摘要
目前，国内高速列车主要采用盘式制动器，制动闸片是盘式制动器的关键部件之一，在减速制动过程中，由于摩擦力和摩擦热的共同作用，使得闸片产生非均匀磨损，导致制动力不稳定、制动距离增加、制动噪音以及制动闸片寿命降低。 因此，本文首先对闸片的摩擦过程进行了有限元仿真分析，获得其等效应力和应变的变化规律，以及磨损量的变化趋势，还研究了制动速度和制动载荷对闸片磨损量的影响规律。据此，本文提出了一种新的具有补强区域的两种材料制动闸片结构，针对新旧结构闸片采用响应面法进行了材料和尺寸优化设计；其次，对新旧两种盘式制动器进行了热力耦合分析，得到了制动盘和闸片的温度场和等效应力场的变化规律；并对新旧结构两种盘式制动器进行了疲劳寿命分析，获得了损伤云图和寿命云图。 分析结果表明：(1)盘式制动器在制动过程中制动闸片会存在非均匀磨损，最大等效应力为14.703 MPa，集中于制动闸片的旋入端，随着制动器的制动载荷与制动速度的增大，闸片磨损量也随之增大；(2)新结构闸片主体采用铜基粉末冶金材料，补强区采用铁基粉末冶金材料，优化设计结果表明新结构闸片可以有效地改善制动闸片的非均匀磨损现象；(3)新旧结构闸片的热力耦合分析获得的最高温度分别为153℃和127℃，制动过程中，闸片温度呈现出先上升后下降的趋势。闸片最大等效应力为10.22 MPa，出现了应力集中现象；温度场分布和等效应力分析结果显示新结构闸片优于传统制动闸片；(4)疲劳寿命分析获得的两种制动盘的损伤和寿命云图表明，在满足疲劳强度的前提下，改进后的制动闸片对制动盘损伤更小、抗疲劳能力更强。 本文的分析结果对盘式制动器闸片的优化设计提供了一定的理论依据，对改进盘式制动器有一定的帮助。
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