機車用制動摩擦副性能匹配性試驗研究

王 磊

（南京鐵道職業(yè)技術(shù)學院，高級工程師，江蘇 南京 210031）

我國機車制動主要采用閘瓦制動和輪盤制動兩種方式［1］，輪盤制動是通過閘片與安裝在車輪兩側(cè)的制動盤進行摩擦實現(xiàn)列車減速或停車。高速電力機車制動時，要求制動部分能在短時間內(nèi)耗散制動產(chǎn)生的巨大能量，滿足制動距離要求，因此采用輪盤制動方式能更有效地降低車輪踏面熱負荷和機械磨耗，達到更好的制動效果。

盤形制動摩擦副主要由制動盤和制動閘片兩個關(guān)鍵部件組成。長期以來，國內(nèi)高速電力機車用制動摩擦副產(chǎn)品主要來自于德國克諾爾公司，因其提供的是整套制動摩擦副產(chǎn)品，產(chǎn)品質(zhì)量和穩(wěn)定性較好。為了降低生產(chǎn)成本，促進行業(yè)發(fā)展，國內(nèi)各家企業(yè)院所積極開展了盤形制動摩擦副的國產(chǎn)化替代研究工作，取得了一定成效。文獻［2-4］研究表明：熱應力會使制動盤產(chǎn)生熱裂紋從而導致失效，直接影響列車的行車安全，文獻［5］應用熱-機耦合的方法，對制動盤進行了三維瞬態(tài)溫度場和應力場仿真分析，結(jié)果表明：不同制動初速下，制動盤溫度變化規(guī)律相似，但制動初速度高對應的溫升也高。

目前國內(nèi)外的研究主要是圍繞制動摩擦副溫度場和應力場而開展的，對于實際運行中出現(xiàn)的如摩擦副的異常磨耗，甚至摩擦副產(chǎn)品的掉塊、脫落、制動抖動等可能威脅行車安全的等問題則研究不足。經(jīng)分析產(chǎn)生上述問題的原因大多是由于制動摩擦副存在性能匹配不合理。因此，有必要深入研究制動摩擦副產(chǎn)品特性，并從產(chǎn)品性能要求、設(shè)計參數(shù)等方面進行制動匹配性研究，提出優(yōu)化改進建議，保障高速電力機車安全、可靠運營。

1 摩擦副常規(guī)物理力學性能

根據(jù)中國鐵路總公司機車制動盤和制動閘片的技術(shù)條件規(guī)定，對制動盤和制動閘片的材料、物理力學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 制動閘片摩擦體要求

表2 制動盤盤體材料要求

2 摩擦副摩擦磨損性能

機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，其對摩擦系數(shù)要求是一致的，閘片瞬時摩擦系數(shù)的允許范圍詳見圖1，平均摩擦系數(shù)的允許范圍詳見圖2。

圖1 摩擦副瞬時摩擦系數(shù)允許范圍

圖2 摩擦副平均摩擦系數(shù)允許范圍

在相同制動試驗程序的條件下，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0.5 cm3/MJ，合成閘片運行磨耗量不超過0.8 cm3/MJ。對于機車而言，不同材質(zhì)組成的摩擦副摩擦系數(shù)波動范圍要求一致，有利于實現(xiàn)不同車輛平臺制動系統(tǒng)的統(tǒng)型，可使車輛按照一定的減速度停車，既提高了機車停車距離的精度，也利于和諧系列機車下一步互聯(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：當制動盤和制動閘片之間的間隙過小甚至接觸，本應平行接觸的兩個平面易構(gòu)成一定的夾角，造成閘片局部與制動盤盤面接觸摩擦。這種異常的局部接觸產(chǎn)生的摩擦熱量擴散和對流較差，易造成摩擦副接觸面溫度急劇升高，摩擦副內(nèi)部產(chǎn)生熱應力，進而形成裂紋，造成摩擦副熱損傷。因此，應保證制動盤與制動閘片的間隙至少設(shè)置為2～4 mm，推薦調(diào)整到2～6 mm。

武漢理工大學朱愛強等人［8］應用ANSYS 有限元分析軟件模擬盤式制動器制動過程瞬態(tài)溫度場，深入研究了材料匹配性對制動器溫度場的影響規(guī)律。結(jié)果表明：

1）材料匹配性對制動器摩擦副的制動表面溫度場影響較大，且制動閘片性能參數(shù)對制動摩擦表面溫度的貢獻要比制動盤的大；

2）材料密度、比熱容和熱導率等方面的匹配性對摩擦表面溫度場的有較大影響，對于同類鑄鐵制動盤，若其材料密度、比熱容和熱導率等不同，其制動摩擦表面溫度也有差異；

3）鑄鐵材料密度越低，對應的制動摩擦表面溫度也越低，且制動表明溫度分布更均勻。因此，在進行制動器摩擦副匹配選擇時，應優(yōu)先選擇密度較低、比熱容與熱傳導系數(shù)較大的鑄鐵材料。

此外，徐偉等人［9］采用有限元方法對盤式制動器接觸應力分布狀況進行系統(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力分布，在不改變其他參數(shù)的情況下適當降低閘片的彈性模量可以降低摩擦副接觸應力，接觸應力的分布更加均勻；

2）較小的閘片熱膨脹系數(shù)對改善接觸應力分布狀況有利；

3）熱流參數(shù)影響總體熱流的輸入，進而影響接觸應力，選配摩擦副在調(diào)整整體熱流輸入較小的同時，應選擇比熱容大、熱傳導系數(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)計本文通過對HXDID型機車鑄鋼盤和粉末冶金制動閘片的產(chǎn)品運用情況分析，影響制動摩擦副的主要性能指標是制動盤和閘片的密度、硬度以及制動閘片摩擦體剪切強度、襯板和摩擦體粘接強度。從對現(xiàn)車制動盤硬度和制動閘片密度和硬度檢測結(jié)果可知（見表3）：國產(chǎn)制動盤比進口制動盤硬度相當，對應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 列舉了制動閘片剪切強度的檢測結(jié)果，從結(jié)果可知：基體的剪切強度兩者基本一致，而粘接面的剪切強度，進口閘片要明顯高于國產(chǎn)，但兩者均高于鐵路總公司技術(shù)條件的要求，而且摩擦體剪切強度應低于界面粘接強度。從各機車運用段實際使用情況來看：國產(chǎn)閘片發(fā)生掉塊、脫落的概率要高于進口閘片，我們從試驗檢測結(jié)果就可以說明這一問題。因此，對于機車粉末冶金閘片而言，為防止摩擦體從襯板上脫落，應將界面粘接強度要求值提高，界面粘接強度設(shè)計值建議不低于12 MPa。

表3 制動盤和制動閘片的密度、硬度檢測結(jié)果

表4 粉末冶金制動閘片剪切強度檢測結(jié)果

4.2 摩擦副性能對比試驗為驗證不同物理力學性能的制動摩擦副組合的摩擦磨損性能表現(xiàn)，本文利用國內(nèi)具有鐵路產(chǎn)品認證資質(zhì)的1:1 型式試驗臺進行了不同供應商產(chǎn)品之間交叉組合試驗。

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

表5 不同摩擦副組合對應的制動盤最高溫度

試驗工況2：試驗過程中制動盤最高溫度對比結(jié)果見表5，結(jié)果表明：國產(chǎn)閘片與國產(chǎn)制動盤組合時，制動盤最高溫度與進口閘片與進口制動盤組合時溫度相當，進口制動盤與國產(chǎn)閘片組合時，制動盤最高溫度略高于進口閘片與國產(chǎn)制動盤組合。之所以會產(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

通過深入分析研究發(fā)現(xiàn)要改善高速電力機車用制動摩擦副性能匹配性，主要應從以下幾個方面進行。

1）對不同材質(zhì)組成的摩擦副摩擦系數(shù)要求一致，實現(xiàn)不同車輛平臺制動系統(tǒng)的統(tǒng)型；

2）制動摩擦副配對時，選擇密度較低鑄鐵制動盤材料和比熱容與熱傳導系數(shù)較大的閘片材料；

3）對于機車粉末冶金閘片而言，為防止摩擦體從襯板上脫落，應將界面粘接強度要求值設(shè)計不低于12 MPa。

4）對于運用部門，為保證機車運行的安全穩(wěn)定性，應注意到不同摩擦副組合的性能差異性，單個輪對所用的制動摩擦副應保持一致。