380km／h高速列車輪裝制動盤研制＊

李繼山，劉 濤，李和平，焦標(biāo)強，陳德峰，顧磊磊，呂寶佳

（1 中國鐵道科學(xué)研究院 機車車輛研究所，北京100081；2 沈陽鐵路局，遼寧沈陽110002）

制動盤其最基本的功能是吸收制動動能并將之轉(zhuǎn)化為熱能散發(fā)到空氣中，在此過程中，制動盤的材料、結(jié)構(gòu)和性能不能被破壞。盤形制動是高速列車的關(guān)鍵技術(shù)之一，是確保高速列車安全的重要措施，尤其是在列車其他安全措施出現(xiàn)故障時，只能靠盤形制動作為安全可靠制動的最后保障［1］。隨著制動速度提高到380 km／h后，緊急制動時制動盤將承受巨大的負(fù)荷，因此現(xiàn)有制動盤的結(jié)構(gòu)、材料、性能均難以承受。因此，創(chuàng)新和優(yōu)化制動盤結(jié)構(gòu)、大幅度提高制動盤和材料耐熱性能、抗疲勞性能，是滿足發(fā)展速度380km／h以上高速列車需求的一項不可或缺的重要任務(wù)，也是國際上該領(lǐng)域的一個競爭熱點。

在高速列車制動盤研究和運用方面，法、德、日、英等國在制動盤材料領(lǐng)域的研究走在了世界的前沿。上述國家不僅對傳統(tǒng)的鑄鐵（鋼）和鍛鋼等摩擦制動材料進(jìn)行了一系列的材料改進(jìn)和優(yōu)化工作，同時還進(jìn)行了新型制動材料如顆粒增強鋁基復(fù)合材料和碳、碳復(fù)合材料的研發(fā)工作。鋼質(zhì)制動盤從20世紀(jì)80年代開始在高速列車上使用。鍛鋼具有較高的強度（≥800MPa）和韌性，同時還具有較高的抗熱龜裂性、良好的耐磨性和耐熱疲勞性，使用壽命長等優(yōu)點。隨著鑄造技術(shù)的不斷進(jìn)步，鑄造工藝日趨完善，鑄鋼制動盤的性能得到很大提高，又由于鑄鋼制動盤有良好的散熱性能，鑄鋼制動盤在高速列車上也得到廣泛應(yīng)用。德國ICE高速列車、中國CRH2型速度350km／h高速列車和CRH3型速度350km／h高速列車均采用了鑄鋼制動盤。然而，在我國所有高速列車制動盤毛坯件目前還依賴進(jìn)口。隨著我國高速列車的大面積推廣應(yīng)用，有必要通過自主研發(fā)，研制出具有自主知識產(chǎn)權(quán)的、適用于速度380km／h高速列車的制動盤，這不僅對我國發(fā)展380km／h高速列車技術(shù)有著重要的保障作用，同時對提升我國制動技術(shù)的國際競爭力也有著重要的推動作用。因此，研制適用于新一代高速列車的制動盤材質(zhì)，大幅度提高制動盤耐熱及熱疲勞性能，是發(fā)展速度380km／h以上高速列車的重要任務(wù)之一。

1 制動盤材質(zhì)選擇

1.1 高速列車制動盤材質(zhì)應(yīng)具有的特性

高速列車緊急制動時，巨大的制動熱負(fù)荷使制動盤產(chǎn)生很大的溫度梯度，并由此產(chǎn)生熱應(yīng)力并可能導(dǎo)致熱裂紋［2］。國際鐵路聯(lián)盟的研究報告表明，制動盤裂紋產(chǎn)生遵從W?hler疲勞曲線，溫升越高，制動盤出現(xiàn)裂紋的速度也越快［3］；制動盤磨耗快慢、制動盤裂紋形成以及裂紋擴展速度都與制動盤的溫升有關(guān)，在高溫狀態(tài)下，制動盤的金相組織、力學(xué)性能、制動摩擦性能都會變化。制動盤的主要設(shè)計判據(jù)因素是制動盤的溫度及熱應(yīng)力，兩者對制動盤壽命直接產(chǎn)生影響。因此，高速列車制動盤材料應(yīng)具有如下物理力學(xué)性能特點：

（1）較強的熱物理性能。制動盤材質(zhì)應(yīng)當(dāng)能承受頻繁的溫度變化，有良好的抗熱疲勞性能，各種工況下摩擦副的摩擦系數(shù)平穩(wěn)、磨損率低。高速制動時盤的溫度將超過600℃以上，制動盤要有良好的耐熱性，同時還應(yīng)具有相當(dāng)高的導(dǎo)熱性、熱容和盡可能小的線脹系數(shù)。

（2）良好的機械性能。制動盤材質(zhì)應(yīng)有足夠的機械強度。在使用過程中制動盤無明顯損傷，磨損率低，高溫工況下變形小。

（3）良好的散熱性能。良好的散熱特性能夠明顯降低制動盤的表面溫度，大大提高制動盤的使用壽命。

（4）適應(yīng)環(huán)境要求。制動盤在潮濕環(huán)境和高低溫環(huán)境下具有足夠的機械強度和抗腐蝕性。

1.2 高速列車制動盤材質(zhì)選擇

目前國內(nèi)外機車車輛制動盤運用較多的材料有鑄鐵、鑄鋼、鍛鋼等［4-6］，鋁質(zhì)材料及碳、碳復(fù)合材料還沒有廣泛應(yīng)用。每種材料由于自身物理力學(xué)性能差異其適用范圍也有不同?；诣F、蠕鐵、球鐵等鑄鐵材質(zhì)以及鋁質(zhì)材質(zhì)適用于300km／h以下的列車；鍛鋼雖然能夠用于300km／h以上的高速列車，但由于其自身鍛造結(jié)構(gòu)限制和結(jié)構(gòu)散熱性能差，易出現(xiàn)熱裂紋。鑄鋼制動盤材料由于在常溫及高溫下的力學(xué)性能、抗熱變形能力和熱穩(wěn)定性能優(yōu)異，韌性、耐磨性和工藝性能好，與粉末冶金閘片組成摩擦副時其摩擦磨損性能良好。上述特點已在我國既有200～350km／h高速動車組中得到驗證。

根據(jù)上述分析，本著安全、可靠的原則，選用低合金鑄鋼作為新一代高速列車基礎(chǔ)制動制動盤的材質(zhì)。

2 材料性能指標(biāo)確定及工藝分析

2.1 制動盤材料基本性能指標(biāo)的確定

根據(jù)我國制動盤多年研發(fā)和運用經(jīng)驗，分析國內(nèi)外高速列車制動盤研究成果，確定了高速列車制動盤材料的基本力學(xué)性能要求，見表1。

表1 高速列車制動盤材料室溫時基本性能指標(biāo)

2.2 材料化學(xué)成分確定

化學(xué)成分會影響材料的力學(xué)性能，同時也是決定基體組織與熱處理結(jié)果的主要因素之一，材質(zhì)中各化學(xué)元素含量不同，制動盤熱機性能將有很大的不同。為進(jìn)一步改善鑄鋼材料的組織結(jié)構(gòu)，提高材料的強度和韌性，澆注時需要加入適量的Cu、Cr、Mo、Ni、V等合金元素。

經(jīng)過熱處理后得到細(xì)小的索氏體基體組織，該基體不僅組織致密，具有較高的強度，而且具有良好的韌性，可以作為高速列車制動盤材質(zhì)。

3 輪裝制動盤結(jié)構(gòu)設(shè)計

圖1為經(jīng)過計算機優(yōu)化后輪裝制動盤結(jié)構(gòu)。制動盤非摩擦面有徑向條狀散熱筋，摩擦環(huán)厚度和散熱肋幾何尺寸的設(shè)計使制動時制動盤摩擦面溫升一致而不會出現(xiàn)過熱現(xiàn)象，從而使摩擦環(huán)所受到的熱應(yīng)力相等，降低了由熱應(yīng)力梯度原因產(chǎn)生的熱裂紋，提高了制動盤的使用壽命。同時，輪裝制動盤散熱筋排列又采用循環(huán)對稱結(jié)構(gòu)，從而使制動盤剩余不平衡量達(dá)到最小，這對于高速列車來說，能夠最大限度地減少對車軸等相關(guān)部分的損傷。

與傳統(tǒng)的輪裝式制動盤相比，本方案熱交換性能好，有利于熱量通過熱對流及時和快速地與周圍冷空氣進(jìn)行熱交換；制動時使摩擦環(huán)溫升一致，降低了由熱應(yīng)力梯度原因產(chǎn)生的熱裂紋，提高了制動盤的使用壽命。同時，循環(huán)對稱結(jié)構(gòu)大大減小了制造工藝中的動平衡試驗的工作量，有利于最大限度地減少對車軸等相關(guān)部分的損傷。

圖1 優(yōu)化后的輪裝制動盤結(jié)構(gòu)

4 輪裝制動盤熱應(yīng)力仿真分析

為了校核速度380km／h輪裝制動盤熱容量，采用有限元熱機耦合方法對制動盤熱應(yīng)力進(jìn)行仿真計算，首先對制動盤在初速度為420km／h工況下實施緊急制動的溫度場進(jìn)行計算，然后把所計算的溫度場作為邊界條件進(jìn)行應(yīng)力計算。計算結(jié)果顯示制動盤摩擦面最高溫度為683℃，最大制動盤摩擦面以及筋部等部分關(guān)鍵節(jié)點處的熱應(yīng)力計算結(jié)果見圖2。圖2顯示制動盤摩擦面節(jié)點應(yīng)力制動開始時急劇上升，盤面最大應(yīng)力出現(xiàn)在55s左右，最大約448MPa，筋部的節(jié)點應(yīng)力最大值約200MPa，均低于材料的抗拉和屈服極限，使盤面具有良好的高溫摩擦性能。

5 1∶1制動動力臺架試驗驗證

5.1 試驗條件

（1）最高運行速度：380km／h，最高試驗速度420 km／h；

（2）每個制動盤上的制動質(zhì)量：8.0t；

（3）輪徑：920mm；

（4）制動盤直徑：750mm；

（5）制動時采用分級壓力，閘片雙側(cè)最大接觸力：33kN；

（6）制動盤摩擦半徑：305mm；

（7）初始溫度：除磨合試驗外，制動盤及片的初始溫度應(yīng)在100℃以下。

圖2 輪裝制動盤應(yīng)力場變化曲線

5.2 緊急制動試驗結(jié)果分析

對所研制材料制造的高速列車輪裝制動盤進(jìn)行1∶1制動臺架試驗。試驗所得初速度為420km／h緊急制動的瞬時摩擦系數(shù)—速度曲線見圖3，盤面平均溫度曲線見圖4，盤面溫度分布狀態(tài)見圖5。試驗結(jié)果表明其瞬時摩擦系數(shù)比較穩(wěn)定，制動盤表面溫度分布比較均勻，盤面最高溫度為643℃，盤面平均溫度為608℃，均低于材料的相變溫度；制動盤摩擦面狀態(tài)比較良好，沒有出現(xiàn)熱斑、熱裂紋等不良狀況。

圖3 420km／h速度—瞬時摩擦系數(shù)曲線

圖4 420km／h輪盤盤面的平均溫度—速度曲線

圖5 初速度為420km／h緊急制動時盤面溫度分布云圖

5.3 疲勞試驗及結(jié)果分析

盡管沒有文獻(xiàn)提及制動盤的1∶1制動動力臺架疲勞試驗，但由于制動盤需要反復(fù)承受較高的熱疲勞載荷的沖擊，因此認(rèn)為有必要對所研制的輪裝制動盤進(jìn)行1∶1制動動力臺架疲勞試驗。根據(jù)我國列車日常運用的實際情況，試驗方法定為1次350km／h緊急制動試驗及10次300km／h最大常用制動試驗為一個循環(huán)，進(jìn)行10個循環(huán)共1 000次制動疲勞試驗。試驗所得瞬時摩擦系數(shù)曲線及制動盤摩擦面平均溫度分別見圖6和圖7，試驗結(jié)束后制動盤摩擦面狀況見圖8。試驗結(jié)果表明其瞬時摩擦系數(shù)比較穩(wěn)定，輪裝制動盤表面溫度分布比較均勻，且制動盤摩擦面沒有出現(xiàn)熱斑及灼傷現(xiàn)象，也沒有出現(xiàn)熱裂紋等不良狀況。

圖6 疲勞試驗制動摩擦系數(shù)—速度曲線

圖7 疲勞試驗時制動摩擦系數(shù)—溫度曲線

圖8 試驗結(jié)束后制動盤面狀態(tài)

6 結(jié) 論

（1）通過對國內(nèi)外制動盤材料應(yīng)用現(xiàn)狀及鑄鐵、鑄鋼、鍛鋼等常用制動盤材料的使用范圍進(jìn)行分析，選擇以低合金鑄鋼材料作為高速列車制動盤研制材料，并確定了最優(yōu)的制動盤化學(xué)成分。

（2）采用計算機技術(shù)所設(shè)計的輪裝制動盤具有循環(huán)對稱結(jié)構(gòu)，從而使制動盤剩余不平衡量達(dá)到最小，這對于高速列車來說，能夠最大限度地減少對車軸等相關(guān)部件的損傷。

（3）對制動盤熱容量進(jìn)行了仿真分析，仿真結(jié)果顯示所設(shè)計的輪裝制動盤緊急制動時盤面最高溫度低于材料相變溫度，制動盤熱應(yīng)力小于材料的屈服強度，滿足設(shè)計要求。

（4）1∶1制動臺架試驗及1 000次疲勞試驗結(jié)果表明所研制的輪裝制動盤高速緊急制動時制動盤表面溫度分布比較均勻，且盤面狀態(tài)比較良好，沒有出現(xiàn)熱斑、熱裂紋等不良狀況，能夠滿足我國380km／h新一代高速動車組制動盤技術(shù)要求。

［1］李和平，林祜亭.高速列車基礎(chǔ)制動系統(tǒng)的設(shè)計研究［J］，中國鐵道科學(xué)，2003，（2）：8-13.

［2］Alfred Braun.高速列車的制動裝置［A］.國外高速列車譯文集（制動技術(shù)專輯二）［C］.鐵道科學(xué)研究院，1996.

［3］Rowson，D.M.The interfacial surface temperature of a disc brake.Wear［J］，1978，47（2）：2 323-2 328.

［4］宋寶韞，高 飛，陳吉光等.高速列車制動盤材料的研究進(jìn)展［J］，中國鐵道科學(xué)，2004，（8）：11-17.

［5］Alfred W.Otto.鐵道機車車輛制動材料的發(fā)展［A］，國外高速列車譯文集（制動技術(shù)專輯二）［C］.鐵道部科學(xué)研究院，1996.

［6］Zenuer T，StojanovP，SahmPR etc.al.Developing trendsin disc brake technology forrail application［J］.Materails Science and Technology，1998，14（9／10）：857-863.