軌道車輛用粉末冶金閘瓦性能研究

張宏偉，劉治國

（中車大同電力機車有限公司技術中心，山西 大同 037038）

軌道車輛包括機車、客車、貨車、動車組、城市軌道車等多種類型，機車作為牽引列車的主要軌道交通工具，其制動性能對列車的安全運行至關重要，閘瓦作為制動系統的關鍵部件，閘瓦的產品性能必須穩定可靠。本文以HXD2 系列機車制動系統采用的新型粉末冶金閘瓦為基礎，介紹軌道車輛制動系統閘瓦的試驗及檢驗性能。

1 列車制動

軌道車輛中常見的基礎制動方式主要有摩擦制動、電阻制動等，其中摩擦制動在軌道車輛應用最為廣泛。摩擦制動通常可分為盤型制動和踏面制動2 種類型。盤型制動元件主要為制動圓盤，踏面制動元件主要為閘瓦，盤型和踏面2 種制動方式均需要性能優良的摩擦材料。閘瓦制動，是自有鐵路以來使用最廣泛的一種制動方式，通過車輪踏面和閘瓦之間機械摩擦將列車的動能轉變為熱能，最后消散于大氣，進而實現城市軌道交通車輛速度的控制。閘瓦作為軌道交通車輛制動系統的重要組成部分，在鐵路應用中消耗量極大，其摩擦損耗不僅會提高運輸成本，同時頻繁更換閘瓦，會增加列車運營維護成本，降低閘瓦的壽命周期。為提高閘瓦使用壽命，有必要對不同材料的制動閘瓦性能進行研究。

2 閘瓦材料

閘瓦應用歷史悠久，最早在鐵路馬車上使用木質閘瓦，各個國家軌道交通剛開始使用的閘瓦其材料也不盡相同，閘瓦材料類型先后大致經歷了木質閘瓦、鑄鐵閘瓦、合成閘瓦、粉末冶金閘瓦、復合閘瓦等的演變。隨著科技進步，軌道交通工具也有了高速的發展，木質閘瓦已早早退出歷史舞臺。截至到目前，世界上各個國家的軌道車輛普遍使用的閘瓦主要包括鑄鐵閘瓦、合成閘瓦和粉末冶金閘瓦[1]，在中國，當機車時速低于120 km/h 時，閘瓦普遍采用的是含磷鑄鐵、高摩合成以及半金屬閘瓦。

2.1 鑄鐵閘瓦

早期的普通鑄鐵閘瓦價格相對低廉，鑄鐵閘瓦受氣候的影響較小，摩擦系數相對穩定，由于鑄鐵閘瓦導熱性相對較好，對車輪損害程度小，會使車輪踏面粗化，進而獲得比較大的黏著力，使得鑄鐵閘瓦在鐵道車輛上應用時間最長，應用也最為廣泛[2]。但是鑄鐵閘瓦的缺點也較為明顯，一般普通鑄鐵閘瓦的摩擦系數相對較小，隨著機車車速的提高，閘瓦的摩擦系數會快速下降，當機車高速運行時，摩擦系數下降會變得更加明顯?，F如今隨著機車載重和運行速度的提升，普通的鑄鐵閘瓦已經不能滿足機車制動要求，相關研究表明，改變鑄鐵閘瓦中的磷含量，可以提高鑄鐵閘瓦的摩擦系數和耐磨性。但是含磷量高的鑄鐵閘瓦比較脆，使用過程中容易產生裂紋，使用時需要在瓦背進行補強[3]，現如今各國主要通過增加鑄鐵閘瓦的含磷量或添加少量合金元素來改進鑄鐵閘瓦的性能。現如今使用的鑄鐵閘瓦一般是特種鑄鐵閘瓦，鑄鐵閘瓦也已經形成由普通鑄鐵向特種鑄鐵閘瓦發展的趨勢。

2.2 合成閘瓦

合成閘瓦是指用合成材料制造的閘瓦，主要由瓦背和摩擦體組成，目前中國鐵路貨車使用的合成閘瓦主要是HGM-A 到HGM-D 等4 種型號，不同型號的合成閘瓦其材料配方不同，但結構性能一致。合成閘瓦的瓦背主要由材質牌號為Q235A 或優于Q235A 等鋼板沖壓制成。合成閘瓦摩擦體由黏結材料、增強材料和摩擦材料組成。酚醛樹脂是黏結的主要成分，橡膠為輔助成分。增強材料主要是海泡石、玻璃纖維等，主要影響材料的摩擦性能、耐熱性能等。摩擦材料主要有硫酸鋇、石墨等，用于增強材料的硬度和強度。合成閘瓦質量輕，制動時無火花，車輪踏面磨耗也較少，比用鑄鐵閘瓦可少50%，同時可根據需要通過改變工藝路線和調整材質配方在一定范圍內使閘瓦摩擦系數曲線和黏著系數曲線較好地吻合，使其摩擦系數能夠很大而且對速度的改變不敏感。通過調節黏結材料、增強材料和摩擦材料的成分和含量，進一步提高閘瓦的產品性能。但是合成閘瓦也存在不足，合成閘瓦對鋼軌的干濕狀況相對敏感，受天氣環境影響較大，在潮濕的條件下，摩擦系數會下降，閘瓦在雨雪等天氣情況下制動能力下降。同時合成閘瓦其散熱性能差，制動熱量相對難以散發，從而使得車輪產生溫升，甚至導致熱裂、剝離、金屬鑲嵌等問題。此外，合成閘瓦與車輪踏面反復磨合后，會使二者間的黏性降低，不利于制動。

通常來說，有機合成摩擦材料制成的閘瓦其運用溫度一般要求不超過250 ℃，當閘瓦制動處的溫度達到250 ℃時，有機合成閘瓦材料其磨損率會急劇增加。當溫度比較高時，材料的組分會發生改變，摩擦系數也將隨之改變。

2.3 粉末冶金閘瓦

粉末冶金閘瓦的材料主要是由非金屬和金屬復合組成的復合材料。在組成和產品的多樣性上具有靈活性，在此類復合材料中，非金屬具有高熔點和堅硬耐磨的特點，金屬具有良好的塑性和導熱性等特點，使得閘瓦耐磨性和導熱性都較好[4]。同時粉末冶金閘瓦既具有有機合成閘瓦的摩擦系數不隨列車速度變化而變化的優點，又具有鑄鐵閘瓦的摩擦系數不受天氣氣候影響的優點，在復雜環境中能夠更好地保證制動效果和行車安全。

粉末冶金閘瓦在國外已有了廣泛應用[5]，法國國營鐵路在巴黎市郊鐵路車輛上應用了粉末冶金閘瓦，克服了山區和冰雪等不利環境的影響。美國將粉末冶金閘瓦運用于機車克服多雨等不良天氣的不利影響，加拿大和瑞典等幾國的大功率機車和高速列車都曾使用這種閘瓦，更換率更低，制動性能更好，取得了良好的運用效果。

3 閘瓦金屬鑲嵌原因分析

HXD2 系列電力機車基礎制動裝置采用踏面制動，其閘瓦使用的是符合UIC 541-4 標準的進口有機高磨合成閘瓦，該閘瓦最初批量裝車在HXD2 系列電力機車上，在運行過程中存在金屬鑲嵌問題。

一般情況下，機車運行過程中閘瓦和輪摩擦下的金屬粉末都應該落到道床上，當出現特殊情況時，金屬鑲嵌物不會掉落到道床，反而會嵌入閘瓦內部。在一定條件下，金屬鑲嵌起始點會逐漸變大，在金屬鑲嵌物變大過程中，制動產生的摩擦熱會使閘瓦發脆、碳化，有的鑲嵌物在制動時發生松動然后脫落，有的會進行聚集，當聚集到一定程度時會導致抱閘[6]。此時容易發生輪對過熱和閘瓦熔化，出現金屬鑲嵌現象。合成閘瓦產生金屬鑲嵌的現象錯綜復雜，車輪及閘瓦材質、運行環境情況、制動工況等對其都有影響。

為有效解決有機合成閘瓦使用過程中存在的金屬鑲嵌問題，中車大同電力機車有限公司與軌道行業相關企業一起研制開發了新型閘瓦。新研制的粉末冶金閘瓦能夠與HXD2 系列電力機車裝用的有機合成閘瓦進行整體互換。

4 HXD2 系列電力機車用粉末冶金閘瓦性能檢測及計算驗證[7]

4.1 物理力學性能檢測

根據TJ/JW 056—2014《交流傳動機車粉末冶金閘瓦暫行技術條件》，對新型粉末冶金閘瓦的外觀、尺寸、摩擦材料的密度、硬度、抗壓強度、抗剪強度和沖擊韌性進行了檢測。檢測結果如表1所示。

表1 新型粉末冶金閘瓦摩擦體物理力學性能檢測結果

4.2 緊急制動距離計算

緊急制動時的機車制動力B=8×2×40.1×0.22=141.2 kN。

緊急制動時的減速度a=141.2/（25×8×1.1）=0.624 m/s2。

制動有效距離Se=V2/2a=865.2 m。

制動空走距離Sk=（120/3.6）×2.5=83.3 m。

實際制動距離S=Se+Sk=865.2+83.3=948.5 m。

4.3 停放制動校核

機車在30‰坡道的下滑力Fh=25×8×9.81×0.03=58.86 kN。

機車基礎制動裝置提供的停放制動力Ft=8×26.8×0.4=85.76 kN。

停放制動的安全系數為Ft/Fh=85.76/58.86=1.46。

4.4 閘瓦熱負荷計算

4.4.1 計算參數

閘瓦熱負荷計算參數如表2所示。

表2 閘瓦熱負荷計算參數

4.4.2 計算工況

連續2 次純空氣緊急制動。閘瓦熱負荷計算結果如圖1所示。

圖1 閘瓦熱負荷計算結果

4.4.3 計算結果

計算結果顯示，機車制動初速為120 km/h 時，進行連續2 次純空氣緊急制動，新型粉末冶金閘瓦局部最高溫度為290 ℃。

4.5 計算結果分析

根據以上計算分析，機車緊急制動距離948.5 m，停放安全系數1.46，連續2 次純空氣緊急制動閘瓦局部最高溫度為290 ℃，均滿足HXD2 八軸機車技術規范的要求。從技術性能的角度考慮，新型粉末冶金閘瓦的耐磨性優于合成閘瓦，新型粉末冶金閘瓦可以替代目前的合成閘瓦，成為HXD2 系列機車閘瓦裝車的另一個選擇方案。

5 結論

相關檢驗和計算驗證了新型粉末冶金閘瓦可以滿足HXD2 系列機車技術規范的要求，且考慮到粉末冶金閘瓦配方和合成閘瓦的區別，該閘瓦在實際裝車使用后可以有效減少閘瓦金屬鑲嵌的現象。

該新型粉末冶金閘瓦已通過鐵道科學研究院環形鐵道基地的緊急制動距離試驗驗證，試驗效果良好，各項數據均滿足試驗大綱要求，試驗過程中也未出現金屬鑲嵌等不良現象。

目前，該新型粉末冶金閘瓦正在相關鐵路局HXD2 八軸機車上進行裝車運用考核，截至目前，在考核期間，各項性能指標均表現良好，通過加強檢查，閘瓦發生金屬鑲嵌大幅度降低，大大降低了閘瓦發生鑲嵌的次數，表明粉末冶金閘瓦具有良好的制動性能和環境適應性能，能滿足軌道車輛的使用要求，具有廣闊的應用前景。