王 磊１,潘祺睿２,朱 松２,吴射章２
(１．南京铁道职业技术学院,南京 ２１００３１;２．中车戚墅堰机车车辆工艺研究所有限公司,常州 ２１３０１１)
摘 要:通过对材料配方进行优化设计,利用粉末冶金方法制备了高速列车用铜基粉末冶金闸片摩擦块,测试了其物理和力学性能;通过对闸片结构进行优化,组装出新型浮动式结构闸片,测试了闸片的摩擦磨损性能.结果表明:该闸片用摩擦块的剪切强度不小于７MPa;闸片的平均摩擦因数为０．３７±０．０５,平均磨损量为０．１２６×１０－６cm３??J－１,满足国际铁路联盟对闸片摩擦磨损性能的要求;其制动性能也满足速度在３５０km??h－１及以上高速列车的要求.
关键词:高速列车;闸片;粉末冶金;摩擦磨损;制动性能
０ 引 言
闸片是高速列车制动系统的关键部件,通过闸片摩擦块和制动盘盘面的摩擦将列车的动能转化为摩擦热能,实现列车减速并最终停车.而列车运行速度的提升对闸片摩擦块材料提出了更高的要求.
当今国际上知名的闸片供应商,如克诺尔、法维莱、曙制动等,正在不断开发新结构、高性能的粉末冶金闸片,以满足高速列车的飞速发展.目前闸片的结构主要有三种形式:固定式、弹性式和浮动式等.固定式 和 弹 性 式 结 构 闸 片 多 应 用 于 速 度 为２００~３００km??h－１的高速列车,３００km??h－１ 及以上的高速列车则普遍采用浮动式结构闸片.
列车的运行速度越高,制动摩擦副产生的摩擦热就越大,对闸片摩擦块材料的耐高热负荷和制动摩擦磨损性能的要求就越高.速度为３５０km??h－１的高速列车制动时摩擦表面上的瞬时最高温度可能超过９００ ℃,传统的合成材料和普通的粉末冶金材料无法承受如此苛刻的工况[１],因此,日本新干线、法国TGV(Trainà Grande Vitesse)和 德 国 ICE(InterCityExpress)等高速列车均采用了高性能铜基粉末冶金闸片[２].目前我国速度为３００km??h－１及以上的高速列车用闸片主要依赖进口,其中克诺尔公司的闸片占中国市场份额的７０％~９０％.为打破国外技术垄断,提高我国轨道交通装备的国产化率,亟需开发一种新型高性能铜基粉末冶金闸片,该闸片不仅要具有高而稳定的摩擦因数、较长的使用寿命,而且对制动盘的摩擦损伤应尽可能的小,以满足我国高速列车在复杂工况下服役的要求.
因此,作者以 CRH２型高速列车用国产化闸片为基础,结合前期试验参数优化摩擦块材料配方,采用粉末冶金方法制备了具有浮动式结构的粉末冶金闸片,测试了摩擦块材料的物理和力学性能,并进行了闸片的制动动力验证试验.
１ 试样制备与试验方法
１．１ 试样制备
国际铁 路 联 盟 发 布 的 UIC５４１Ｇ３ 规 范 和 中 国铁道行业相关规定均要求闸片摩擦块材料配方中不应使用石 棉、铅 或 锌 及 其 化 合 物 以 及 其 他 可 能危害人体健康,产生有害气体、粉尘或化合物的材料.因此,作者在前期配方[３]的基础上,通过研究多元合金基 体、润 滑 组 元 和 摩 擦 组 元 等 配 比 对 闸片摩擦块强度、黏结强度、热导率和耐热性能的影响,确定了原材料最优的粉体形貌、粒径分布和相对密度,并 对 原 材 料 配 方 进 行 优 化 设 计.试 验 原材料有铜(Cu)粉、铁(Fe)粉,粒 径 均 为 ７５μm,纯度均在９９．５％以上;锡(Sn)粉、镍(Ni)粉,粒径 均为４５μm,纯度均在９９％以上;鳞片石墨(C),粒径为１５０μm,碳化硅(SiC)、二氧化硅(SiO２)和氧化铝(Al２O３)粉,粒 径 在 ７５~１５０μm.优 化 配 方 如表１所示.
闸片结构是影响高速列车制动性能的关键因素,作者设计的闸片采用浮动式结构,主要由安装板、摩擦块(由摩擦体和背部销体组成)、调整器和弹簧卡圈等部件组成,如图１所示.大摩擦块包括６个摩擦块１和１２个摩擦块２,摩擦块２沿安装板的内外弧分布,并将摩擦块１夹在中间.为防止摩擦块在制动过程中超出制动盘摩擦面而造成损伤,摩擦块２设计成不规则的五边形,且圆弧面朝外.安装板调节筋采用去除材料的方式,将安装板变成２个独立的调整单元,每个调整单元上装有３个调整器,每个调整器上分布有３个摩擦块,３个摩擦块组成一个平面单元.在制动力作用下,闸片平面单元上的摩擦块可自动调整到一个摩擦平面上.由于安装板的作用,２个调整单元可以调整到一个整体平面上,实现闸片与制动盘的最大贴合,极大地提高制动效率,有效避免因闸片受力不均而产生制动盘热斑.
按照表１进行配料,将称好的原料放入 V 型混料机中均匀混合２~３h,再倒入模具中进行冷压成形,压力为３００~５００MPa.将成形坯体固定在表面镀铜的背部销体上,然后放入钟罩式加压烧结炉中进行加压烧结,烧结温度为８５０~１０００ ℃,保温时间为１~２h,烧结压力为２~４MPa,采用７５％氢气＋２５％氮气(体积分数)的混合气体作为烧结保护气体,随炉冷却即制得不同尺寸的摩擦块１和２.根据上述结构设计将调整器摆放到安装板上,然后将摩擦块背部销体先后穿过调整器和安装板上对应的孔,最后借助专用工装将弹簧卡圈套在摩擦块背部销体对应的凹槽处,实现摩擦块的弹性浮动连接,组装后的成品如图１(c)所示.
１．２ 试验方法
采用 ML３０３/０２型密度分析天平、HBＧ３０００型布氏硬度计、WDWＧ１００型电子万能试验机等,分别按照GB/T１０４２１－２００２、GB/T２３１．１－２００９ 和TJ/CL３０７－２０１４测试摩擦块的密度、硬度和剪切强度.
按照 TJ/CL３０７－２０１４的 C．４试验程序,采用中铁检验认证(常州)机车车辆配件检验站有限公司的１∶１制动动力试验台对组装好的闸片进行摩擦磨损性能验证(台架试验),试验程序包括闸片磨合试验、常用干燥制动试验、紧急干燥制动试验、潮湿制动试验和静摩擦试验等.主要试验条件:试验单盘制动质量为５．７t,对偶制动盘材料为铸钢(硬度不小于２９０ HBW),轴 装 制 动 盘 直 径 为 ６４０ mm,模拟动车组车轮直径为９２０mm,最高制动初始速度为３８０km??h－１,双侧制动压力分别为１２．０,２３．０,３１．５kN,喷水量为２５L??h－１.利用热成像仪记录速度为３５０km??h－１紧急制动试验工况下制动盘表面的瞬时温度分布。
２ 试验结果与讨论
２．１ 闸片摩擦块的物理和力学性能
由表２ 可 知,制 备 的 闸 片 摩 擦 块 满 足 TJ/CL３０７－２０１４规定的性能要求.
２．２ 闸片的摩擦磨损性能
２．２．１ 闸片的平均摩擦因数
由图２可知,该闸片的平均摩擦因数为０．３７±０．０５,波动范围较小,且均在上下限值范围内,符合TJ/CL３０７－２０１４和国际铁路联盟 UIC５４１Ｇ３标准的要求.
２．２．２ 制动参数对闸片摩擦性能的影响
由图３可以看出,无论是在干燥工况还是在潮湿工况下,在相同的制动初始速度下,随着制动压力的增大,闸片的平均摩擦因数降低,对应的制动盘表面最高温度升高.根据文献[４]可知:在一定的制动初始速度下,闸片的平均摩擦因数随着制动压力的增大而减小;提高制动压力,制动时间将缩短,盘面制动能量将在更短的时间内集聚,从而导致制动盘表面温度迅速升高.在相同的制动压力下,闸片的平均摩擦因数和制动盘表面最高温度均随着制动初始速度的增加而增大和升高.在一定的制动初始速度范围内,闸片摩擦块的强度对摩擦因数起主要作用,摩擦因数随着制动初始速度的提高而增大;此外,制动能量与制动初始速度的平方成正比,随着制动初始速度增大,制动能量急剧增加,对应的制动盘表面温度也随之升高.
由图３还可以看出,在相同制动初始速度和制动压力下,潮湿工况下闸片的平均摩擦因数和制动盘表面最高温度均比干燥工况下的低.这主要是因为闸片摩擦块材料为多孔结构,吸水后将在制动盘表面形成一层水膜,该水膜对摩擦表面有润滑作用,从而导致平均摩擦因数下降.另外,持续流动的水会带走摩擦表面的热量,因此制动盘表面的温度会随之下降.此外,随着制动压力和制动初始速度的增大,两种工况下闸片平均摩擦因数的相差幅度减小.这主要是由于在高速高压的制动条件下,摩擦表面的热量快速聚集,制动盘表面温度迅速升高,水受热变成水蒸气而挥发,使盘面失去了水膜的润滑作用,因此,两种工况下的平均摩擦因数的差距逐渐缩小,这也是粉末冶金闸片区别于合成闸片的显著特点.
２．２．３ 其他制动性能指标
紧急制动距离是列车在出现电制动失效的情况下,依靠闸片摩擦块和制动盘的摩擦作用使列车停下来的实际距离,是列车安全性的关键指标.铁科技[２００９]２１２号«铁路客运专线技术管理办法(试行)»第１１６条对制动距离作出了规定:速度３００km??h－１时的紧急制动距离不大于３８００m,速度３５０km??h－１时的紧急制动距离不大于６５００m.试验结果表明,当制动初始速度为３００km??h－１时,试验闸片的紧急制动距离为３５６４m,当制动初始速度为３５０km??h－１时,紧急制动距离为５３１９m,满足相关规定。
由图４可见,在速度３５０km??h－１ 紧急制动时整个对偶制动盘表面的瞬时温度差仅为１５．７ ℃,制动盘表面温度分布均匀.可见试验闸片可有效避免对偶制 动 盘 表 面 热 斑 的 发 生,减 少 制 动 盘 萌生裂纹的可能。
制动盘表面最高温度出现在制动初始速度为h－１时,达到了６５８ ℃,但仍未达到制动盘力学性能变化的临界温度.闸片的平均静摩擦因数为０．３６６,具有较高的安全系数.此外,闸片的平均磨损量为０．１２６×１０－６cm３??J－１,满 足UIC５４１Ｇ３规 定 的粉末冶金闸片磨损量不超过０．３５０×１０－６cm３??J－１的要求。
由图５可见:台架试验后,闸片摩擦块表面完整,无裂纹,磨损均匀,未发现掉边、掉渣和掉块等异常现象;闸片的其它部件连接可靠,未见异常;制动盘表面平整,未见可视裂纹,未发现明显的犁痕式或沟状等异常磨损现象。
３ 结 论
(１)利用粉末冶金法制备了闸片用摩擦块,其剪切强度不低于７MPa;组装成的闸片平均摩擦因数为０．３７±０．０５,平均磨损量为０．１２６×１０－６cm３??J－１,满足国际铁路联盟标准对闸片摩擦磨损性能的要求.
(２)在台架试验中,该闸片的平均摩擦因数随制动初始速度的提高而增大,随着制动压力的增大而减小.
(３)当制动初 始 速 度 为 ３５０km??h－１ 时,试 验闸片的紧急制动距离为５３１９ m,满足相关规定,且制动盘表 面 温 度 分 布 均 匀;台 架 试 验 后 闸 片 摩擦块表 面 完 整,结 构 安 全 可 靠,与 制 动 盘 匹 配 良好,可满足速度３５０km??h－１及以上高速列车的制动性能要求.