機(jī)車用制動(dòng)摩擦副性能匹配性試驗(yàn)研究

王 磊

（南京鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院，高級(jí)工程師，江蘇 南京 210031）

我國(guó)機(jī)車制動(dòng)主要采用閘瓦制動(dòng)和輪盤制動(dòng)兩種方式［1］，輪盤制動(dòng)是通過(guò)閘片與安裝在車輪兩側(cè)的制動(dòng)盤進(jìn)行摩擦實(shí)現(xiàn)列車減速或停車。高速電力機(jī)車制動(dòng)時(shí)，要求制動(dòng)部分能在短時(shí)間內(nèi)耗散制動(dòng)產(chǎn)生的巨大能量，滿足制動(dòng)距離要求，因此采用輪盤制動(dòng)方式能更有效地降低車輪踏面熱負(fù)荷和機(jī)械磨耗，達(dá)到更好的制動(dòng)效果。

盤形制動(dòng)摩擦副主要由制動(dòng)盤和制動(dòng)閘片兩個(gè)關(guān)鍵部件組成。長(zhǎng)期以來(lái)，國(guó)內(nèi)高速電力機(jī)車用制動(dòng)摩擦副產(chǎn)品主要來(lái)自于德國(guó)克諾爾公司，因其提供的是整套制動(dòng)摩擦副產(chǎn)品，產(chǎn)品質(zhì)量和穩(wěn)定性較好。為了降低生產(chǎn)成本，促進(jìn)行業(yè)發(fā)展，國(guó)內(nèi)各家企業(yè)院所積極開(kāi)展了盤形制動(dòng)摩擦副的國(guó)產(chǎn)化替代研究工作，取得了一定成效。文獻(xiàn)［2-4］研究表明：熱應(yīng)力會(huì)使制動(dòng)盤產(chǎn)生熱裂紋從而導(dǎo)致失效，直接影響列車的行車安全，文獻(xiàn)［5］應(yīng)用熱-機(jī)耦合的方法，對(duì)制動(dòng)盤進(jìn)行了三維瞬態(tài)溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)仿真分析，結(jié)果表明：不同制動(dòng)初速下，制動(dòng)盤溫度變化規(guī)律相似，但制動(dòng)初速度高對(duì)應(yīng)的溫升也高。

目前國(guó)內(nèi)外的研究主要是圍繞制動(dòng)摩擦副溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)而開(kāi)展的，對(duì)于實(shí)際運(yùn)行中出現(xiàn)的如摩擦副的異常磨耗，甚至摩擦副產(chǎn)品的掉塊、脫落、制動(dòng)抖動(dòng)等可能威脅行車安全的等問(wèn)題則研究不足。經(jīng)分析產(chǎn)生上述問(wèn)題的原因大多是由于制動(dòng)摩擦副存在性能匹配不合理。因此，有必要深入研究制動(dòng)摩擦副產(chǎn)品特性，并從產(chǎn)品性能要求、設(shè)計(jì)參數(shù)等方面進(jìn)行制動(dòng)匹配性研究，提出優(yōu)化改進(jìn)建議，保障高速電力機(jī)車安全、可靠運(yùn)營(yíng)。

1 摩擦副常規(guī)物理力學(xué)性能

根據(jù)中國(guó)鐵路總公司機(jī)車制動(dòng)盤和制動(dòng)閘片的技術(shù)條件規(guī)定，對(duì)制動(dòng)盤和制動(dòng)閘片的材料、物理力學(xué)性能和金相組織有相關(guān)要求，具體要求如表1 和表2所示。

表1 制動(dòng)閘片摩擦體要求

表2 制動(dòng)盤盤體材料要求

2 摩擦副摩擦磨損性能

機(jī)車鑄鐵盤與合成閘片以及鑄鋼盤與粉末冶金閘片兩種不同材質(zhì)組成的摩擦副，其對(duì)摩擦系數(shù)要求是一致的，閘片瞬時(shí)摩擦系數(shù)的允許范圍詳見(jiàn)圖1，平均摩擦系數(shù)的允許范圍詳見(jiàn)圖2。

圖1 摩擦副瞬時(shí)摩擦系數(shù)允許范圍

圖2 摩擦副平均摩擦系數(shù)允許范圍

在相同制動(dòng)試驗(yàn)程序的條件下，由于合成閘片的耐熱耐磨性能明顯低于粉末冶金閘片的耐磨性，因此不同材質(zhì)閘片的磨損性能略有差異，粉末冶金閘片允許磨耗量不超過(guò)0.5 cm3/MJ，合成閘片運(yùn)行磨耗量不超過(guò)0.8 cm3/MJ。對(duì)于機(jī)車而言，不同材質(zhì)組成的摩擦副摩擦系數(shù)波動(dòng)范圍要求一致，有利于實(shí)現(xiàn)不同車輛平臺(tái)制動(dòng)系統(tǒng)的統(tǒng)型，可使車輛按照一定的減速度停車，既提高了機(jī)車停車距離的精度，也利于和諧系列機(jī)車下一步互聯(lián)互通的統(tǒng)型。

3 其他影響因素

張建輝、謝小軍等［6、7］研究表明：當(dāng)制動(dòng)盤和制動(dòng)閘片之間的間隙過(guò)小甚至接觸，本應(yīng)平行接觸的兩個(gè)平面易構(gòu)成一定的夾角，造成閘片局部與制動(dòng)盤盤面接觸摩擦。這種異常的局部接觸產(chǎn)生的摩擦熱量擴(kuò)散和對(duì)流較差，易造成摩擦副接觸面溫度急劇升高，摩擦副內(nèi)部產(chǎn)生熱應(yīng)力，進(jìn)而形成裂紋，造成摩擦副熱損傷。因此，應(yīng)保證制動(dòng)盤與制動(dòng)閘片的間隙至少設(shè)置為2～4 mm，推薦調(diào)整到2～6 mm。

武漢理工大學(xué)朱愛(ài)強(qiáng)等人［8］應(yīng)用ANSYS 有限元分析軟件模擬盤式制動(dòng)器制動(dòng)過(guò)程瞬態(tài)溫度場(chǎng)，深入研究了材料匹配性對(duì)制動(dòng)器溫度場(chǎng)的影響規(guī)律。結(jié)果表明：

1）材料匹配性對(duì)制動(dòng)器摩擦副的制動(dòng)表面溫度場(chǎng)影響較大，且制動(dòng)閘片性能參數(shù)對(duì)制動(dòng)摩擦表面溫度的貢獻(xiàn)要比制動(dòng)盤的大；

2）材料密度、比熱容和熱導(dǎo)率等方面的匹配性對(duì)摩擦表面溫度場(chǎng)的有較大影響，對(duì)于同類鑄鐵制動(dòng)盤，若其材料密度、比熱容和熱導(dǎo)率等不同，其制動(dòng)摩擦表面溫度也有差異；

3）鑄鐵材料密度越低，對(duì)應(yīng)的制動(dòng)摩擦表面溫度也越低，且制動(dòng)表明溫度分布更均勻。因此，在進(jìn)行制動(dòng)器摩擦副匹配選擇時(shí)，應(yīng)優(yōu)先選擇密度較低、比熱容與熱傳導(dǎo)系數(shù)較大的鑄鐵材料。

此外，徐偉等人［9］采用有限元方法對(duì)盤式制動(dòng)器接觸應(yīng)力分布狀況進(jìn)行系統(tǒng)研究，研究結(jié)果表明：

1）閘片的彈性模量和熱膨脹系數(shù)直接影響摩擦副接觸應(yīng)力分布，在不改變其他參數(shù)的情況下適當(dāng)降低閘片的彈性模量可以降低摩擦副接觸應(yīng)力，接觸應(yīng)力的分布更加均勻；

2）較小的閘片熱膨脹系數(shù)對(duì)改善接觸應(yīng)力分布狀況有利；

3）熱流參數(shù)影響總體熱流的輸入，進(jìn)而影響接觸應(yīng)力，選配摩擦副在調(diào)整整體熱流輸入較小的同時(shí)，應(yīng)選擇比熱容大、熱傳導(dǎo)系數(shù)大的閘片材料。

4 摩擦副匹配性研究

4.1 摩擦副性能設(shè)計(jì)本文通過(guò)對(duì)HXDID型機(jī)車鑄鋼盤和粉末冶金制動(dòng)閘片的產(chǎn)品運(yùn)用情況分析，影響制動(dòng)摩擦副的主要性能指標(biāo)是制動(dòng)盤和閘片的密度、硬度以及制動(dòng)閘片摩擦體剪切強(qiáng)度、襯板和摩擦體粘接強(qiáng)度。從對(duì)現(xiàn)車制動(dòng)盤硬度和制動(dòng)閘片密度和硬度檢測(cè)結(jié)果可知（見(jiàn)表3）：國(guó)產(chǎn)制動(dòng)盤比進(jìn)口制動(dòng)盤硬度相當(dāng)，對(duì)應(yīng)閘片的密度和硬度基本一致，摩擦副的密度和硬度匹配基本一致。表4 列舉了制動(dòng)閘片剪切強(qiáng)度的檢測(cè)結(jié)果，從結(jié)果可知：基體的剪切強(qiáng)度兩者基本一致，而粘接面的剪切強(qiáng)度，進(jìn)口閘片要明顯高于國(guó)產(chǎn)，但兩者均高于鐵路總公司技術(shù)條件的要求，而且摩擦體剪切強(qiáng)度應(yīng)低于界面粘接強(qiáng)度。從各機(jī)車運(yùn)用段實(shí)際使用情況來(lái)看：國(guó)產(chǎn)閘片發(fā)生掉塊、脫落的概率要高于進(jìn)口閘片，我們從試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果就可以說(shuō)明這一問(wèn)題。因此，對(duì)于機(jī)車粉末冶金閘片而言，為防止摩擦體從襯板上脫落，應(yīng)將界面粘接強(qiáng)度要求值提高，界面粘接強(qiáng)度設(shè)計(jì)值建議不低于12 MPa。

表3 制動(dòng)盤和制動(dòng)閘片的密度、硬度檢測(cè)結(jié)果

表4 粉末冶金制動(dòng)閘片剪切強(qiáng)度檢測(cè)結(jié)果

4.2 摩擦副性能對(duì)比試驗(yàn)為驗(yàn)證不同物理力學(xué)性能的制動(dòng)摩擦副組合的摩擦磨損性能表現(xiàn)，本文利用國(guó)內(nèi)具有鐵路產(chǎn)品認(rèn)證資質(zhì)的1:1 型式試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行了不同供應(yīng)商產(chǎn)品之間交叉組合試驗(yàn)。

試驗(yàn)工況1：摩擦副平均摩擦系數(shù)試驗(yàn)結(jié)果如表5所示，結(jié)果表明：不同制動(dòng)壓力工況下國(guó)產(chǎn)制動(dòng)摩擦副組合的平均摩擦系數(shù)均高于相同試驗(yàn)條件下的進(jìn)口制動(dòng)摩擦副；對(duì)于同一種制動(dòng)盤而言，國(guó)產(chǎn)閘片和進(jìn)口閘片的平均摩擦系數(shù)相差不超過(guò)10%；但是對(duì)于同一種閘片而言，對(duì)偶制動(dòng)盤不同，平均摩擦系數(shù)的相差超過(guò)10%，在10～20%之間。由此可見(jiàn)，制動(dòng)盤的性能不同，對(duì)摩擦副的平均摩擦系數(shù)影響較大。

表5 不同摩擦副組合對(duì)應(yīng)的制動(dòng)盤最高溫度

試驗(yàn)工況2：試驗(yàn)過(guò)程中制動(dòng)盤最高溫度對(duì)比結(jié)果見(jiàn)表5，結(jié)果表明：國(guó)產(chǎn)閘片與國(guó)產(chǎn)制動(dòng)盤組合時(shí)，制動(dòng)盤最高溫度與進(jìn)口閘片與進(jìn)口制動(dòng)盤組合時(shí)溫度相當(dāng)，進(jìn)口制動(dòng)盤與國(guó)產(chǎn)閘片組合時(shí)，制動(dòng)盤最高溫度略高于進(jìn)口閘片與國(guó)產(chǎn)制動(dòng)盤組合。之所以會(huì)產(chǎn)生溫度差異，一方面與摩擦副自身的結(jié)構(gòu)散熱結(jié)構(gòu)有關(guān)，另一方面與摩擦副自身的材料熱容量有關(guān)。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)深入分析研究發(fā)現(xiàn)要改善高速電力機(jī)車用制動(dòng)摩擦副性能匹配性，主要應(yīng)從以下幾個(gè)方面進(jìn)行。

1）對(duì)不同材質(zhì)組成的摩擦副摩擦系數(shù)要求一致，實(shí)現(xiàn)不同車輛平臺(tái)制動(dòng)系統(tǒng)的統(tǒng)型；

2）制動(dòng)摩擦副配對(duì)時(shí)，選擇密度較低鑄鐵制動(dòng)盤材料和比熱容與熱傳導(dǎo)系數(shù)較大的閘片材料；

3）對(duì)于機(jī)車粉末冶金閘片而言，為防止摩擦體從襯板上脫落，應(yīng)將界面粘接強(qiáng)度要求值設(shè)計(jì)不低于12 MPa。

4）對(duì)于運(yùn)用部門，為保證機(jī)車運(yùn)行的安全穩(wěn)定性，應(yīng)注意到不同摩擦副組合的性能差異性，單個(gè)輪對(duì)所用的制動(dòng)摩擦副應(yīng)保持一致。