140～160 km/h城市快速軌道交通車輛基礎制動模式及其選材

杜建華 李衛(wèi)強 楊智勇

（1.南京中車浦鎮(zhèn)海泰制動設備有限公司，211800，南京；2.北京交通大學機械與電子控制工程學院，100044，北京∥第一作者，工程師）

目前，地鐵的運營速度一般僅為60～80 km/h。而在部分線路的運能已難以適應客流量高速增長的情況下，列車需要不斷提速或縮短行車間隔來緩解日益增加的運輸壓力。地鐵速度目標值過低會影響服務質量；過高則會使投資過大，且受站點設置和運輸組織制約難以實現(xiàn)。因而，城市快速軌道交通（以下簡為“城市快軌”）的速度目標值在120～160 km范圍內較為合適?；诖?，在未來的新造客車中，快軌車輛也將占有較大比重。實踐證明，列車運行速度提高到120 km/h以上時，傳統(tǒng)的閘瓦-車輪踏面制動已不能滿足列車制動的要求，原有的踏面制動方式對車輪的損害嚴重，大大降低了車輪的使用壽命。盤形制動具有結構緊湊、散熱性好、摩擦系數(shù)穩(wěn)定、動力恒定、熱容量大、制動效率高（90% 以上）等特點［2］，因此，140～160 km/h城市快軌線路車輛轉向架的基礎制動擬采用盤形制動。

隨著列車運行速度的提高和頻繁制動，對車輛的基礎制動件的熱負荷提出了較高的要求。制動件材料的吸熱、散熱性能的好壞決定了其溫度分布和最高溫升，其力學性能與制動件裂紋的萌生、擴展、斷裂密切相關，進而影響制動件的服役壽命。因此，車輛的制動模式和制動件材料的選擇，對車輛的安全服役意義重大。

1 城市快軌車輛的基礎制動模式

盤形制動裝置是由制動盤、合成閘片、制動單元和杠桿等部件組成。制動盤按照安裝方式可分為軸盤式和輪盤式兩種。軸盤式的制動盤（如圖1 a）所示）用螺栓安裝在轂上，轂采用過盈配合壓裝在車軸上。通常構造速度在160 km/h以下的客車每副輪對裝有2個制動盤。輪盤式制動盤（如圖1 b）所示）根據(jù)車輛的空間安裝在車輪的兩側或一側。而動車和機車的輪對，由于車軸上已裝有牽引電機和齒輪箱，制動盤大多只能安裝在車輪上，也可在車軸的外延端安裝軸盤式制動盤，但采用較少。

圖1 軸盤式制動盤和輪盤式制動盤安裝方式

對于列車而言，盤形制動可分為動車輪盤-拖車軸盤、動車軸盤-拖車軸盤、動車輪盤-拖車輪盤等三種組合。輪盤式制動盤與軸盤式制動盤相比，前者對車輪的損傷遠大于后者，主要體現(xiàn)在：①制動盤的安裝孔削弱了車輪的強度，影響車輪的服役壽命；②制動過程中，輪盤式制動盤的散熱能力較軸盤式制動盤差，加之地鐵車輛制動頻繁，制動熱量會通過材料的熱傳導使車輪溫度升高，從而惡化了車輪的服役環(huán)境；③造成車輪踏面清掃器安裝位置緊張。

綜上所述，140～160 km/h城市快軌車輛轉向架建議采用動車輪盤式制動盤和拖車軸盤式制動盤的基礎制動模式，每副輪對對稱安裝2個制動盤。

2 城市快軌基礎制動件材料的選擇

目前國內外已研發(fā)出的制動盤包括：鑄鐵制動盤、鍛（鑄）鋼制動盤、鋁基復合材料制動盤、C/C復合材料制動盤［3-4］等。不同材料的制動盤適用于不同的列車速度范圍（如圖2所示［5］）。從圖2可以看出，對于城市軌道交通車輛而言，采用的制動盤材料主要有兩種，即灰口鑄鐵和鋁合金。

我國鑄鐵材料的研發(fā)水平與國外相當，但制動盤生產(chǎn)的工藝穩(wěn)定性差，成型質量尤其是內在質量與國外同類型制動盤相比存在一定差距。此外，我國城市軌道交通線路大多運量大、站間距短、制動頻繁，制動的熱容量隨之也較大。例如，上海軌道交通11號線設計最高速度為120 km/h，其全程三次制動的模擬計算結果表明，制動盤的摩擦面溫升已經(jīng)達到了灰口鑄鐵材料的許用溫度330℃（如圖3）。所以，在國內，灰口鑄鐵制動盤的使用速度一般在120 km/h以內，140～160 km/h城市快軌車輛轉向架制動盤材料不宜采用灰口鑄鐵材料。

圖2 盤形制動材料適用速度范圍

圖3 制動盤摩擦面的溫度時間歷程曲線

以日、德、法為代表的國外發(fā)達國家已經(jīng)開展鋁基復合材料制動盤的研究，并取得了一定成果。德國已成功進行了280 km/h高速列車鋁合金制動盤的制動試驗，其KNORR公司制造的鋁基復合材料制動盤已經(jīng)在歐洲以及日本和我國香港等地裝車運行。圖4為香港九廣鐵路上服役的鋁基復合材料制動盤，最高運營速度可達160 km/h。通過在歐洲、香港和日本等多條線路的試運營［6］，確定了鋁基復合材料制動盤具有實用化的可能性。

圖4 香港九港鐵路上服役的鋁基復合材料制動盤

140～160 km/h車輛轉向架的設計應考慮輕型化，并使其轉動慣量盡量小。鋁基復合材料的密度遠低于鋼鐵材料（見表1），在滿足相同制動工況條件下，鋁基復合材料制動盤相對于傳統(tǒng)的灰鑄鐵或球墨鑄鐵制動盤能夠大幅降低質量（如圖5所示［6］）。從圖5中可以看出，軸盤式制動盤質量減少40%左右，輪盤式制動盤質量約減少50%。

表1 不同制動材料的密度

圖5 兩種材料制動盤減重對比

此外，鋁基復合材料制動盤摩擦制動無噪聲污染，滿足“綠色制動”的要求，這對于列車制動，尤其是對于城市軌道列車的制動具有重要意義。

列車在制動時，巨大的制動熱負荷使制動盤產(chǎn)生很高的溫升，鋼鐵制動盤大多會在盤面產(chǎn)生熱斑；而鋁基復合材料具有優(yōu)良的導熱性能，可避免了熱斑的產(chǎn)生。圖6對球墨鑄鐵和鋁基復合材料兩種材質制動盤的模擬制動溫度場進行了對比。其最高溫度與最低溫度越接近，即二者的比值越小，意味著熱傳導性能越好。從圖6可以看出，鋁基復合材料制動盤的溫度場均勻性明顯優(yōu)于球墨鑄鐵制動盤。

鋁基復合材料制動盤和粉末冶金閘片配副，其摩擦性能大大優(yōu)于傳統(tǒng)的灰鑄鐵或球墨鑄鐵制動盤和有機材料制成的閘片，更優(yōu)于車輪和閘瓦。鋁基復合材料和粉末冶金的搭配，在高溫下具有良好的耐磨性能，摩擦系數(shù)較穩(wěn)定；基本不受濕度、溫度及壓力等因素的影響，具有較高的熱穩(wěn)定性和微小的濕敏感性；在尺寸相同的條件下，可比傳統(tǒng)的灰鑄鐵或球墨鑄鐵制動盤多吸收40%的制動能。

圖6 兩種材料制動溫度場對比

實踐表明，熱疲勞失效是車輛制動盤正常使用時的主要問題和失效方式之一。熱疲勞失效除了與使用工況有關外，還與材料的各項性能指標有關，如強度、導熱系數(shù)、比熱、彈性模量、密度以及熱膨脹系數(shù)等?？梢詫⒁陨细鞣N性能指標匯總于一個公式中得出K指標［7］，用來反映材料抵抗熱疲勞性能的優(yōu)劣：

式中：

E——彈性模量；

σb——抗拉強度；

α——熱膨脹系數(shù)；

λ——導熱系數(shù)；

ρ——密度；

c——比熱。

K指標的數(shù)值越大，材料抵抗冷熱疲勞的性能越好，反之，材料抵抗冷熱疲勞的性能越差。不同材料的K指標見表2。從表2中可以看出，材料熱疲勞性能方面，鋁基復合材料優(yōu)于鍛鋼，鍛鋼優(yōu)于鑄鋼，鑄鋼優(yōu)于鑄鐵。

表2 不同材料的K指標

與鋁基復合材料制動盤相比，鋼質制動盤具有技術成熟度高、成本較低、適用速度范圍廣等特點。特別是鍛鋼制動盤質量穩(wěn)定性高，具有良好的使用業(yè)績。如果從追求制動可靠性和降低服役風險上考慮，鑄鋼或鍛鋼也是可以選擇的材料類型。因此，140～160 km/h城市快軌車輛轉向架制動盤材料建議選擇鋁基復合材料、鍛鋼或鑄鋼。

3 選材的可行性和風險評估

德國KNORR公司對鋁基復合材料制動盤多年裝車試運行情況進行了分析，并對球墨鑄鐵制動盤和鋁基復合材料制動盤的壽命周期成本進行了比較，如圖7所示。從圖7可知，鋁基復合材料制動盤使用壽命長，雖然在初期的投入略高于傳統(tǒng)的鑄鐵制動盤，但長期經(jīng)濟效益明顯。因此，采用鋁基復合材料替代傳統(tǒng)的鑄鐵材料，既能達到輕量化的要求，也能達到提高耐久性的目的。

圖7 兩種材料制動盤的壽命周期成本比較

北京交通大學積極開展了鋁基復合材料制動盤的研發(fā)工作，現(xiàn)已取得階段性成果，形成了具有自主知識產(chǎn)權的顆粒增強鋁基復合材料的制備技術，所研發(fā)的制動盤已通過最高試驗速度200 km/h的1∶1臺架緊急制動試驗。其瞬時摩擦系數(shù)曲線如圖8所示［8］。

圖8 瞬時摩擦系數(shù)-速度曲線

在經(jīng)濟性方面的比較為：國外鋁基復合材料制動盤對中國的售價，大約是每套2.5萬元；而國內采用鑄造成型方法制造的同類型制動盤研發(fā)成本每套大約為0.6萬～0.8萬元；國外鋼質制動盤對中國的售價每套約為1.5萬元。

綜上所述，140～160 km/h城市快軌車輛轉向架采用鋁基復合材料制動盤不僅具有很好的自主創(chuàng)新性，同時也不存在大的研發(fā)風險。

4 結語

通過對140～160 km/h城市快軌車輛轉向架的基礎制動模式及制動件選材進行分析，結論如下：

（1）建議采用動車輪盤式制動盤和拖車軸盤式制動盤的盤形基礎制動方式，每副輪對對稱裝2個制動盤；

（2）制動盤材料選用顆粒增強鋁基復合材料，制動閘片采用粉末冶金材料。

（3）采用鋁基復合材料，除可達到輕量化、耐久性的目標外，還具有良好的自主創(chuàng)新能力。