軌道車φ 380離合器從動盤總成的研制

黃世界

(成都鐵路材料總廠,四川成都610051)

在我國鐵路運輸系統中的機械傳動軌道車如GCS220、JY290、GCS270系列等,其離合器普遍使用的是從國外進口的LIPE 15/380—21P型離合器,該離合器為雙片干式螺旋彈簧摩擦離合器,具有傳動扭矩大、接合較為平穩、分離比較徹底、操縱輕便靈活等優點。但在實際使用過程中仍然存在如下問題,如離合器打滑,起步時不穩定,熱車時離合器分離不徹底等,對軌道車的運行安全存在著一定的隱患,并且進口產品的價格較高。采用模壓成型的銅基粉末冶金摩擦材料與鋼芯一起在加壓式鐘罩爐中燒結成形工藝,制造出摩擦片,采用雙硬度淬火工藝制造離合器鋼片,成功研制出軌道車用φ 380離合器從動盤總成,實現了替代進口產品,在提高軌道車運行安全性的同時大幅度降低了軌道車的使用成本。

1 軌道車φ 380離合器從動盤總成結構分析

軌道車φ 380離合器從動盤總成是軌道車離合器中的關鍵部件,它與中壓板(離合器對偶)組成摩擦副,起著傳遞扭矩以及承擔著軌道車前進、停止、后退的作用。每臺軌道車離合器中有2個從動盤總成和1個中板,加上左、右兩端蓋板組成4個摩擦副。其中從動盤總成(部件)又是由摩擦片等63個零件鉚接組裝而成。

圖1為軌道車φ380離合器從動盤總成的結構圖,摩擦片2和離合器鋼片1是該離合器的關鍵零件。其中,摩擦片2是采用摩擦材料與鋼芯分別成型后加壓燒結為一體的結構,要求粘結牢固、具有良好的靜、動摩擦性能和力學性能,同時,為保證良好的動平衡效果,要求每片摩擦片總成的質量誤差不超過0.7g。離合器鋼片1采用沖壓成形,要求沖壓成形后整體熱處理硬度43—45H RC,而與摩擦片2相連接的12個孔的周邊則要求其表面硬度達到53—55HRC,同時要保證鉚接時鋼片的變形量不大于0.1 mm。

圖1 φ380離合器從動盤總成結構圖

2 離合器從動盤總成的研制

圖2為摩擦片總成的結構圖,根據總體性能要求和實際生產工藝,技術方案采用摩擦材料1和鋼芯2分別成型后加壓燒結而成。

(1)摩擦片材料配方選擇

依據QC/T 25-2004、QC/T 27-2004和JB/T 3063-96等行業標準以及鐵路軌道車的實際使用要求,從動盤總成的摩擦材料,必須能承受較高的使用溫度,有較高的機械、物理性能和可靠的摩擦、磨損性能。要求摩擦材料燒結品密度 ρ=4.8—5.6 g/cm3、硬度 20—50 HB、抗壓強度≥90 MPa、沖擊韌度≥5 kJ/m2、抗剪強度≥30 MPa、靜摩擦系數不低于0.35;滑動平均摩擦系數≥0.26;同時應具有良好的導熱系數和比熱,有良好的熱穩定性和耐磨性,良好的磨合性和抗黏性,使用時要有能夠平穩地傳遞扭矩,達到規定的使用壽命。

圖2 摩擦片結構圖

研究及試制過程中采用了銅基粉末冶金摩擦材料新配方,其主要成分為電解銅和銅包鐵,以及少量的錫、鉛、鋅、合批石墨、碳化硅等,再加入適當數量鋯英砂或莫來石。通過多次小樣選材試驗,優選出兩種配方見表1、表 2 。

從試驗結果(表3)可以看出:與進口樣件相比較,配方1和配方2的摩擦系數、磨損量等均能滿足使用要求。在綜合性能方面,配方2約優于配方1,因此,在產品試制時選擇了配方2,并用配方2的摩擦材料生產出成品,進行1∶1臺架綜合摩擦性能測試,通過采用計算機數據分析系統進行數據采集及處理,結果表明該摩擦片完全能滿足使用要求。

(2)摩擦片鋼芯的制造工藝

鋼芯采用厚度為1.5 mm的冷軋45鋼板沖壓加工成形,校平至兩平面平行度小于0.05內,經打磨毛刺、除銹脫脂清洗等工序后,再對鋼芯成品先進行鍍銅,厚度0.015—0.02 mm,再進行鍍錫,厚度 0.003—0.005 mm,確保鍍層結合牢固,不出現氣泡和麻點。

表1 摩擦材料配方1

表2 摩擦材料配方2

表3 兩種配方的摩擦材料摩擦試驗結果

(3)摩擦片成形制造工藝

摩擦材料在500T機械式壓力機上通過模具壓制形成摩擦片形狀后,與鋼芯疊合在加壓式鐘罩爐中燒結形成摩擦片。壓制成形時,通過控制壓制速度、壓制力和粉體質量,得到密度一致的生坯。燒結中,采用在保護氣體中加壓燒結,燒結時加壓壓力0.9—1.2 MPa,保溫3.5 h。

由于制造誤差,燒結后的摩擦片會出現質量誤差,這將會影響到離合器的動平衡性能。因此,在制造過程中,將每片離合器摩擦體進行稱重,并標明質量,以便在鉚接時進行選配,如果存在超重(要求小于0.7 g),則在不影響摩擦體本身厚度的范圍內進行加工處理,保證每個離合器從動盤的6個摩擦片總成的質量在規定范圍內,裝配時根據質量對稱安裝,達到動平衡要求。

(4)離合器鋼片的制造工藝

離合器鋼板是摩擦片的支架,起支撐作用。鋼片質量的好壞,直接影響傳動效果。目前我國鐵路軌道車用從動盤總成,普遍選用進口產品,原因在于國產從動盤噪聲大,振動大,行車顛簸,究其原因除摩擦片配方外,離合器鋼板的熱處理也是離合器從動盤的關鍵技術之一。圖3為軌道車φ 380離合器從動盤鋼板的零件圖。

圖3 離合器鋼片

根據對國外產品進行實測分析,發現在同一離合器鋼板上檢測出兩個范疇的硬度,在離合器鋼板外周6塊與摩擦片接合部的硬度為53—55HRC,其余部分為43—45HRC。由于提高了連接部位的硬度,增加了離合器鋼板的剛性,提高了防止振動的能力。因此,在離合器鋼板的制造工藝上采用如下制造工藝:材料選擇板面光滑、平整、板厚 δ為 2.5 mm的 65Mn(或60Si2MnA)的冷軋板,落料、沖孔成型出毛坯,校型至平行度不大于0.10 mm范圍內再進行熱處理。

熱處理工藝采用先整體淬火并在鐘罩爐中用較低溫度回火,達到43—45HRC后,再用專用夾具單片夾住,在200 kW的高頻設備上對φ 13孔分別進行局部表面淬火熱處理,使這部分的硬度達到53—55HRC。為防止回火時零件變形,采用在鐘罩式加壓燒結爐中加壓回火;回火溫度控制在260℃—280℃。

(5)離合器從動盤總成組裝

將離合器鋼片、摩擦片、彈簧蓋板、花鍵齒盤、彈簧、鉚釘等63個零件進行組裝鉚接,校形檢驗合格即形成成品。

3 裝車試驗

通過以上工藝研制出的軌道車φ380離合器從動盤總成如圖4所示,該從動盤總成經廣漢成鐵機械設備廠裝在金鷹290型軌道車上進行實際運行考核,經過一年多的實際運行,其傳動平穩、制動效果優良、離合徹底、振動小、噪聲低,各項性能指標均滿足使用要求,安全試運行總里程達到2萬km多,達到國外進口產品的性能。

圖4 軌道車φ380離合器從動盤總成

4 結束語

采用新型銅基粉末冶金摩擦材料壓制成型后與鋼芯在加壓式鐘罩爐中燒結成型工藝,同時對離合器鋼板進行雙硬度淬火工藝,研制的軌道車φ 380離合器從動盤總成其摩擦系數高、自身和對偶磨損小、克服了機械振動等缺點,傳動平穩、使用壽命長,可以替代國外進口產品。同時,研制出的產品不僅用于軌道車,還可用于采用LIPE 15/380—21P型離合器從動盤總成的國內外載重汽車行業,市場前景良好。經國家機動車質量監督檢驗中心(重慶)檢測,各項指標符合相關行業標準和企業標準。2010—01通過成都鐵路局科技成果鑒定。

[1] 李萬全.鋁青銅基粉末冶金摩擦材料壓制工藝研究[J].熱加工工藝,2009,(19):7-9.

[2] 焦 健,王鐵寶,趙靜怡,等.不銹鋼纖維/銅基摩擦材料的研究[J].河北工業大學學報,2008,(6):41-46.

[3] 熊 翔,盛洪超,姚萍屏.銅基航空剎車材料的燒結溫度與燒結壓力[J].中南大學學報(自然科學版),2007,(2):206-212.

[4] 黃秀飛,黃啟忠,寧克焱,等.剎車條件對鐵基粉末冶金材料摩擦磨損性能的影響[J].摩擦學學報,2007,(4):372-376.

[5] 姚萍屏,熊 翔,李世鵬,等.Fe及SiO2對銅基剎車材料摩擦磨損性能的影響機制[J].摩擦學學報,2006,(5):478-483.

[6] 劉 曉,曲慶文,胡曉青.新型摩擦材料的冷壓成型工藝研究[J].山東理工大學學報(自然科學版),2009,(3):17-20.

[7] 范愛國.銅基燒結摩擦材料[J].兵器材料科學與工程,2008,(2):49-49.

[8] QC/T25-2004.汽車干摩擦式離合器總成技術條件[S].

[9] 孫國香,梁以德,歐云飛.對異形重載摩擦離合器結構的商榷[J].現代機械,2008,(1):58-59.

[10] 梁以德,歐云飛.重載梯形摩擦離合器結構的改進設計[J].機械工程師,2007,(12):89-90.