盘式制动器是许多大型高速重载机械设备的减速装置,紧急制动时,容易引起摩擦副高温变形、剧烈磨损,所以提高盘式制动器的散热性和耐磨性具有重要意义。沟槽结构可以改变表面的几何形貌,引起摩擦界面接触状态的变化,对表面摩擦特性有重要影响。本文通过热-机耦合有限元仿真与摩擦磨损试验结合的方法,研究高速重载盘式制动器沟槽型制动界面的摩擦特性。主要研究内容及结果如下:(1)分析高速重载盘式制动器的制动过程,在制动盘表面设计不同几何参数的沟槽结构,根据热-机耦合过程的接触理论、热传导理论,分析沟槽型盘式制动器温度热传导方程、热对流和热传导的边界条件。建立制动盘/闸片有限元模型并进行仿真。通过单一变量法研究不同角度、宽度、密度沟槽型盘式制动器在摩擦生热作用下对温度值与应力值的影响。结果表明:沟槽结构能减小制动盘表面的温度、应力值与径向温度梯度,当沟槽为角度45°、宽度4mm、密度为4个/盘面时,制动盘温度与应力值最小。(2)采用小试样试验方法,根据盘式制动器的实际工况计算试验载荷并采用销盘摩擦副进行摩擦磨损试验。研究沟槽角度、宽度对摩擦盘稳定摩擦系数、磨损深度和表面形貌的影响。结果表明:45°沟槽摩擦盘的摩擦系数、磨损深度、磨痕宽度最小;沟槽宽度越小则摩擦盘的摩擦系数、磨损深度和磨痕宽度越小。(3)对沟槽型盘式制动器进行不同制动参数热-机耦合有限元仿真与摩擦磨损试验,分析初始转速、制动压力对沟槽制动界面温度值、应力值、摩擦系数及磨损深度的影响。结果表明:制动参数越大,沟槽对制动界面的改善越明显;初始转速越大,摩擦盘温度和应力值越大,但摩擦系数与磨损深度越小;制动压力越大,摩擦盘的温度、应力、摩擦系数、磨损深度越大。(4)基于响应面优化法,以沟槽角度、宽度、密度为变量,制动界面的温度值与应力值为响应值,设计试验方案。通过热-机耦合有限元仿真获得样本数据,建立响应面并进行拟合评估。以温度和应力值最小为优化目标,利用罚函数寻优法,求得最优解,对制动盘模型重构并进行有限元分析。结果表明:优化后的沟槽制动盘温度值和应力值降低;响应面的预测值与仿真值接近,响应面法适用于沟槽几何参数优化。基于对沟槽型盘式制动器热-机耦合仿真与摩擦磨损试验的结果,对解决现有传统盘式制动器热变形严重、磨损剧烈、疲劳失效等问题提供解决思路与理论依据。