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摘要：采集磨耗踏面数据，研究踏面磨耗规律及其对车辆动力学性能的影响是一项具有重要意义的工作。本文以采集的车辆磨耗踏面数据为基础，基于多体动力学软件SIMPACK建立精确的车辆动力学模型，进行磨耗车辆动力学仿真分析，重点研究车轮踏面磨耗对车辆系统的运行稳定性及平稳性的影响。
关键词：车辆踏面；机械摩擦；闸瓦制动
引言
轮轨几何接触是解释车辆运行动力学性能的基础，随着运营里程的增加及踏面不断磨耗，磨耗轮与轨道的几何接触与新轮状态有着较大差异。当闸瓦与车轮踏面进行相对运动时，其所接触的表面就会产生摩擦阻力，而利用此阻力来调节相对摩擦副在进行相对运动时的速度或者是停止运动，最终达到制动的目的便是列车摩擦制动的工作原理。因此制动器的制动性能及其可靠性和使用期是由摩擦副的摩擦特性而决定的。
一、摩擦制动分析
列车制动是一种十分复杂的动态摩擦过程。在这个过程中，随着时间的变化摩擦制动系统的每个因素都会发生不同的变化，系统的各种条件也由各种既相依存又相作用的因素而影响。比如，随着摩擦表面的温度和周围环境的变化，摩擦材料的表层会发生一些变化，而这些变化则决定摩擦副的使用期和制动效率。也就是说，在摩擦制动过程中，不仅有摩擦学的变化产生还有互相影响的其它变化产生。系统依赖性和时变性是摩擦制动系统的两大特性。
目前，对系统的摩擦学特性的影响有了较深的研究，并且取得了显著的成果。可是，单单通过磨粒磨损和粘着磨损来解释制动摩擦中的摩擦学现象是不全面的。因为在制动摩擦过程中，摩擦界面上的物质运动、摩擦材料的结构及变化等摩擦学现象，我们无法通过粘着的磨粒磨损理论来得到解答或者作出合理的解释。针对合成闸瓦——钢轮摩擦副，因其合成闸瓦的力学和热物理性能与钢轮之间有着很大的不同，并且具有一定的粘弹性，因此摩擦热则会引起合成闸瓦中有机物间的合成物进行热分解、热交联、热氧化等诸多的化学变化。而温度场则影响这些化学变化的发生。一般情况下，所发生的化学变化主要是：在800～1000K之间，树脂就会发生碳化，释放出CO，CO2，H2，CH4等混合气体；在600～700K之间，树脂会分解成苯、甲苯、酚、甲酚等物质，当这些物质之间发生氧化则会释放出H2；500K以下时，有机物在存缩聚时所产生的吸附水会被蒸发出来，如此一来过剩的酚、甲酚以及其它物质就会游离出来。
在摩擦制动过程中，由于会发生一些物理和化学的变化，而这些变化的发生则会造成两个接触界面间生成一种不同于两摩擦元件基体材质的多种组分和结构组成的一种较为复杂的界面膜，一般而言，主要有以下几种：
（1）氧化膜。受高温的影响，在金属摩擦表面所形成的界面膜。其具有强度低、硬而脆的特点，通常在摩擦力的作用下，很容易破裂或者是开裂，从金属表面剥离便可形成磨粒。
（2）润滑膜。受高温的影响，合成闸瓦中的有机物就会发生热分解产生液态物，在界面会形成一种润滑膜。这种膜有利于减少制动副的磨损，但同时也会影响制动的可靠性，使其的摩擦系数不断下降，制动性能越来越差。另外，它也是影响热衰退的重要因素。
（3）气垫膜。在摩擦面温度高于500K时，就会在摩擦面的局部形成一种气垫膜。受高温的影响，加之切向摩擦力的作用，接触界面的表层的塑性变形，微凸体凹处气体被包覆，如此一来，如果受到反复的制动作用，那么其表层的承受循环应力就会下降，表面膜的破裂和磨粒的剥离也会因此而加速。
（4）转移膜。在合成闸与车轮踏面进行摩擦的过程中，有机摩擦材料与制动盘表面之间就会发生材料转移，并且在转移的过程中形成一种转移膜。
（5）金属化层。在摩擦制运过程中，当车轮踏面表面的氧化膜发生破裂后，其碎片或磨粒会聚集在衬片表面。一旦其温度场达到一定的所需温度，那么这些有机物衬片就会发生热分解，产生H2，CO形成原气氛，聚积物被还原成铁，如此一来，闸瓦的表面上便会形成一种含铁量较高的层片结构的金属化层。金属化层会在切向应力大于金属化层的剪切强度时发生断裂和破裂。
二、动力学仿真计算
选用运行于某典型线路上的某辆车的车轮在第一个镟修周期内的踏面磨耗数据（里程节点分别选为6万公里、12万公里、15万公里、20万公里），建立精确的车辆动力学系统非线形数学模型，研究踏面磨耗对车辆系统的蛇形运动稳定性、运行平稳性的影响。利用SIMPACK软件建立车辆动力学仿真模型。
轮轨接触几何参数是轮对横移量的非线性函数，包括车轮滚动半径、车轮横断面曲率半径、接触角、轮对侧滚角、轨头横断面曲率半径等。由于车轮和钢轨可以具有任意外形，轮轨接触几何参数很难直接表示为轮对横移量的显函数形式，因此，轮轨接触几何参数可表示为轮对横移量的数据表，而中间值则采用线性插值的方法来计算。新轮及磨耗轮踏面接触几何参数均采用SIMPACK软件进行计算。
2.1稳定性计算及分析方法
将不同里程下的磨耗踏面采集数据输入到车辆模型中，研究踏面磨耗对蛇形稳定性能的影响。根据Hopf极限环分叉原理，研究车辆系统的临界速度，确定如下稳定性分析方法：给定一较大的初始激扰状态，在无轨道激励条件下，通过测试系统的振动能否衰减到平衡位置来判断系统是否出现蛇行失稳。若在某一车速下系统的振动不再收敛到平衡位置，认为此时的车速值为系统的非线形临界速度；同样，给定一较小的激扰，重复上述过程，认为车辆失稳时的速度为实际临界速度。以该辆车1到4位轮对的横移量作为输出对象，临界速度选择4条轮对的最低临界速度；在非临界速度运行时，选择4条轮对最大的横移量作为车辆的横移量。
2.2半稳性计算
计算车辆的平稳性的初始条件为：轨道形式为直轨道，轨道激励为在横向、垂向上加载与运营线路相似的轨道谱。在不同速度等級情况下计算车辆的横向、垂向平稳性指标。Sperling平稳性指标的计算方法，依照《GB 5599 85铁道车辆动力学性能评定和试验鉴定规范》执行。
磨耗踏面车辆的横向平稳性比新轮差。在该线路下该车辆磨耗踏面中，6万公里后的车辆稳定性能最好，12万公里的平稳性最差，15万公里与20万公里后车辆的横向平稳性接近；踏面磨耗对车辆的垂向平稳性的影响不大。
结语
自铁路出现在人们的生活当中，闸瓦制动便被人们开始广泛的运用，同时也为人们的生活带来了很大的便利。瓦状制动块一般是用铸铁或者是其他材料（现常用有机合成材料）制成，而闸瓦在车轮踏面上进行紧压滚动时会因机械摩擦而使列车产生动能，然后再通过动能转变为热能，消散丁大气，并且产生制动力。
参考文献：
[1]R hee S K.The Role of Friction Film in Friction，Wear and Noise of Automative Brakes，SAE section 1990：l～8.
[2]周胡丽.火车刹车片测试系统的研究.《武汉理工大学学报》[J].2007.5.
[3]马大炜.我田货车制动系统存在的问题及展望.《铁道车辆》[J].2003，4l（4）：（7-9）.
关键词：车辆踏面；机械摩擦；闸瓦制动
引言
轮轨几何接触是解释车辆运行动力学性能的基础，随着运营里程的增加及踏面不断磨耗，磨耗轮与轨道的几何接触与新轮状态有着较大差异。当闸瓦与车轮踏面进行相对运动时，其所接触的表面就会产生摩擦阻力，而利用此阻力来调节相对摩擦副在进行相对运动时的速度或者是停止运动，最终达到制动的目的便是列车摩擦制动的工作原理。因此制动器的制动性能及其可靠性和使用期是由摩擦副的摩擦特性而决定的。
一、摩擦制动分析
列车制动是一种十分复杂的动态摩擦过程。在这个过程中，随着时间的变化摩擦制动系统的每个因素都会发生不同的变化，系统的各种条件也由各种既相依存又相作用的因素而影响。比如，随着摩擦表面的温度和周围环境的变化，摩擦材料的表层会发生一些变化，而这些变化则决定摩擦副的使用期和制动效率。也就是说，在摩擦制动过程中，不仅有摩擦学的变化产生还有互相影响的其它变化产生。系统依赖性和时变性是摩擦制动系统的两大特性。
目前，对系统的摩擦学特性的影响有了较深的研究，并且取得了显著的成果。可是，单单通过磨粒磨损和粘着磨损来解释制动摩擦中的摩擦学现象是不全面的。因为在制动摩擦过程中，摩擦界面上的物质运动、摩擦材料的结构及变化等摩擦学现象，我们无法通过粘着的磨粒磨损理论来得到解答或者作出合理的解释。针对合成闸瓦——钢轮摩擦副，因其合成闸瓦的力学和热物理性能与钢轮之间有着很大的不同，并且具有一定的粘弹性，因此摩擦热则会引起合成闸瓦中有机物间的合成物进行热分解、热交联、热氧化等诸多的化学变化。而温度场则影响这些化学变化的发生。一般情况下，所发生的化学变化主要是：在800～1000K之间，树脂就会发生碳化，释放出CO，CO2，H2，CH4等混合气体；在600～700K之间，树脂会分解成苯、甲苯、酚、甲酚等物质，当这些物质之间发生氧化则会释放出H2；500K以下时，有机物在存缩聚时所产生的吸附水会被蒸发出来，如此一来过剩的酚、甲酚以及其它物质就会游离出来。
在摩擦制动过程中，由于会发生一些物理和化学的变化，而这些变化的发生则会造成两个接触界面间生成一种不同于两摩擦元件基体材质的多种组分和结构组成的一种较为复杂的界面膜，一般而言，主要有以下几种：
（1）氧化膜。受高温的影响，在金属摩擦表面所形成的界面膜。其具有强度低、硬而脆的特点，通常在摩擦力的作用下，很容易破裂或者是开裂，从金属表面剥离便可形成磨粒。
（2）润滑膜。受高温的影响，合成闸瓦中的有机物就会发生热分解产生液态物，在界面会形成一种润滑膜。这种膜有利于减少制动副的磨损，但同时也会影响制动的可靠性，使其的摩擦系数不断下降，制动性能越来越差。另外，它也是影响热衰退的重要因素。
（3）气垫膜。在摩擦面温度高于500K时，就会在摩擦面的局部形成一种气垫膜。受高温的影响，加之切向摩擦力的作用，接触界面的表层的塑性变形，微凸体凹处气体被包覆，如此一来，如果受到反复的制动作用，那么其表层的承受循环应力就会下降，表面膜的破裂和磨粒的剥离也会因此而加速。
（4）转移膜。在合成闸与车轮踏面进行摩擦的过程中，有机摩擦材料与制动盘表面之间就会发生材料转移，并且在转移的过程中形成一种转移膜。
（5）金属化层。在摩擦制运过程中，当车轮踏面表面的氧化膜发生破裂后，其碎片或磨粒会聚集在衬片表面。一旦其温度场达到一定的所需温度，那么这些有机物衬片就会发生热分解，产生H2，CO形成原气氛，聚积物被还原成铁，如此一来，闸瓦的表面上便会形成一种含铁量较高的层片结构的金属化层。金属化层会在切向应力大于金属化层的剪切强度时发生断裂和破裂。
二、动力学仿真计算
选用运行于某典型线路上的某辆车的车轮在第一个镟修周期内的踏面磨耗数据（里程节点分别选为6万公里、12万公里、15万公里、20万公里），建立精确的车辆动力学系统非线形数学模型，研究踏面磨耗对车辆系统的蛇形运动稳定性、运行平稳性的影响。利用SIMPACK软件建立车辆动力学仿真模型。
轮轨接触几何参数是轮对横移量的非线性函数，包括车轮滚动半径、车轮横断面曲率半径、接触角、轮对侧滚角、轨头横断面曲率半径等。由于车轮和钢轨可以具有任意外形，轮轨接触几何参数很难直接表示为轮对横移量的显函数形式，因此，轮轨接触几何参数可表示为轮对横移量的数据表，而中间值则采用线性插值的方法来计算。新轮及磨耗轮踏面接触几何参数均采用SIMPACK软件进行计算。
2.1稳定性计算及分析方法
将不同里程下的磨耗踏面采集数据输入到车辆模型中，研究踏面磨耗对蛇形稳定性能的影响。根据Hopf极限环分叉原理，研究车辆系统的临界速度，确定如下稳定性分析方法：给定一较大的初始激扰状态，在无轨道激励条件下，通过测试系统的振动能否衰减到平衡位置来判断系统是否出现蛇行失稳。若在某一车速下系统的振动不再收敛到平衡位置，认为此时的车速值为系统的非线形临界速度；同样，给定一较小的激扰，重复上述过程，认为车辆失稳时的速度为实际临界速度。以该辆车1到4位轮对的横移量作为输出对象，临界速度选择4条轮对的最低临界速度；在非临界速度运行时，选择4条轮对最大的横移量作为车辆的横移量。
2.2半稳性计算
计算车辆的平稳性的初始条件为：轨道形式为直轨道，轨道激励为在横向、垂向上加载与运营线路相似的轨道谱。在不同速度等級情况下计算车辆的横向、垂向平稳性指标。Sperling平稳性指标的计算方法，依照《GB 5599 85铁道车辆动力学性能评定和试验鉴定规范》执行。
磨耗踏面车辆的横向平稳性比新轮差。在该线路下该车辆磨耗踏面中，6万公里后的车辆稳定性能最好，12万公里的平稳性最差，15万公里与20万公里后车辆的横向平稳性接近；踏面磨耗对车辆的垂向平稳性的影响不大。
结语
自铁路出现在人们的生活当中，闸瓦制动便被人们开始广泛的运用，同时也为人们的生活带来了很大的便利。瓦状制动块一般是用铸铁或者是其他材料（现常用有机合成材料）制成，而闸瓦在车轮踏面上进行紧压滚动时会因机械摩擦而使列车产生动能，然后再通过动能转变为热能，消散丁大气，并且产生制动力。
参考文献：
[1]R hee S K.The Role of Friction Film in Friction，Wear and Noise of Automative Brakes，SAE section 1990：l～8.
[2]周胡丽.火车刹车片测试系统的研究.《武汉理工大学学报》[J].2007.5.
[3]马大炜.我田货车制动系统存在的问题及展望.《铁道车辆》[J].2003，4l（4）：（7-9）.