列车制动时,制动摩擦界面不稳定振动所产生的制动尖叫噪声造成了严重的环境污染,并影响乘客乘坐列车的舒适性和体验感,成为制约高速列车继续推广发展的重要因素。而随着列车运行速度的不断提高,制动盘与制动闸片之间的接触界面处于更强摩擦、更高热负荷的开放式环境工况下,这对制动闸片的低噪声要求和摩擦学性能要求提出了更严苛的挑战。目前,大多数研究者尝试通过对制动摩擦材料的成分及其比例进行调控以达到改善制动性能的目的,他们重点考虑的是制动闸片材料特性对制动噪声和界面磨损行为的影响,而忽略了制动闸片自身结构的复杂性及摩擦块不同界面特征的影响。高速列车制动闸片通常是由多个摩擦块组成的,而摩擦块的形状、结构及其排布方式等界面特征不仅影响了摩擦界面的接触特性,还会对界面接触力、磨屑的产生、摩擦热分布等方面产生影响,这些因素的变化都会对制动噪声特性和磨损行为产生重要的作用。因此,本研究从界面摩擦学的角度出发,基于高速列车制动摩擦噪声缩比试验台,系统研究了摩擦块的形状、摩擦切入端特征、开孔结构对制动界面噪声特性及磨损行为的影响机制,开展的主要工作和结论如下:(1)采用实际的高速列车制动闸片和制动盘材料加工成的样品作为对磨副进行了一系列的制动尖叫试验,并结合声压分析、振动幅值分析,频谱分析等信号处理手段,系统深入研究制动参数对制动系统尖叫噪声特性的影响,并探讨了其影响机理。结果表明制动参数对系统振动噪声的产生及演变等特性具有重要影响,相应的尖叫频率成分在不同的制动参数下也呈现出较大的差异。转速在一定的范围内的增高,其噪声发生的概率及噪声声压级都有增加的趋势。然而在一个特定压力下,无论制动盘转速如何,制动系统均呈现最不稳定的状态。此外,制动压力的改变会导致制动盘与制动片之间的接触位置发生变化,这应该是不同制动压力下尖叫噪声频率特性存在巨大差异的重要因素之一。(2)研究在干态、湿态两种摩擦接触环境中,摩擦块的界面形状对列车制动尖叫噪声特性及磨损行为的影响。揭示了摩擦块界面形状对制动界面尖叫噪声的影响机理以及界面振动与表面磨损特性的关联性。将粉末冶金材料加工成三种不同形状(圆形、三角形、六边形)但横截面面积相等的摩擦块样品,在两种界面摩擦环境中进行制动摩擦试验。结果表明干态摩擦环境中,三种摩擦块均呈现出连续的振动噪声现象,这是由于摩擦块摩擦切入端应力集中所导致的。而三角形摩擦块摩擦切入端是在尖角附近,应力集中更为明显,因此三角形摩擦块呈现出最高强度的振动噪声情况。在湿态摩擦环境中,水分的存在打断了界面的连续振动,圆形摩擦块处于相对稳定的状态,而三角形和六边形摩擦块在试验过程中则呈现出不同程度的间歇性振动噪声。此外,对比三种摩擦块的振动强度和磨损形貌发现,制动界面的振动增强会使界面磨损加剧。(3)以三角形摩擦块为研究对象,系统阐述了摩擦块摩擦切入端特征对制动界面振动噪声的影响机制以及界面热和摩损行为之间的关系。对四种不同安装方向下的三角形摩擦块,即呈现四种不同摩擦切入端特征的摩擦块进行拖曳制动试验。结果显示当摩擦块的一条边作为摩擦切入端时,系统主要表现为低频噪声,而当三角形摩擦块的一个角作为摩擦切入端、最先进入摩擦区域时,系统呈现出较大的振动加速度幅值和高强度的尖叫噪声。将该摩擦块倒大半径圆角后,摩擦块表面应力集中和高强度的振动噪声问题都得到改善。这验证了摩擦块的摩擦切入端的应力集中是导致制动界面尖叫噪声的重要原因。此外,界面磨损分析表明在磨屑堆积的区域,第三体磨屑层成为了摩擦块与制动盘接触的主要接触平台,增大了真实的摩擦接触面积,进而增大了该区域的摩擦力,并最终导致该区域温度上升较快。(4)选用了开孔与未开孔两种摩擦块作为试验样品,探讨了摩擦块的孔结构如何对界面磨屑行为产生影响,进而影响磨损行为、界面热分布以及界面尖叫噪声特性。结果表明孔结构的存在会能够收集磨屑、改变磨屑在摩擦块表面的分布。而磨屑分布特点严重影响着摩擦块的表面磨损情形。磨屑堆积严重的区域,由于磨屑的反复碾压摩擦的作用使得该区域经历着严重的磨损,同时被压实的磨屑承载着摩擦界面主要的接触压力及摩擦力,使得该区域的温度较高;而磨屑堆积较小的区域,初始平台为主要承载平台,磨损相对轻微,且有更多的石墨材质露出表面,由于石墨的润滑作用使得该区域受到的摩擦力相对较小,使得该区域温度较低。对比两种摩擦块的试验结果可以发现,在摩擦切入端附近区域经历的磨损较轻微的开孔摩擦块呈现出相对较低的噪声声压级。(5)和第四项研究工作类似,同样选用开孔与未开孔两种摩擦块作为试验样品。研究了在砂砾介入条件下,摩擦块孔结构的存在对界面砂砾分布的影响,进而影响其它的界面摩擦学行为。着重探讨了砂砾介入后,两种摩擦块表面磨损行为、热分布特征、尖叫噪声特性的演变规律。结果表明砂砾介入摩擦界面条件下,无孔摩擦块表面磨损情况较干态条件下严重,大量的接触平台被破坏,因此引起高强度尖叫噪声。同时,高强度的振动使界面磨屑堆积较少,因而界面温升较低。而开孔摩擦块由于孔结构的存在收集并堆积了大量的砂砾,这些砂砾在制动摩擦过程中会逐渐在孔结构所在的摩擦环带堆积起来,形成的砂砾摩擦层成为制动界面主要的承力平台,造成材料表面砂砾堆积区域的高温现象。同时,界面大量砂砾的摩擦作用对材料表面带来了严重的磨粒磨损,造成材料表面大范围的材料脱落现象。