混雜纖維盤式制動閘片材料的裝車實驗研究

王海慶,王成國,莊光山,孫 毅,姚永強,鄭樹偉

(1山東大學材料學院材料液態結構及其遺傳性教育部重點實驗室,濟南250061;2山東鐵道學會,濟南250001;3兗州鐵龍公司,山東兗州272030)

混雜纖維盤式制動閘片材料的裝車實驗研究

王海慶1,王成國1,莊光山1,孫 毅1,姚永強2,鄭樹偉3

(1山東大學材料學院材料液態結構及其遺傳性教育部重點實驗室,濟南250061;2山東鐵道學會,濟南250001;3兗州鐵龍公司,山東兗州272030)

采用混雜纖維作增強材料生產列車客車車輛閘片,依據 TB/T3118—2005進行了“現車運用試驗”。實際測量了閘片的磨耗和表面狀況,在線測量了制動盤厚度變化并對制動盤表面進行了觀測。實驗結果表明,閘片線磨損率低,表面平整無龜裂、塌邊和掉渣等,制動盤面光潔,無集中產生熱斑和微裂紋等異常狀況。摩擦學機理分析指出,混雜纖維閘片摩擦工作面的成膜成分直接影響盤-片對磨偶的摩擦形貌,其成分的相對穩定化是改善盤-片匹配性的關鍵。

合成閘片;混雜纖維;摩擦磨損性能;制動盤

在制動材料中使用混雜纖維,可以充分發揮不同類型的纖維各自的性能特點,同時可以在微觀形態結構層次上形成無規交叉堆砌網絡(如包埋、錨固、搭接和絞纏等),使制備的產品獲得全面的摩阻性能[1-4]。選用炭纖維、金屬纖維及其他纖維作為混雜纖維制備閘片,可利用炭纖維減摩質輕、金屬纖維高強導熱的特點,使得閘片既有適宜的力學性能又有良好的摩阻性能[5]。

作為列車所使用的制動材料,由于服役于高速和大軸重使用條件,因而除了在其初裝時就有嚴格性能的要求外,還要考慮到其在列車運行全程的使用可靠性。

閘片的制動性能一般是通過試樣實驗、慣性臺實驗和實車道路實驗進行評價的。試樣實驗能迅速地得出結論,多用于閘片配方篩選階段。慣性臺實驗可在室內模擬車輛的實際工況,獲得閘片的摩擦因數、磨耗量、制動表面溫升及靜摩擦因數等重要參數。實車道路實驗被認為是鑒定閘片使用性能的最直接的方法,它能全面地反映出使用過程中的出現的各種問題,尤其是可以考察閘片的長期可靠性和它與制動盤的匹配性情況等;但牽涉到多部門的協調,其周期也較長。

與列車客車車輛在用的半金屬及粉末冶金閘片相比,混雜纖維盤式制動閘片屬于新型配方材料。TB/T3118—2005《鐵道車輛用合成閘片》的“6.3現車運用實驗”的規定,新閘片首次提供批量產品前,應通過一段期限的連續運用實驗來考查閘片的性能,運用實驗的車輛類型、運行線路區段由鐵路主管部門確定。根據鐵道部運輸局運裝客車電[2006]2813號和濟南鐵路局輛客電[2006]389文件,濟南鐵路局車輛段于2007年6月28日開始批量裝車使用新型混雜纖維材料盤式閘片。本工作考察了裝車使用中的閘片的磨耗情況和對偶制動盤的表面和尺寸變化情況。

1 實驗

裝車實驗所用閘片系山東大學研制[5],并由路內廠家(兗州鐵龍公司)合作生產。閘片厚度測量使用游標卡尺,制動盤測厚使用鐵路閘盤磨耗計量專用尺,閘片和制動盤表面形貌狀況采用Sony W-1數碼相機拍攝。閘片微觀組織SEM圖采用J XA-8800電鏡(Japan Electron出品),試樣從裝車10個月后的混雜纖維閘片上切割,表面經噴金處理。

裝車實驗車為25G型2598/2597次編組的客車車輛。2007年6月28日混雜纖維閘片開始裝車使用時,該輛車剛剛進行過段修。客車車輛的車況為:運行區間泰山—北京;運行里程558km,即該車輛每天往返運行1116km;車輛編號:RW25G 553403號(軟臥車);配對制動盤:一軸、三軸系中國南車集團戚墅堰機車車輛工藝研究所鐵馬科技有限公司生產的整體式鑄鐵盤,二軸、四軸系鐵道科學研究院機車車輛研究所生產的對開式 H-300A灰鑄鐵盤。

2 結果與分析

2.1 混雜纖維閘片的磨耗及表面狀況觀察

混雜纖維閘片在鐵道部產品質量監督檢測中心機車車輛檢測站進行了1∶1制動動力實驗臺實驗,其典型的各種制動初速度下的一次停車常規制動瞬時摩擦因數曲線參見圖2所示,混雜纖維閘片的磨損率值為0.57cm3/MJ(TB/T3118—2005規定的磨耗指標范圍是≤1.0cm3/MJ)。

混雜纖維閘片2007年6月28日裝車后,在2007年11月7日和2008年4月16日濟南車輛段組織人員拆裝RW 25G 553403號車掛裝的閘片,測量了閘片的線磨耗量并對閘片表面狀況進行了觀察,測量值見表1。

按照 TB3118—2005標準規定,混雜纖維閘片出廠時厚度應為根據鐵路部門的維護維修規范閘片磨耗至厚度5.0mm時視為到限,即閘片厚度減少值達到23.0mm時應該更換。根據以上實測結果,裝車使用4個月后(行駛里程14.5萬公里)閘片最大線磨耗值為2.25mm,裝車使用10個月后(行駛里程32萬公里)閘片最大線磨耗值為3.88mm,可以預見該閘片的預期使用壽命應該超過2年半的段修期。

表1 裝車使用的閘片的磨耗測量結果Table 1 The thickness decrease of brake pads after employed 4 months and 10 months

混雜纖維閘片裝車前及使用一段時間后,觀測記錄了閘片外觀及表面情況,并使用Sony W-1數碼相機拍攝了其表面形貌照片,裝車前后典型的混雜纖維閘片的表面狀況見圖3。

圖3 閘片裝車使用前后的表面狀況(a)裝車前;(b)裝車4個月后;(c)裝車10個月后Fig.3 Hybrid fibers pad’s surface(a)before install;(b)being installed after 4 months;(c)being installed after 10 months

從混雜纖維閘片的外觀來看,裝車前閘片無外觀缺陷,符合 TB/T3118—2005中4.3款對閘片的要求。使用一段時間后,閘片無燒痕、局部隆起、局部或整體變形、黏結材料熔化、表面裂紋、剝離、凹陷、黏結劑滲出和金屬鑲嵌現象,也沒有出現閘片折斷,摩擦襯片材料脫落及掉塊等異常狀況。

分析混雜纖維閘片得到適宜的摩擦因數和具有較好的摩擦表面狀態的原因,可以從閘片在制動過程中表面成分的微觀結構的變化入手。目前的一般的摩擦材料的配方研究中,采用的研究方法多是改變某一成分的比例,再用試樣實驗測定對應的制件的摩擦性能,這在摩阻材料早期研究中是普遍接受的,這種研究方法只是概要的描述了摩擦材料結構(即材料的化學成分及添加比例)與性能的關系。較為精細的研究指出[6],制動系統的摩擦作用最突出的部位集中在閘片/制動盤的接觸界面,作為有機閘片而言,其摩擦后的表面成分會有別于閘片本底材料。由于制動所帶來的垂直壓力、強力剪切和摩擦熱的等機械力和生熱的雙重作用,有機黏結劑會產生化學鍵扯斷和熱降解,造成閘片摩擦接觸部位的化學成分發生變化,形成“第三體”材料薄層。Jacko[7]指出,摩擦碎片壓實所形成的所謂摩擦膜層在制動過程中對穩定摩擦因數起著重要作用。?sterle[8]利用掃描電鏡及表面分析技術,對做過制動模擬實驗的常規制動材料的表面化學成分和金相組織變化進行了研究,發現“第三體”材料的碎片系由制動閘片的所有組分和制動盤上脫落的氧化鐵粉的混合物組成。磨損的主要機理是,在粗糙摩擦條件下黏結劑即酚醛樹脂局部降解后,加劇了填充粒子從有機黏結劑上的剝離,在配方含有蛭石、石英、BaSO4和Sb2S3等成分時,細粉剝落成灰而石英大顆粒保留下來填實在表面上作為硬質磨粒。

從使用工況來看,列車制動時閘片最初始要經受高剪切力,然后又會在摩擦生熱作用下急劇升溫,該過程中閘片中的無機纖維及填料的物化性能變化不大,較高溫度下金屬成分會發生氧化,而基體樹脂是對熱最為敏感的組分。制動時的高剪切產生的力化學作用導致酚醛大分子鏈斷鏈,而摩擦熱又會使材料摩擦表面層上的樹脂成分熱裂解,沿表層向里也會發生不同程度的熱裂解,從而導致表面層的各成分間的結合強度發生較大的變化。傳統的半金屬制動閘片在其力化學和熱性能設計不良時,會因反復制動而導致表面成分的不確定性化,故其摩阻性能會在制動中發生波動,宏觀上閘片就發生發脆、掉渣、龜裂甚至冒煙等現象,其典型的表面缺陷參見圖4。

借鑒炭纖維生產過程中聚丙烯腈預氧化過程[9]以及酚醛樹脂受熱稠環化[10]及炭化[11]的機理,在文獻[12]中設計了新型的改性酚醛樹脂結構,提出了利用摩擦作用使表面層樹脂成分部分成環化的手段穩定閘片摩擦因數的措施,即讓摩擦表面上成環化的近似瀝青質的“第三體”膜層成分粘牢并壓實摩擦表面的填料碎屑(見圖5),使得表面黏著得以穩定;成環化也使得材料的變形作用對摩擦的貢獻不至于出現很明顯的漲落,這樣閘片材料的摩擦因數即可消除速度和溫度敏感性。

圖4 半金屬閘片使用過程中的表面形貌Fig.4 Morphological character of straight PF matrix semi-metal brake pad

圖5 類瀝青質的“第三體”膜Fig.5 Pitch-like“third body”glace

而采用混雜纖維制造閘片,各種纖維長徑比不一且軟硬度也不同(其中金屬纖維長徑比最大也最硬),其相互交叉得不很規則,故稱為無規交叉網狀堆砌結構(見圖6)。由于各纖維的長徑比不同,將形成若干級網狀堆砌架構。鋼纖維直徑最大,調整其添加比例鋼纖維之間會形成最粗壯的骨架網絡,鋼纖維和炭纖維和其他種類的纖維之間形成次級網狀架構填充其間,更微細的粉狀填料和樹脂黏結劑成分彌散充滿上述架構的間隙形成完整的一體化復合材料。這樣從大到小形成的堆砌架構相互補充,優勢互補,形成混雜效應,使閘片材料的制動性能更加優良。纖維的網狀堆砌架構在材料中主要起支撐載荷、傳遞應力的作用,因而可以防止閘片表面受到摩擦作用時出現龜裂、塌邊和掉渣等不良現象。

2.2 混雜纖維閘片與制動盤的匹配

制動盤的制造和維修成本遠遠高于制動閘片,因此制動閘片與其配對時,尤其應該關注制動閘片不應該對制動盤有嚴重攻擊性。從制動性能方面看,希望制動盤與閘片配偶時,摩擦因數高且穩定,以期獲得更多的制動功;而從使用性能方面考慮,制動系材料都屬于犧牲材料,都有不斷磨耗和生成新界面的過程。制動盤使用時,閘片與制動盤面強烈摩擦以耗散列車的動能以確保在規定距離內停車,這一摩擦過程必然會引起制動盤面的瞬間溫升,而隨后盤片又經歷劇烈的強制通風冷卻,這樣制動盤承受著較強烈的摩擦作用和熱疲勞沖擊。

圖6 混雜纖維閘片的無規交叉網絡結構Fig.6 Irregular crossed network structure of hybrid fibers brake pad

為了衡量制動閘片對制動盤的匹配性,利用制動盤磨耗測量專用尺進行了測量,其結果見表2。

表2 閘片裝車10個月后對偶制動盤厚度減少值Table 2 Thickness decrease of the disc mated with hybrid fibers brake pad after installed 10 months

從上述數據可見,列車運行10個多月制動盤的總平均磨耗值為0.625mm,最大磨耗值為1.0mm。根據有關技術規范,制動盤任一側磨耗達7mm就需報廢。若按照本實驗中閘片使用10個多月后制動盤最大磨耗值僅1.0mm外推計算,制動盤磨耗到限的期限可達到6年。

理論研究和實際運行經驗表明[13],制動盤使用過程中承受的慣性力和制動壓力及其制動面切向摩擦力,對制動盤的壽命影響比摩擦熱的影響小,制動盤的磨耗也不是引起制動盤失效的主要原因,一般來說,熱龜裂是影響制動盤壽命的主要方面。熱龜裂的形成有兩個原因:一是反復制動使制動盤的溫度周期性的急冷急熱,造成熱龜裂;另一原因是由于摩擦面與其他部位存在溫差,形成熱應力而產生熱龜裂。混雜纖維閘片屬于軟質耐磨材料,其自身的黏彈性既可以提高黏著性,又可以通過自身的內損耗把摩擦生熱耗散出去,這樣可以減小總制動生熱分配到制動盤上的比例,從而減少制動盤的溫升[14],降低了熱應力,防止產生熱裂紋。這一點可以通過制動盤面的表面狀況變化的長期跟蹤照片得到印證,與混雜纖維閘片配對的制動盤使用10個月其表面情況見圖7。

圖7 裝車10個月制動盤表面狀況Fig.7 Disc’s surface mated with hybrid fibers pad after 10 months

從圖7可見,與混雜纖維閘片配對的制動盤使用過程中盤面清潔,表面沒有黏結劑殘渣,其摩擦帶面也沒有產生溝狀磨耗、波浪形磨耗及其他異狀磨耗,表明混雜纖維閘片對制動盤的攻擊性較小。

3 結論

(1)從混雜纖維閘片的裝車實驗看,車輛走行12萬公里時,平均線磨耗值為1.64mm,走行30多萬公里后,平均線磨耗值為3.00mm,可以預見閘片在25G車輛上使用其壽命會長于2年半的段修期。使用混雜纖維閘片預期會延長客車車輛閘片的更換周期,降低鐵路部門的材料消耗。

(2)混雜纖維閘片使用中無燒痕、變形、黏結材料熔化、黏結劑滲出、表面裂紋等不良現象,也沒有出現閘片折斷、摩擦材料脫落及掉塊等異常狀況。

(3)混雜纖維閘片對制動盤的攻擊性和磨損都比較小,從制動盤面表面狀況的變化情況來看,其盤面清潔,沒有黏結劑殘渣,摩擦帶面無熱斑,無盤面新生裂紋,表明混雜纖維閘片與鑄鐵盤對磨副的匹配性良好。

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The Application Study of Hybrid Fibers Reinforced Brake Pad for Railroad Coach

WANG Hai-qing1,WANG Cheng-guo1,ZHUAN G Guang-shan1,SUN Yi1,YAO Yong-qiang2,ZHENG Shu-wei3
(1 Key Laboratory of Liquid Structure and Heredity of Materials(Ministry of Education),College of Material Science&Engineering,Shandong University,Jinan 250061,China;2 Shandong Railroad Society,Jinan 250001,China;
3 Yanzhou Tielong Co.,Ltd.,Yanzhou 272030,Shandong,China)

Hybrid fibers were used as reinforced material to product braking pad serviced for railroad coach.The practical application study was conducted according to Railroad Ministry Standard TB/T3118—2005.The thickness of brake pad and disc had been measured on-line,the morphological character of pad and disc was observed.The results showed that hybrid fibers reinforced brake pad had low linear wear rate;and has no cracking,edge-avalanche and scratch.The disc’s exterior view showed the disc’s surface was in proper trim and there was no hot-spot and heat-crack.Tribology analysis indicated that the stable friction film commonly called glace which had been formed as the braking processing with a comparatively steady composition being maintained was beneficial to the surface of pad and disc and to the car’s brakeage.

organic braking pad;hybrid fibers;wear;brake disc

U 260.35;TH117.1

A

1001-4381(2011)07-0056-05

2009-09-21;

2010-12-06

王海慶(1966—),男,碩士,主要從事耐磨材料的研究,聯系地址:濟南經十路17923號 山東大學千佛山校區,材料學院高分子所(250061),E-mail:hiking5945@163.com