适读人群 ：高速铁路行业从业人员与摩擦学科研工作者
本书是涉及高速列车在极端环境下的高速列车制动材料摩擦磨损性能研究的高水平专著。

随着我国高铁事业的迅猛发展，高速列车制动材料在面向跨地区极端气候工况时的耐磨
性问题日益突出，给高速制动服役可靠性带来影响。本书从环境湿度与温度角度出发，利用
摩擦磨损试验设备与仿真分析方法，开展不同环境湿度与温度工况下高速列车制动材料摩擦
磨损性能研究，对试验结果进行了摩擦系数、磨损率、表面损伤等方面的分析，具体研究了
湿度与低温环境对高速列车制动材料的摩擦磨损性能影响，针对高湿环境探究了制动速度对
高速列车制动材料的磨损机理影响，揭示了低温环境下高速列车制动材料摩擦制动演变规律，
并基于Unity 3D对相关试验结果进行了可视化研究。
本书适合高速铁路行业从业人员与摩擦学科研工作者阅读。

马蕾，女，1987年生，工学博士，副教授，西华大学机械工程学院党委委员，硕士生导师，主要从事摩擦学、虚拟仿真设计研究。已在国内外重要学术期刊上发表论文20余篇，其中SCI论文15篇、EI检索论文6篇，并担任Tribology International、Engineering failure analysis等SCI期刊审稿人。授权及申报发明专利5项，主持国家自然基金项目1项、省部级项目2项，获得校内后备人才项目资助1项，校企合作项目3项，曾参研多项国家自然基金、省部级等项目。

前言
引言.1
第1章　试验材料与试验设备.3
1.1　制动盘与闸片材料3
1.1.1　制动盘与闸片3
1.1.2　低温环境对制动盘材料拉伸性能影响.5
1.2　试样制备7
1.2.1　制动盘试样制备7
1.2.2　制动闸片试样的制备.8
1.2.3　MM-1000高速摩擦制动试验机试样制备.8
1.3　试验设备9
1.3.1　销-盘磨损试验机9
1.3.2　MM-1000高速摩擦制动试验机.10
1.3.3　多功能摩擦磨损试验机.11
1.3.4　低温环境模拟装置13
第2章　环境湿度对高速列车制动材料摩擦磨损性能影响研究15
2.1　研究内容15
2.2　试验过程16
2.3　环境湿度和盘面初始温度对制动盘/闸片材料摩擦磨损行为影响17
2.3.1　摩擦系数17
2.3.2　磨损率20
2.3.3　制动副摩擦表面损伤.21
2.3.4　盘面温度26
2.3.5　小结28
2.4　接触应力对制动盘/闸片材料磨损行为影响29
2.4.1　摩擦系数29
2.4.2　磨损率30
2.4.3　表面损伤30
2.4.4　盘面温度33
2.4.5　小结34
2.5　滑动速度对制动盘/闸片材料磨损行为影响34
2.5.1　摩擦系数35
2.5.2　磨损率35
2.5.3　表面损伤36
2.5.4　盘面温度38
2.5.5　小结39
2.6　结论39
第3章　高湿条件下制动速度对高速列车制动材料摩擦磨损性能影响研究41
3.1　研究内容41
3.2　试验过程42
3.3　高湿度环境下不同制动速度对高速列车制动盘/闸片摩擦磨损特性影响43
3.3.1　不同制动速度条件下摩擦系数分析.43
3.3.2　不同制动速度条件下磨损率分析.47
3.3.3　不同制动速度条件下磨损表面形貌分析.48
3.3.4　不同制动速度条件下盘面温度分析.52
3.3.5　小结55
3.4　高湿度环境下交变制动速度对高速列车制动盘/闸片摩擦磨损特性影响56
3.4.1　交变制动速度条件下摩擦系数分析.57
3.4.2　交变制动速度条件下磨损率分析.61
3.4.3　交变制动速度条件下磨损表面形貌分析.63
3.4.4　交变制动速度条件下盘面温度分析.68
3.4.5　小结72
3.5　高湿度环境下制动速度对高速列车制动材料摩擦磨损性能影响对比分析.73
3.5.1　摩擦行为分析73
3.5.2　表面损伤对比分析77
3.5.3　小结92
3.6　结论92
第4章　低温环境下高速列车制动材料摩擦磨损特性分析.94
4.1　研究内容94
4.2　试验过程95
4.3　不同环境温度下制动摩擦模拟试验及仿真分析.96
4.3.1　盘面温升96
4.3.2　盘面热应力98
4.3.3　试样表面损伤100
4.3.4　表面轮廓102
4.3.5　结果讨论103
4.3.6　小结104
4.4　不同制动速度下制动摩擦模拟试验及仿真分析.104
4.4.1　盘面温升104
4.4.2　盘面热应力106
4.4.3　试样表面损伤108
4.4.4　表面轮廓110
4.4.5　结果讨论111
4.4.6　小结111
4.5　结论112
第5章　低温环境下高速列车制动盘/闸片摩擦制动行为研究114
5.1　研究内容114
5.2　试验参数114
5.2.1　环境温度对制动盘/闸片磨损行为影响试验参数114
5.2.2　摩擦条件对制动盘/闸片磨损行为影响试验参数115
5.2.3　环境温度与制动参数对制动盘/闸片摩擦制动行为影响试验参数115
5.3　试验过程与分析方法117
5.3.1　试验过程117
5.3.2　试验分析方法118
5.4　环境温度对制动盘/闸片磨损行为影响118
5.4.1　连续接触过程中的磨损行为.118
5.4.2　间歇接触过程中的磨损行为.124
5.4.3　制动盘/闸片表面元素分析130
5.4.4　小结132
5.5　摩擦条件对制动盘/闸片磨损行为影响132
5.5.1　接触应力对磨损行为影响.133
5.5.2　滑动速度对磨损行为影响.138
5.5.3　摩擦条件对磨损机制影响.143
5.5.4　小结144
5.6　环境温度与制动参数对制动盘/闸片摩擦制动行为影响145
5.6.1　环境温度对摩擦制动行为影响.145
5.6.2　制动参数对摩擦制动行为影响.151
5.6.3　小结154
5.7　结论155
第6章　基于Unity3D的环境温度对高速列车制动盘摩擦磨损性能影响数据可视化研究157
6.1　软件设计157
6.1.1　系统总体设计158
6.1.2　模型的建立与场景搭建.158
6.2　虚拟试验设计160
6.2.1　软件开发框架160
6.2.2　试验设计160
6.2.3　功能实现161
6.3　结论166
参考文献167

前　言

高速铁路作为现代交通体系的标志性成果，已成为推动我国经济社会高质量发展的重要引擎。随着“八纵八横”高铁网络的快速延伸，列车运行环境日益复杂，尤其是面对高寒、高湿、温差剧烈等跨气候极端工况时，制动系统作为保障行车安全的核心部件，其材料性能面临着前所未有的挑战。在持续高速制动过程中，摩擦界面产生的瞬态高温与复杂环境的耦合作用，极易引发制动材料性能的劣化，导致摩擦系数波动、异常磨损等问题，甚至直接威胁列车制动效能与运营安全。这一工程痛点对高速列车制动材料的服役可靠性提出了更为严苛的要求。

当前，针对制动材料摩擦学行为的研究多聚焦于常温常湿环境下的性能表征，而对极端气候条件下材料与环境多因素耦合作用机制的系统研究仍显不足。特别是环境湿度对界面水膜形成与破坏的调控机理，低温环境对材料脆性转变与摩擦热力场分布的动态影响，以及制动速度在高湿环境中与摩擦振颤的内在关联等问题，亟待通过多尺度、多物理场的深入研究来揭示其本质规律。为此，本书立足于工程实际需求，构建了环境可控的摩擦磨损试验平台与多场耦合数值仿真模型，力求突破传统单因素研究的局限性。

本书研究的内容获得国家自然科学基金项目支持，系统开展了高速列车制动材料在跨气候极端工况下的摩擦学行为研究。在理论层面，首次揭示了湿度-温度-速度多参数协同作用下的摩擦界面磨损机理，阐明了高速列车制动材料在极端温湿度工况下的表面损伤机制；在试验研究方面，通过自主设计的低温环境模拟装置，揭示了低温与高湿域内材料磨损机制的演变规律。特别值得指出的是，本书创造性地将Unity 3D虚拟现实技术应用于摩擦过程可视化，构建了三维动态摩擦热力场可视化系统，为复杂摩擦学现象提供了直观的认知工具。全书共6章，第1章系统介绍试验材料制备及试验方案；第2～5章分别从湿度、温度两个维度介绍试验内容与机理分析；第6章介绍基于虚拟现实技术的可视化研究。

本书的出版，旨在为高速列车制动系统的材料研发、工艺优化及运维决策提供理论支撑与技术参考。本书研究内容得到西华大学、西南交通大学等单位的鼎力支持，在此深表谢忱。限于作者水平，书中难免存在疏漏之处，恳请广大同行及专家不吝指正。

我国高铁事业正朝着智能化、绿色化方向阔步前行，期待本书能抛砖引玉，激励更多学者投身轨道交通关键材料研究，共同谱写交通强国建设的新篇章。

作　者

2025年9月