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250km/h及以上高速列车用制动闸片的研究

发布时间:2016-01-19 09:12 来源:admin 阅读:
摘  要:通 过粉末冶金技术,研制出铜基摩擦材料。通过定速摩擦试验机,测试了转速、制动压力对闸片材料摩擦磨损性能的影响。结果表明:该材料的摩擦系数随着转速的提 高先是减小而后增大,材料磨损量和盘面温度则先是增大而后减小;当转速一定时,随制动压力的增大,材料的摩擦系数减小,制动压力对材料磨损量和盘面温度的 影响较小。1:1制动试验结果表明:该闸片满足250km/h及以上高速列车制动要求。
关键词:高速列车;制动闸片;摩擦磨损;铜基摩擦材料
前言
高速列车制动闸片是列车制动系统的关键部件,其制动性能直接影响高速列车运营的安全性和平稳性。传统的树脂基半金属制动材料已不能满足250km/h及以上高速列车制动要求,粉末冶金制动材料具有摩擦系数高,摩擦系数受温度、压力和速度的影响小,耐高温,抗咬合性好,磨损小,寿命长等优点,已成为高速列车闸片较为理想的制动材料,并已应用在日、法、德等铁路运输发达国家250km/h以上的高速列车上。目前我国250km/h及以上高速列车用制动闸片主要依赖进口,因此我国亟待研制生产拥有自主知识产权、制动安全、耐高温、耐磨损的250km/h及以上高速列车用制动闸片,以实现高速列车用制动闸片的国产化。
本文根据高速列车制动闸片的制动性能要求,采用粉末冶金工艺研制出铜基摩擦材料。该材料具有较高的摩擦系数和良好的耐磨性,可适用于250km/h及以上高速列车。
1实验材料
1.1  高速列车制动闸片性能要求
高速列车制动闸片在工作时,承受高温、高压、冲击载荷和交变应力等综合作用,其服役条件苛刻。因此,高速列车制动闸片应满足如下条件:
(1) 闸片应有足够高而稳定的摩擦系数,以实现安全、有效的制动;
(2) 闸片应有足够的耐磨性、以保证其使用寿命,使闸片能长期工作;
(3) 闸片应具有足够的机械性能,尤其是高温强度,还应具有优良的导热性;
(4) 对偶件的磨损应尽量小,同时闸片与背板要结合牢固。
1.2 材料组元选择
作为高速列车制动材料的基体,必须具有高的热稳定性、足够的高温强度和耐热冲击强度。因此,本文选择Cu、Zn、Sn和Fe作为高速列车制动闸片的基体组元。
摩擦组元的作用是切削转移到对偶面上的堆积物和氧化物,提高摩擦系数、保证与对偶表面的适当啮合,并使对偶表面保持良好的性能。本文选用SiO2、Al2O3和MoO3作为摩擦组元。Al2O3可稳定摩擦系数,烧结时无晶形转变,能提高材料的热稳定性。SiO2和MoO3对提高和稳定摩擦系数,降低磨损有一定作用。
高速列车制动闸片是在干摩擦条件下工作,工作状况差,加入润滑组元可降低闸片的磨损,延长闸片的使用寿命。本文选用C 和Pb作为润滑组元。石墨是摩擦材料中主要的固体润滑剂,对材料的耐磨性及制动平稳性起着重要的作用。低熔点组元Pb在列车制动过程中,随着温度的升高熔化,在摩擦表面形成润滑膜,可防止摩擦表面粘结,提高材料的耐磨性。
经过上述分析和实验研究,本文选用的材料配方如表1所示。

表1   制动闸片材料的配方组成(%)

基体组元 摩擦组元 润滑组元 其  它
Cu Sn Zn Fe SiO2+ Al2O3+MoO3 C +Pb 添加剂
55~75 3~8 3~8 2~6 8~25 7~16 2以下
 

1.3 制备工艺
本实验采用的闸片制备工艺路线是:
在闸片的整个 制备过程中,影响闸片性能的主要因素是烧结工艺,其中最主要是烧结温度,烧结压力和保温时间。因此在摸索闸片制备工艺过程中应综合考虑非金属物质的含量及 其熔点,烧结温度要保证粉末之间充分合金化;烧结压力要注意温度和烧结面积的影响,即要考虑闸片的密度,又要兼顾闸片的硬度。保温时间的选择应使粉末充分 完成烧结过程。通过一系列的实验摸索,最终我们采用的烧结温度为800℃~930℃,烧结压力为3~6Mpa,保温时间为30~60min。
2 实验结果与分析
通过对材料组元和工艺的研究,制备出如图2所示的高速列车制动闸片。从该闸片材料上截取尺寸为25mm×25mm×产品厚度和25mm×12.5mm×产品厚度的试样进行定速摩擦磨损试验。摩擦磨损试验是在QDM150型干式摩擦材料试验机上进行。对偶材料是HT200。
2.1.1 转速对闸片材料摩擦磨损性能的影响
图3为在0.98MPa制动压力下,不同转速对闸片摩擦磨损性能的变化规律。其中,磨损率的单位为10-7cm3/J,图中表示的温度是实际温度的1/100,单位为℃。

从图3可以看出:闸片材料摩擦系数随着转速的提高先是减小,而后增大。这是由于制动时摩擦表面温度不同造成的。转速在1274rad/min时,闸片表面温度最高,材料的组织基体发生变化,使基体的硬度下降很多,闸片材料表面产生塑性变形及表面SiO2等硬质颗粒压入基体中,使材料的表面空隙减少,摩擦副之间接触面积增大,故摩擦系数最低。
相反,闸片材料的磨损率和盘面温度都随着转速的提高先是增大,而后减小。当转速在1274rad/min时,材料的磨损率最高。这由于在该转速下,闸片材料表面温度最高,基体硬度下降最为明显,导致材料的耐磨性能下降[8]
2.1.2 制动压力对闸片材料摩擦磨损性能的影响
图4为在1910rad/min转速下,施加不同制动压力时闸片摩擦系数的变化规律。从图4中可以看出:随着制动压力的增大,摩擦系数减小。这是由于在一定转速下,摩擦系数可用下式表达[9]: ;式中:为接触点的实际压力,为极限剪切应力,为滞后损失系数,为接触几何形状常数,为单位粗糙度沉陷于对偶体表面的深度,为单位粗糙度的圆角半径。由上式可知,随着压力的增大,摩擦系数减小。当制动压力较低时(0.49MPa),基体材料承受的载荷低,摩擦热产生的温度升高有限,对基体材料强度的降低不显著,基体材料对摩擦组元有较好的支撑作用,结果摩擦系数表现出较高值。当制动压力较高时(0.98MPa),摩擦负荷增加使材料表面温度升高很快,基体材料的强度大大降低,表层摩擦变形区扩大,从而造成摩擦系数处于较低值。同时,闸片材料的磨损率和盘面温度受制动压力的影响比转速的影响小。

2.2 1:1制动试验
该闸片材料能否满足250km/h及以上高速列车的制动要求,必须通过1:1制动试验台的试验验证,因此我们在铁道部科学研究院进行了1:1制动试验。图5所示的是在紧急制动条件下的试验结果。1:1紧急制动试验条件为:车轮直径860mm,轴重14.5t,摩擦半径273.8mm,闸片压力12.858KN×2,采用250km/h高速列车锻钢制动盘。
从图5中可以看出,在制动初速低于275km/h进行紧急制动时,该闸片的瞬时摩擦系数在0.33~0.45之间,摩擦系数较稳定,实验后闸片和制动盘表面无异常。根据《铁路技术管理规程》及相关规定:列车运行速度160km/h以上至200km/h的紧急制动距离为2000米,而在初始速度为250km/h进行紧急制动时,紧急制动距离为3200米。实验结果表明:该闸片在200km/h进行紧急制动时,制动距离为891.5m,在250km/h进行紧急制动时,制动距离为1396.1m,闸片平均磨耗量为0.33cm3/MJ,同时制动盘表面温度在速度为275km/h时仅为441℃,该温度远低于制动盘的耐热最高温度,完全满足中国250km/h及以上高速列车的制动要求。

3 结 论
通过上述实验结果的分析,可以得出如下结论:
1. 在制动压力一定的情况下,闸片材料的摩擦系数随着转速的增大先是减小,而后增加,闸片的磨损率和盘面温度随转速先是增大而后减小。
2. 在转速一定的情况下,闸片材料的摩擦系数随着制动压力的增大而减小,而闸片的磨损率和盘面温度随制动压力的增大而增大。
3. 该闸片材料经铁道部科学研究院1:1制动试验台检测,摩擦过程平稳,满足250km/h高速列车制动要求,可应用在250km/h及以上高速列车上。

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