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基于压电悬臂梁的高速列车制动界面摩擦学行为改善和摩擦振动能量收集

高速列车摩擦制动主要由制动闸片摩擦块和制动盘之间摩擦消耗动能来实现的，故制动界面极易产生高频且高强度的摩擦自激振动和噪声，导致摩擦块出现异常磨损和掉块等现象，不利于制动系统的安全服役。高频高强度摩擦自激振动蕴含着巨大的能量，有必要尝试将摩擦自激振动收集、存储并为无源传感器供电。为此，本研究尝试通过安装压电悬臂梁以实现制动界面摩擦学行为的改善，以及摩擦自激振动的抑制和振动能量的收集。在自行研制的高速列车制动性能模拟试验装置开展试验研究，并基于该试验装置开展有限元仿真分析。建立相应的数值仿真分析模型以讨论压电悬臂梁对制动系统稳定性及振动特性的影响。研究发现，未安装压电悬臂梁的制动系统摩擦块偏磨现象严重，磨损表面存在明显的犁沟和剥落以及集中连片的大接触平台，制动盘摩擦区域存在温度聚集现象；安装压电悬臂梁后摩擦块偏磨现象减弱，磨损表面大接触平台数量明显减少，制动盘摩擦区域温度分布也更均匀；安装压电悬臂梁能够有效减小制动系统复特征值实部，实现制动系统摩擦自激振动的抑制，并通过压电悬臂梁的变形将制动系统的高频摩擦自激振动能量转换为电能输出；安装压电悬臂梁有利于减少制动系统频率成份，从而优化其频率特性，但未显著改变制动系统的不稳定振动的频率和振型。