粘接面的温度越高且温升越快,加速了疲劳裂纹的产生,更容易发生摩擦体脱落。

关键词：铜基闸片温度粘接层制动

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