不同工況對制動閘片摩擦性能的影響

■ 吳射章　陳鑫　潘尹　錢坤才　萬偉偉

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不同工況對制動閘片摩擦性能的影響

■ 吳射章陳鑫潘尹錢坤才萬偉偉

摘 要：針對高速列車制動系統運行條件，采用1︰1制動動力試驗臺模擬低溫造雪環境，進行不同制動壓力和不同制動初速度下有無殘砂或制動盤有碎屑的緊急制動試驗，以及低溫造雪環境下初速度250 km/h不同制動低壓力的持續制動試驗。測試閘片的平均摩擦系數和制動過程中盤面的最高溫度，并觀察制動盤和閘片的表面狀態。結果表明，緊急制動不同工況下，閘片的平均摩擦系數隨著制動壓力和制動初速度的升高呈曲折升高趨勢，盤面最高溫度也不斷升高并在初速度160 km/h時趨于一致；無殘砂工況下，連續致密的摩擦膜在制動初速度80 km/h時形成，有殘砂或制動盤有碎屑工況下在制動初速度120 km/h時形成。低壓持續制動時，閘片平均摩擦系數和制動盤表面溫度受接觸面帶冰膜的摩擦膜影響。

關鍵詞：高速列車；制動閘片；不同工況；摩擦性能；摩擦系數

0　引言

隨著科學技術的不斷進步，我國高速列車的速度在不斷創造新的紀錄。2007年投入運營的“和諧號”高速列車最高速度250 km/h，實際運行速度200 km/h，現在運行速度350 km/h，實現了“十一五”期間高速列車客運目標。列車速度的提高，制動系統需承受更大的負荷，對制動技術提出更高要求。當速度為300 km/h的高速列車在實施緊急制動時，摩擦速度相當于45 m/s，摩擦系數大于0.35，制動盤面最高溫度超過800 ℃[1]。此外，2014年我國新增蘭州西—烏魯木齊的“蘭新鐵路第二雙線”，其運營速度為200～250 km/h，運行中的制動系統受到風霜雨雪等惡劣天氣影響。

在實際運行過程中，因閘片與制動盤不均勻摩擦，以及外界環境的多變，造成局部接觸壓力和溫度高于標準值。在惡劣條件下，閘片的摩擦性能是決定產品性能的關鍵。因此，研究不同工況下制動閘片摩擦性能具有重大意義。

針對高速列車制動系統苛刻的使用條件，利用1∶1制動動力試驗臺模擬-15 ℃造雪環境，研究殘砂、制動盤碎屑對制動閘片摩擦性能的影響。

1　試驗材料及方法

試驗設備：采用1︰1制動動力試驗臺。

環境條件：氣候環境選取-15 ℃低溫造雪環境模擬。

試驗介質：殘砂（石英砂）和碎屑（淬火制動盤碎屑）在試驗過程中填充在閘片塊體的孔洞和間隙位置（見圖1）。

圖1　殘砂、淬火制動盤碎屑在閘片上的位置

試驗參數：（1）試驗速度。進行不同速度級別的1︰1制動動力試驗。 緊急制動：50 km/h、80 km/h、120 km/h和160 km/h；持續制動：250 km/h。（2）單側閘片壓力。緊急制動：18 kN和25 kN；持續制動：5 kN、6 kN、7 kN、8 kN、8.5 kN。（3）制動盤材料。鑄鋼合金制動盤。在1︰1制動動力試驗過程中，按低溫造雪有殘砂、低溫造雪無殘砂、低溫造雪制動盤有碎屑緊急制動及低溫造雪持續制動順序，得到不同工況下閘片的平均摩擦系數，同時利用PYROSOFT型紅外熱像儀測定制動盤面最高溫度，采用高清數碼照相機記錄制動盤表面狀態，研究其對閘片摩擦性能的影響。

2　結果與分析

2.1不同工況下制動閘片的摩擦系數

制動壓力為18 kN時的1︰1制動動力試驗粉末冶金閘片平均摩擦系數變化曲線對比見圖2。從圖2可以看出，在不同環境下，制動初速度為50～80 km/h時，閘片的摩擦系數顯示不穩定，低溫造雪時，閘片的平均摩擦系數隨著速度提高而降低；低溫造雪有殘砂或制動盤有碎屑時，閘片的平均摩擦系數隨著速度提高而升高。低溫造雪時，隨著速度提高，摩擦面溫度升高，摩擦面的冰膜逐漸轉化為水膜，摩擦系數降低；而低溫造雪有殘砂或制動盤有碎屑時，隨著速度提高，摩擦面溫度升高，摩擦面的冰膜逐漸轉化為水膜，殘砂或碎屑硬質點接觸面積增加，摩擦系數增加。低溫造雪有殘砂環境條件下，速度80～120 km/h時，閘片摩擦面水膜逐漸消失，摩擦系數趨于穩定，速度進一步提高，摩擦面溫度接近摩擦體的軟化溫度，摩擦面積增大，摩擦系數增加；低溫造雪環境條件下，速度80～160 km/h時，閘片摩擦面水膜逐漸消失，摩擦面積增大，摩擦系數逐漸增大；而低溫造雪制動盤有碎屑環境條件下，速度80～120 km/h時，隨著閘片摩擦面溫度提高，碎屑硬質點逐漸軟化，摩擦系數降低，速度進一步提高，摩擦面溫度接近摩擦體的軟化溫度，摩擦面積增大，摩擦系數增加，至160 km/h時的摩擦系數最高，為0.319；低溫造雪、有殘砂的工況下，閘片的平均摩擦系數普遍較高，為0.235～0.320；低溫造雪制動盤有碎屑的工況下，閘片的平均摩擦系數低于低溫造雪工況，制動初速度50 km/h時最小，為0.116。這是由于高速列車制動時閘片易在制動盤表面形成摩擦膜（或稱“第三體”）[2-3]。低速制動時，“第三體”以顆粒狀為主[4]，材料表面粗糙，閘片中硬質顆粒和殘砂（石英砂是硬質顆粒）使克服摩擦表面嚙合作用所需的力矩增大。因此，低溫造雪制動盤有殘砂工況的平均摩擦系數最高。制動壓力18 kN對低溫造雪環境下加制動盤碎屑的作用不明顯，制動盤碎屑可能帶走其表面部分顆粒狀“第三體”，因此平均摩擦系數反而低。

圖2　粉末冶金閘片平均摩擦系數變化曲線對比（制動壓力18 kN）

圖3　粉末冶金閘片平均摩擦系數變化曲線對比（制動壓力25 kN）

制動壓力為25 kN時的1︰1制動動力試驗粉末冶金閘片平均摩擦系數變化曲線對比見圖3。從圖3可以看出，制動壓力增加，使閘片整體平均摩擦系數提高；隨著制動初速度提高到160 km/h，不同工況下的閘片平均摩擦系數趨于一致，最大為0.328，表明制動壓力的增加導致整體平均摩擦系數提高；盡管制動環境不同，但當制動初速度為160 km/h時，制動盤與閘片的接觸面趨于一致。圖3中低溫造雪工況的平均摩擦系數先降后升，在初速度80 km/h時最小，這與圖2一致，不同的是低溫造雪有殘砂工況下的平均摩擦系數雖然也是先降后升，但在120 km/h時最小；在低溫造雪有殘砂工況下，隨著速度提高，摩擦面溫度升高，摩擦面殘砂硬質點周圍的冰膜逐漸減少，滑動阻力變小，摩擦系數下降；速度進一步提高，摩擦面冰膜消失，溫度接近摩擦體的軟化溫度，摩擦面積增大，摩擦系數增加，至160 km/h時摩擦系數最高。同一制動初速度下，低溫造雪制動盤有碎屑工況下的制動閘片平均摩擦系數高于低溫造雪工況，且隨著初速度的增加都有增加。由此表明，制動壓力的提高對閘片制動整體平均摩擦系數影響較大。在低轉速情況下，制動盤表面的“第三體”完全呈顆粒狀[5]，摩擦面的冰雪隨著制動過程脫離或化成水脫離，低溫造雪環境下的摩擦面“第三體”在80 km/h，要比50 km/h時平整得多，因此摩擦系數有所降低；隨著速度的提升，摩擦面的“第三體”逐漸致密化，在摩擦面形成連續摩擦膜，使不同工況下的制動盤與閘片的接觸逐漸趨于一致，由于其良好的摩擦磨損性能，摩擦系數顯著上升；當制動初速度為160 km/h時，不同工況下的平均摩擦系數趨于一致。殘砂和碎屑的加入不同于低溫造雪，除了冰雪還有殘砂或碎屑對摩擦系數產生影響；120 km/h有殘砂時，制動盤表面最平整，摩擦系數最低；有碎屑時，摩擦系數隨著速度的增加而上升，但在120 km/h時，摩擦系數增加最緩。因此，制動壓力25 kN對低溫造雪和有碎屑工況下的作用較之前明顯，可能是制動壓力的提高增加了碎屑和制動盤與閘片的接觸面積，提高了平均摩擦系數。

2.2不同工況下制動盤面最高溫度

制動壓力18 kN、25 kN在不同初速度緊急制動時制動盤面最高溫度對比見圖4和圖5?？梢?，不同制動壓力下，隨著制動初速度的增加制動盤面最高溫度都有上升，圖4中在同一初速度120 km/h時，制動盤表面最高溫度由高到低，是低溫造雪有殘砂、低溫造雪、低溫造雪制動盤有碎屑的工況；當初速度為160 km/h時，向著趨于一致的方向發展，最高溫度164 ℃。圖5中在同一初速度時，制動盤表面最高溫度由高到低，是低溫造雪、低溫造雪有殘砂、低溫造雪制動盤有碎屑的工況，三者的曲線相似，且前二者溫度曲線接近，初速度160 km/h時，盤面最高溫度幾乎一致為195 ℃。制動盤面溫度的形成是制動摩擦過程中由動能轉化而來（除去表面冰雪被磨融化時吸走熱量）。制動壓力的提高使不同工況的制動盤表面溫度差距減小，且在制動初速度160 km/h時，溫度趨于一致，表明不同工況下的閘片與制動盤的接觸較近。

圖4　制動壓力18 kN在不同制動初速度緊急制動時制動盤面最高溫度對比

圖5　制動壓力25 kN在不同制動初速度緊急制動時制動盤面最高溫度對比

圖6　平均摩擦系數和制動盤面最高溫度

2.3250 km/h持續制動時的摩擦系數和盤面溫度

在低溫造雪環境和不同制動壓力下，進行制動初速度為250 km/h的持續制動，測得平均摩擦系數和盤面最高溫度見圖6。表明制動盤面最高溫度在制動壓力6 kN時為158 ℃；在制動壓力為5.0～8.5 kN時，閘片的平均摩擦系數先升后降再上升，為0.235～0.355；閘片壓力為7 kN時，平均摩擦系數最小，為0.235；閘片壓力8.5 kN時，平均摩擦系數最大，為0.355。在制動壓力為5～6 kN時，摩擦面上存在冰膜，隨著壓力的增加，接觸面積增加，摩擦系數增加；在制動壓力為6～7 kN時，隨著壓力的增加，摩擦面的溫度升高，其面上的冰膜逐漸轉化為水膜，摩擦系數下降；壓力進一步提高，摩擦面溫度不斷增加，摩擦面水膜消失并軟化，接觸面積增加，摩擦系數逐漸增加。

μ =β+αAr/ P是分子機械理論。Ar為真實接觸面積；P為壓力；β為機械嚙合程度；α為材料的分子引力；β與α分別是由摩擦表面的物理和力學性能所決定的系數。

根據分子機械理論推測，在制動壓力6～7 kN的變化區間，制動壓力增加，但真實接觸面積變化不大。因此，摩擦系數因壓力增大而減小。而8.5 kN制動壓力下的平均摩擦系數最高，是因制動壓力的增加，接觸面積增大使微凸體間的嚙合作用增加，摩擦系數提高。

2.4制動盤與閘片表面狀態

不同工況下停車制動試驗前后對制動盤和閘片表面狀態的檢查結果見表1。結果表明，只在低溫造雪有殘砂環境停車制動試驗后，制動盤表面存在劃傷，之后未出現新的異常磨耗，這是由于殘砂是SiO2，屬硬質相，易造成制動盤表面劃傷。

表1　停車制動試驗前后對制動盤與閘片表面狀態的檢查結果

圖7　制動后制動盤表面形貌

當初速度為250 km/h時在不同制動壓力制動后制動盤表面形貌見圖7。盡管制動過程中，制動盤表面最高溫度達135 ℃，但在低制動壓力情況下每次完成制動，制動盤摩擦表面形成一層顆粒狀冰膜，改變了“第三體”的構成。這是由于盤體溫度在冰點以上，環境溫度為-15 ℃，當制動盤溫度高時遇到周圍低溫空氣，在摩擦面形成水滴而急速形成冰顆粒，由于制動壓力低，閘片與制動盤摩擦面接觸不充分。盤體摩擦面按內徑向外徑方向冰顆粒由大變小，是因為制動盤轉動時外徑速度比內徑快，水滴易散開且甩出；內徑處的冰顆粒大，最先接觸閘片，并有不同程度的磨耗，且冰顆粒被磨成冰面。表明在不同制動低壓下，閘片與制動盤的接觸面積不同。圖7（a）為制動壓力5 kN，圖7（b）為6 kN，制動盤摩擦表面多為冰顆粒；圖7（c）和圖7（d）為制動壓力增大，制動盤表面內徑處的接觸面明顯增大。圖7（d）為制動壓力8 kN，內徑接觸面已成連續環狀，盤面溫度高，冰有時間化成冰砂，在制動壓力下形成致密連續的冰膜。圖7（c）為制動壓力7 kN，制動盤接觸面積較大，但不及圖7（e），與上述接觸面積越大摩擦系數越小的結論不符。表明低溫造雪環境下，高速制動下的制動盤摩擦接觸面并不是決定摩擦系數大小的唯一因素，還與制動壓力和盤面最高溫度有關。

3　結論

4　參考文獻

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[2] 符蓉，宋寶韞，高飛，等. 摩擦制動條件對列車制動閘片材料摩擦性能的影響[J]. 中國有色金屬學報，2008(7)：1 223-1 230.

[3] ?STERLE W. 制動裝置的摩擦和磨損引起化學成分和金相組織的改變[J]. 國外機車車輛工藝，2003(4)：19-23.

[4] 李志強，韓建民，李衛京，等. 摩擦條件對鋼質摩擦材料第三體及磨損的影響[J]. 北京交通大學學報，2013(4)：174-178.

[5] DESCARTES S，BERTHIER Y. Rheology and flows of solidthird bodies：background and application to an MoS1.6coating[J]. Wear，2002(252)：546?556.

通過對低溫造雪環境有無殘砂及淬火制動盤有碎屑的工況進行1︰1制動動力試驗，測試粉末冶金制動閘片的平均摩擦系數及盤面最高溫度，記錄、觀察制動盤及閘片表面狀態，研究不同工況對閘片摩擦性能的影響。

（1）-15 ℃的低溫造雪環境下不同工況緊急制動時，閘片的平均摩擦系數隨制動壓力的升高而整體提高，低溫造雪工況下閘片的平均摩擦系數變化規律前后一致，但有殘砂時，平均摩擦系數在制動初速度80 km/h時下降，制動盤有碎屑時在120 km/h時下降。殘砂或制動盤有碎屑存在時，改變了“第三體”形成過程，延長顆粒狀階段，致密連續“第三體”的形成需要更高的速度。

（2）-15 ℃的低溫造雪環境下不同工況緊急制動，盤表面最高溫度隨制動壓力和制動初速度的提高而升高，當制動初速度為160 km/h時，盤面最高溫度趨于一致。制動壓力為18 kN、25 kN時，制動盤表面最高溫度分別為164 ℃和195 ℃，其工況分別為低溫造雪有殘砂和低溫造雪無殘砂。表明殘砂和碎屑對低速下制動盤表面最高溫度影響較小。

（3）-15 ℃的低溫造雪環境下，250 km/h的初速度在制動低壓工況的持續制動時，只有殘砂對制動盤表面有異常劃傷；低壓制動時制動盤的摩擦面有一層呈顆粒狀冰膜，冰顆粒由內向外減小；當制動壓力大于7 kN時，冰膜內徑出現的接觸面或接觸環改變了“第三體”的構造，同時隨著制動壓力的增大，閘片平均摩擦系數波動較大，盤面最高溫度與其不成規律。表明在低溫造雪環境、低壓制動、殘砂與制動盤有碎屑時，閘片摩擦性能受接觸面帶冰膜“第三體”影響，應進一步研究。

吳射章：中車戚墅堰機車車輛工藝研究所有限公司， 工程師 ，江蘇 常州，213011

陳 鑫：中車戚墅堰機車車輛工藝研究所有限公司，助理工程師，江蘇 常州，213011

潘 尹：中車戚墅堰機車車輛工藝研究所有限公司，助理工程師，江蘇 常州，213011

錢坤才：中車戚墅堰機車車輛工藝研究所有限公司，教授級高級工程師，江蘇 常州，213011

萬偉偉：中車戚墅堰機車車輛工藝研究所有限公司，技師，江蘇 常州，213011

責任編輯 苑曉蒙

中圖分類號：U260.35

文獻標識碼：A

文章編號：1672-061X（2016）02-0020-05