地鐵車輛合成閘瓦的研制及制動性能1∶1臺架試驗＊

文國富，尹彩流，王秀飛，藍 奇

（廣西民族大學 摩擦材料研究所，廣西 南寧 530006）

為滿足經(jīng)濟發(fā)展與交通運輸?shù)某请H化需求，地鐵和輕軌車輛不斷增加，運營速度也不斷提高，而車輛的制動動能與車速呈平方關系，隨著車輛速度的提高，其動能不斷增加，制動非常頻繁，所以對車輛的制動裝置及其制動閘瓦的摩擦磨損性能提出了更苛刻要求［1］.

地鐵閘瓦的制動性能直接影響地鐵車輛運營的安全，目前存在的主要問題有裂紋、金屬鑲嵌、濕態(tài)摩擦系數(shù)不穩(wěn)定等問題［2－4］，傳統(tǒng)的普通型合成閘瓦制動材料已很難滿足制動要求.早在2001年任翠純工程師［5］研制地鐵車輛制動閘瓦取代進口并在廣州地鐵一號線上試裝，取得較好效果.日本的狄野智久［6］通過在合成閘瓦中插入鑄鐵塊增大車輪與鋼軌間的黏著系數(shù)改善了閘瓦的耐熱性能和雨雪天氣下摩擦系數(shù)下降的問題.宋大偉等［7］采用干法生產工藝研制國產合成閘瓦并在南京地鐵1號裝車試用并取得良好效果.然后，從目前的參考文獻資料來看，我國目前應用于城市軌道車輛的制動閘瓦依靠進口較多，性能指標和實際應用效果和國外發(fā)達國家相比還是有很大差距.國內的摩擦材料研究人員和相關生產企業(yè)，急需自主生產出性價比高的城市軌道列車制動閘瓦，以滿足國內需求.

為滿足地鐵車輛制動要求，本文研究了一種新的地鐵閘瓦材料，并對制備的地鐵制動合成閘瓦進行制動性能1∶1臺架試驗，通過對試驗結果進行分析，探索其各種因素對地鐵閘瓦制動性能影響，為閘瓦制動性能的最優(yōu)化提供依據(jù)，具有現(xiàn)實意義和經(jīng)濟價值.

1 合成閘瓦的制備

1.1 原材料及配方

黏合劑：采用腰果殼油改性的酚醛樹脂作為黏合劑，并加入丁腈橡膠進行軟化處理，達到合成閘瓦所需要的硬度值，固化劑為六次甲基四胺.

增強纖維：使用具有高強、耐熱性纖維包括碳纖維、鋼纖維和海泡石纖維作為增強體，這些纖維之間的耦合作用使摩擦材料具有一定的強度和韌性，在承受熱沖擊、剪切、拉伸、壓縮等作用下不至于出現(xiàn)裂紋，斷裂，崩缺等機械損傷.

填料：填料的主要作用是摩擦材料的摩擦磨損性能進行多方面的調節(jié)使材料能夠更好地滿足各種工況條件下的制動要求.不同填料來調節(jié)摩擦材料的硬度、密度、結構密實度、制品外觀，以及改善制動噪聲等性能.本研究中使用的填料有：氧化鐵粉，鱗片石墨，鉻鐵礦粉，沉淀硫酸鋇，鉀長石粉，有機摩擦粉.地鐵合成閘瓦原材料配方如表1所示.

表1 合成閘瓦原材料配方（wt.%）Tab.1 Raw materials recipe of composite brake shoe（wt.%）

1.2 制造工藝

干法生產工藝是應用最廣泛的摩擦材料生產工藝形式.在干法工藝中黏合劑和填料均為粉末，將按比例配好的原材料投加到混料機中，進行充分攪拌.達到均勻混合后，將物料放出，得到粉狀的混合物料；采用預成形工藝制成冷坯后再進行熱壓成形，制成所需形狀、尺寸和性能的摩擦材料.本研究冷壓成形壓力為22±2MPa，熱壓成形壓力為22±2MPa，壓制溫度為160±10℃，保溫時間為30±3min，固化熱處理溫度為180±50℃，保溫時間為4±0.5h.地鐵合成閘瓦的工藝流程如圖1所示.

圖1 地鐵車輛合成閘瓦的工藝流程圖Fig.1Process flow diagram of composite brake shoe for metro

1.3 性能測試

對制造完成的地鐵車輛合成閘瓦進行物理和機械性能測試.密度試驗方法按GB／T 1033－2008規(guī)定進行測試，樣品尺寸為10mm×10mm×10mm；洛氏硬度試驗方法按洛氏硬度GB／T 3398.2－2008規(guī)定進行，樣品尺寸為50mm×50mm×25mm；沖擊強度試驗方法按GB／T1043.1－2008規(guī)定進行，樣品尺寸為（120±1）mm×（15±0.2）mm×（10±0.2）mm；壓縮強度和壓縮模量按GB／T 1041－2008規(guī)定進行測試，樣品尺寸均為（10.4±0.2）mm×（10.4±0.2）mm×（20±0.5）mm.吸水性和吸油性試驗按GB／T 1034－1998規(guī)定進行，樣品尺寸為40mm×40mm×10mm.

制動性能測試采用1∶1制動動力試驗臺進行，測試中模擬的軸重為14.0T，濕度68%，車輪直徑840mm.磨合試驗以制動初速度80km／h，閘瓦壓力28KN，初始溫度小于50℃，連續(xù)進行10次磨合試驗后，觀察磨合面積，使磨合面大于85%.停車制動試驗：閘瓦制動壓力為35.0kN，進行單次制動停車試驗，依次記錄制動距離及時間，瞬時摩擦系數(shù)，車輪踏面溫度，平均摩擦系數(shù).試驗時制動初速度順序如下：80km／h、60km／h、40km／h、20km／h、20km／h、40km／h、60km／h、80km／h.試驗前后分別對閘瓦稱重，兩者的差值即為磨耗量.靜摩擦系數(shù)試驗：閘瓦壓力5±0.2KN，閘瓦壓緊車輪后，對車輪施加轉矩直至車輪轉動，記錄車輪開始轉動瞬間的摩擦系數(shù)作為靜摩擦系數(shù).

2 試驗結果與分析

2.1 物理、力學性能試驗

根據(jù)1.3中的測試要求對地鐵合成閘瓦進行物理、力學性能分析，如表2所示.從表2中可以看出，所制造的地鐵合成閘瓦的各項物理和力學性能指標到達了TB／T 2403－2010的要求.

表2 合成閘瓦的理化性能Tab.2 Physics and chemistry properties of composite brake shoe

2.2 臺架制動試驗結果

為了考察所研制合成閘瓦的制動摩擦磨損性能，結合地鐵車輛的實際運營條件，干態(tài)和濕態(tài)下制動試驗在中鐵隆昌鐵路器材有限公司1∶1制動動力試驗臺進行測試，得到不同制動初速度下的實際制動距離、實際制動時間、踏面最高溫度和停車制動磨耗量等數(shù)據(jù).由表3可知，在干態(tài)條件下所研制的合成閘瓦在80km·h－1速度下的最大實際制動距離、最長實際制動時間和以及面最高溫度分別為161.9m、15.4s和118℃，平均摩擦系數(shù)為0.294～0.303，試驗結束后測得停車制動磨耗量0.73cm3／MJ，完全滿足80km·h－1速度下緊急制動距離小于248m、車輪踏面最高溫度小于390℃、重車制動的磨耗量小于1.5cm3／MJ和平均摩擦系數(shù)為0.3左右的使用要求［3］.在濕態(tài)條件下，制動距離為219.3～278.8m，制動時間為19.8～24.8m，平均摩擦系數(shù)為0.216～0.280，踏面最高溫度為81℃～124℃.

表3 合成閘瓦1∶1制動試驗臺測試結果Tab.3 Results of composite brake shoe under 1∶1brake bench test

圖2為合成閘瓦分別在20km、40km、60km和80km初始制動速度與摩擦系數(shù)之間的關系曲線.從圖2可以看出，在各種制動速度下，制動過程平穩(wěn).

圖2 不同制動速度下的摩擦系數(shù)—速度曲線Fig.2 Friction coefficient－speed curve of different brake speeds

圖3坡道連續(xù)制動試驗的摩擦系數(shù)——時間曲線，試驗條件為軸重為14.0t、制動壓力為8.0KN和制動平均速度為40km·h－1時，持續(xù)時間10min.從圖中可以看出，在制動過程中，摩擦系數(shù)從0.39減少到0.28，滿足規(guī)定時間內坡道勻速連續(xù)制動摩擦系數(shù)≥0.21的要求；制動盤踏面最高溫度為250℃，摩擦系數(shù)緩慢下降，且從1～10min過程中動摩擦系數(shù)較為平穩(wěn).

圖3 坡道連續(xù)制動試驗的摩擦系數(shù)—時間曲線Fig.3 friction coefficient－time curve of continually gradient brake test

所研制地鐵合成閘瓦的靜摩擦系數(shù)隨實驗次數(shù)變化如圖4所示.由圖4可知，經(jīng)過5次試驗，靜摩擦系數(shù)平均值為0.336，滿足≥0.25的技術要求，穩(wěn)定可靠.

圖4 合成閘瓦的靜摩擦系數(shù)Fig.4Static friction coefficient of composite brake shoe

以上數(shù)據(jù)均能滿足地鐵車輛用合成閘瓦的技術參數(shù)要求.同時，制動過程中無噪音、無振動、火花和難聞氣味.試驗完成后，經(jīng)檢驗車輪表面無金屬鑲嵌、熱斑、熱裂紋、異常磨耗等損傷，閘瓦無偏磨、無剝離、無龜裂、掉渣和掉塊等現(xiàn)象.合成閘瓦制動試驗前后照片如圖5（a）和（b）所示.

圖5 合成閘瓦制動前后摩擦表面照片 （a）實驗前；（b）試驗后Fig.5 Surface images of composite brake shoe before（a）and after（b）experiment

3 結論

以腰果殼油改性酚醛樹脂和丁腈橡膠作為黏合劑，碳纖維、鋼纖維和海泡石纖維為增強纖維，氧化鐵粉、鱗片石墨、鉻鐵礦、硫酸鋇、鉀長石、摩擦粉等為填料，經(jīng)高速混合后，通過冷壓和熱壓成形及固化熱處理工藝制備地鐵車輛用合成閘瓦完全可行；研制的地鐵車輛合成閘瓦具有沖擊強度高、韌性好、壓縮強度和壓縮模量適中、吸水率低、吸油率低等性能特征；經(jīng)1∶1臺架試驗證明：在車輛制動過程中，具有摩擦性能穩(wěn)定，且磨損率低等優(yōu)點，完全能夠滿足地鐵車輛制動的使用要求.

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