CR200J動(dòng)力集中電動(dòng)車(chē)組拖車(chē)鑄鋼制動(dòng)盤(pán)研究與開(kāi)發(fā)

孫新海， 陳德峰， 曹建行， 宋躍超， 郭彥峰

(1 中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 機(jī)車(chē)車(chē)輛研究所， 北京 100081；2 北京縱橫機(jī)電科技有限公司， 北京 100094)

CR200J動(dòng)力集中電動(dòng)車(chē)組拖車(chē)(包括控制車(chē))基于25T型客車(chē)平臺(tái)研制而成，其制動(dòng)方式是傳統(tǒng)的純空氣制動(dòng)方式，與以電制動(dòng)為主、空氣制動(dòng)為輔的動(dòng)力分散型電動(dòng)車(chē)組相比，巨大的制動(dòng)能量幾乎由制動(dòng)盤(pán)完全承擔(dān)，對(duì)制動(dòng)盤(pán)的性能要求更為苛刻。為進(jìn)一步提升電動(dòng)車(chē)組的運(yùn)行品質(zhì)和使用安全性、并延長(zhǎng)制動(dòng)盤(pán)的服役壽命，減少運(yùn)用維護(hù)工作量，拖車(chē)(包括控制車(chē))用制動(dòng)盤(pán)在現(xiàn)有鑄鐵制動(dòng)盤(pán)成熟結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上開(kāi)展了鑄鋼化升級(jí)研究。

1 盤(pán)體材料

近年來(lái)，在制動(dòng)盤(pán)盤(pán)體材料方面進(jìn)行了大量基礎(chǔ)性試驗(yàn)研究，其中在鑄鋼盤(pán)體材料方面的研究成果，為制動(dòng)盤(pán)的技術(shù)升級(jí)奠定了基礎(chǔ)。

1.1 化學(xué)成分

盤(pán)體材料為低碳鎳鉻鉬合金鑄鋼，其中合金成分的主要作用：

(1)鎳(Ni)：提高材料的常溫強(qiáng)度和高溫強(qiáng)度，保持良好的塑性和韌性，提高材料的耐熱能力和耐腐蝕能力；

(2)鉻(Cr)：提高材料常溫強(qiáng)度和高溫強(qiáng)度，提高材料持久強(qiáng)度和抗蠕變能力(長(zhǎng)期在高溫下受到應(yīng)力，發(fā)生變形，稱(chēng)蠕變)，保證材料的硬度和耐磨性能，提高材料的抗氧化性能及耐腐蝕能力；

(3)鉬(Mo)：細(xì)化材料晶粒，提高材料的淬透性和高溫強(qiáng)度，提高材料持久強(qiáng)度和抗蠕變能力，并抑制材料回火脆性。

1.2 金相組織

按照特定的成分比例熔爐澆鑄成形，經(jīng)正火和調(diào)質(zhì)處理，可得索氏體基體組織，索氏體基體組織不僅具有較高的強(qiáng)度，而且具有良好的韌性，其晶粒細(xì)小、均勻、結(jié)構(gòu)致密，很適合于惡劣工況下的摩擦制動(dòng)使用要求，金相組織參見(jiàn)圖1所示。

圖1 鑄鋼盤(pán)體試樣的金相組織500×

1.3 力學(xué)性能

對(duì)試樣進(jìn)行高、低溫力學(xué)性能試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果參見(jiàn)圖2～圖4所示。

圖2 材料強(qiáng)度-溫度試驗(yàn)

圖2表明：材料在低溫、室溫及600℃高溫時(shí)的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度良好，可以滿(mǎn)足制動(dòng)盤(pán)正常使用要求。

圖3 材料沖擊功-溫度試驗(yàn)

圖3表明：材料在-50 ℃～-20 ℃低溫沖擊功與室溫20 ℃沖擊功無(wú)明顯變化，可以滿(mǎn)足制動(dòng)盤(pán)在低溫環(huán)境下運(yùn)用。

圖4 材料延伸率-溫度試驗(yàn)

圖4表明：材料在低溫、室溫及600 ℃高溫時(shí)有穩(wěn)定的延伸率，同樣證明材料在低溫、室溫及600 ℃高溫時(shí)其抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度良好，并具有一定的韌性。

1.4 硬度

選取5個(gè)樣件進(jìn)行硬度測(cè)試，測(cè)試結(jié)果參見(jiàn)圖5所示。5個(gè)樣件的測(cè)試硬度最低為36 HRC，能夠保證制動(dòng)盤(pán)材料具有良好的耐磨損特性。

圖5 樣件硬度測(cè)試

1.5 熱學(xué)性能

材料的平均線(xiàn)膨脹系數(shù)及導(dǎo)熱率分別參見(jiàn)圖6和圖7所示。

圖6和圖7表明：材料的平均線(xiàn)膨脹系數(shù)及導(dǎo)熱率隨溫度變化而變化，但變化趨勢(shì)比較平緩。這種材料的熱物理性能特點(diǎn)能保證制動(dòng)盤(pán)溫度升高或降低時(shí)引起的應(yīng)力變化梯度較小，可以延緩制動(dòng)盤(pán)熱裂紋的萌生和擴(kuò)展，提高制動(dòng)盤(pán)使用壽命。

圖6 材料平均線(xiàn)膨脹系數(shù)-溫度試驗(yàn)

圖7 材料熱導(dǎo)率-溫度試驗(yàn)

1.6 疲勞特性S-N曲線(xiàn)

材料的S-N曲線(xiàn)測(cè)定結(jié)果參見(jiàn)圖8所示。S-N曲線(xiàn)表明材料的疲勞極限為278 MPa，而當(dāng)應(yīng)力達(dá)到500 MPa時(shí)，其循環(huán)次數(shù)可達(dá)1×105，能夠保證制動(dòng)盤(pán)在正常工況下的制動(dòng)需要。

圖8 材料的S-N曲線(xiàn)

綜合以上研究分析，低碳鎳鉻鉬合金鋼在低溫、常溫和600 ℃高溫時(shí)，具有較高且穩(wěn)定的力學(xué)性能和硬度指標(biāo)，具有較大且穩(wěn)定的導(dǎo)熱率，較小且穩(wěn)定的線(xiàn)膨脹系數(shù)，熱學(xué)性能較佳，其疲勞特性S-N曲線(xiàn)良好，材料的綜合性能優(yōu)異，是一種很適合用于制作盤(pán)體的材料。

2 制動(dòng)盤(pán)結(jié)構(gòu)

制動(dòng)盤(pán)結(jié)構(gòu)基于長(zhǎng)期服役25T型客車(chē)成熟鑄鐵制動(dòng)盤(pán)結(jié)構(gòu)，經(jīng)進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)而成，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠，主要由盤(pán)體、盤(pán)轂、定位銷(xiāo)、壓環(huán)和緊固連接件等組成，盤(pán)體、盤(pán)轂通過(guò)壓環(huán)和緊固件連接在一體，參見(jiàn)圖9所示。盤(pán)體采用橢圓柱狀散熱筋，在保持良好的通風(fēng)散熱條件下，可有效降低列車(chē)運(yùn)行時(shí)因制動(dòng)盤(pán)風(fēng)阻引起的牽引功率損耗。

圖9 制動(dòng)盤(pán)主要構(gòu)成

3 仿真計(jì)算

為考查鑄鋼制動(dòng)盤(pán)與粉末冶金閘片組成的摩擦副在速度160 km/h速度等級(jí)車(chē)輛上的制動(dòng)適應(yīng)性，驗(yàn)證極端工況下的安全性，進(jìn)行了連續(xù)2次緊急制動(dòng)時(shí)盤(pán)體瞬時(shí)溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)仿真計(jì)算分析。

3.1 計(jì)算參數(shù)

盤(pán)體瞬時(shí)溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)仿真計(jì)算基本參數(shù)見(jiàn)表1。

3.2 計(jì)算結(jié)果

盤(pán)體熱負(fù)荷仿真計(jì)算得到的盤(pán)體最高溫度、最大應(yīng)力和最大位移值見(jiàn)表2。

表1 溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)仿真計(jì)算基本參數(shù)

表2 制動(dòng)初速度160 km/h盤(pán)體熱負(fù)荷仿真計(jì)算結(jié)果

平直道上160 km/h制動(dòng)初速度連續(xù)2次緊急制動(dòng)時(shí)，盤(pán)體溫度場(chǎng)云圖參見(jiàn)圖10所示，摩擦副溫度隨時(shí)間的變化曲線(xiàn)參見(jiàn)圖11所示，盤(pán)體熱應(yīng)力隨時(shí)間的變化曲線(xiàn)參見(jiàn)圖12所示，盤(pán)體最大位移隨時(shí)間的變化曲線(xiàn)參見(jiàn)圖13所示。

圖10 制動(dòng)盤(pán)溫度場(chǎng)云圖

圖11 摩擦副溫度變化曲線(xiàn)

圖12 盤(pán)體應(yīng)力變化曲線(xiàn)

圖13 盤(pán)體最大位移變化曲線(xiàn)

仿真計(jì)算結(jié)果表明：在制動(dòng)初速度160km/h連續(xù)2次緊急制動(dòng)工況下，摩擦副最高溫度357 ℃，低于鑄鋼制動(dòng)盤(pán)和粉末冶金閘片550 ℃穩(wěn)定性能溫度限值；盤(pán)體最大熱應(yīng)力為388 MPa，未超過(guò)材料在550 ℃高溫時(shí)的屈服強(qiáng)度(750 MPa以上)，且有足夠的強(qiáng)度余量；盤(pán)體最大位移僅0.123 mm，說(shuō)明盤(pán)體在制動(dòng)過(guò)程中的熱變形很微小。

4 1∶1制動(dòng)動(dòng)力試驗(yàn)臺(tái)性能試驗(yàn)

新研制的鑄鋼制動(dòng)盤(pán)匹配粉末冶金閘片在高速鐵路系統(tǒng)試驗(yàn)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室1:1制動(dòng)動(dòng)力試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行了制動(dòng)性能試驗(yàn)，主要試驗(yàn)項(xiàng)目包括：

(1)干燥條件、盤(pán)載荷9 t(重車(chē))工況下，不同閘片壓力、不同制動(dòng)速度等級(jí)(最高180 km/h)一次停車(chē)試驗(yàn)；

(2)干燥條件、盤(pán)載荷9 t(重車(chē))工況下，160 km/h制動(dòng)初速度連續(xù)2次緊急制動(dòng)停車(chē)試驗(yàn)；

(3)干燥條件、盤(pán)載荷6.5 t(空車(chē))工況下，不同閘片壓力、不同制動(dòng)速度等級(jí)(最高180 km/h)一次停車(chē)試驗(yàn)；

(4)潮濕條件、盤(pán)載荷9 t(重車(chē))工況下，不同閘片壓力、不同制動(dòng)速度等級(jí)(最高180 km/h)一次停車(chē)試驗(yàn)；

(5)干燥條件、盤(pán)載荷9 t(重車(chē))工況下，高負(fù)荷(75 kW)坡道制動(dòng)試驗(yàn)(坡度20‰、160 km/h速度持續(xù)40 km距離)；

(6)高溫(高負(fù)荷坡道試驗(yàn)后)、低溫(室溫)條件下，靜摩擦系數(shù)測(cè)試；

(7)模擬運(yùn)營(yíng)試驗(yàn)：干燥條件、盤(pán)載荷9 t(重車(chē))工況下，進(jìn)行20次160 km/h制動(dòng)初速度緊急停車(chē)試驗(yàn)。

干燥條件、盤(pán)載荷9 t(重車(chē))工況下的部分試驗(yàn)曲線(xiàn)參見(jiàn)圖14～圖17所示。

圖14 一次停車(chē)(緊急)瞬時(shí)摩擦系數(shù)曲線(xiàn)

圖15 160 km/h速度連續(xù)2次緊急制動(dòng)瞬時(shí)摩擦系數(shù)曲線(xiàn)

圖16 模擬運(yùn)營(yíng)試驗(yàn)瞬時(shí)摩擦系數(shù)曲線(xiàn)

圖17 高負(fù)荷坡道動(dòng)制動(dòng)瞬時(shí)摩擦系數(shù)-溫度曲線(xiàn)

由圖14～圖16中可以看出，摩擦副在不同速度級(jí)緊急制動(dòng)停車(chē)試驗(yàn)和連續(xù)緊急制動(dòng)停車(chē)試驗(yàn)中瞬時(shí)摩擦系數(shù)的一致性非常好，摩擦系數(shù)穩(wěn)定且重復(fù)性良好，能夠保證在規(guī)定的制動(dòng)距離內(nèi)停車(chē)，不僅可以滿(mǎn)足電動(dòng)車(chē)組正常運(yùn)用中的制動(dòng)要求，而且也能保證電動(dòng)車(chē)組在不利工況下的連續(xù)緊急制動(dòng)需求。

連續(xù)2次160 km/h制動(dòng)初速度緊急制動(dòng)停車(chē)和試驗(yàn)數(shù)據(jù)參見(jiàn)表3，其中1次緊急制動(dòng)停車(chē)試驗(yàn)和2次緊急制動(dòng)停車(chē)試驗(yàn)中盤(pán)體實(shí)測(cè)最高溫度值分別為257 ℃和375 ℃，與仿真計(jì)算結(jié)果得到的269 ℃和357 ℃基本吻合，也就是說(shuō)盤(pán)體仿真計(jì)算過(guò)程中采用的計(jì)算方法科學(xué)、建立的仿真計(jì)算數(shù)學(xué)模型真實(shí)有效。

由圖17中可以看出，摩擦副在高負(fù)荷(75 kW)坡道制動(dòng)試驗(yàn)過(guò)程中的表現(xiàn)也很優(yōu)秀，盡管摩擦系數(shù)隨著盤(pán)體溫度升高而降低，但變化趨勢(shì)總體比較平緩，摩擦系數(shù)在整個(gè)坡道試驗(yàn)中衰減量處于可接受范圍，可以滿(mǎn)足電動(dòng)車(chē)組在長(zhǎng)大坡道地區(qū)的正常使用需求。高負(fù)荷(75 kW)坡道制動(dòng)試驗(yàn)試驗(yàn)數(shù)據(jù)參見(jiàn)表4。

表3 1∶1制動(dòng)動(dòng)力試驗(yàn)數(shù)據(jù)(160 km/h連續(xù)緊急制動(dòng))

表4 1∶1制動(dòng)動(dòng)力試驗(yàn)數(shù)據(jù)(高負(fù)荷坡道制動(dòng))

5 1∶1制動(dòng)動(dòng)力試驗(yàn)臺(tái)疲勞試驗(yàn)

為考核制動(dòng)盤(pán)長(zhǎng)期服役的安全可靠性，在1∶1制動(dòng)動(dòng)力試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行了共計(jì)1 000次以上制動(dòng)疲勞試驗(yàn)。疲勞試驗(yàn)均在干燥條件、盤(pán)載荷9 t工況下進(jìn)行，主要以高制動(dòng)初速度(140 km/h、160 km/h和180 km/h)緊急制動(dòng)停車(chē)試驗(yàn)和連續(xù)緊急制動(dòng)停車(chē)試驗(yàn)為主。被試制動(dòng)盤(pán)在疲勞試驗(yàn)進(jìn)行前和疲勞試驗(yàn)完成后的狀態(tài)參見(jiàn)圖18和圖19所示。

圖18 疲勞試驗(yàn)前狀態(tài)

圖19 疲勞試驗(yàn)后狀態(tài)

制動(dòng)疲勞試驗(yàn)完成后，對(duì)被試制動(dòng)盤(pán)的狀態(tài)進(jìn)行了查看，制動(dòng)盤(pán)狀態(tài)良好，緊固件未出現(xiàn)松動(dòng)及損壞跡象，盤(pán)體摩擦面未出現(xiàn)熱裂紋和明顯磨損情況，證明新研制的鑄鋼制動(dòng)盤(pán)完全滿(mǎn)足裝車(chē)運(yùn)用條件。

6 現(xiàn)車(chē)試驗(yàn)及運(yùn)用考核

2017年9月12日～2018年1月12日期間，CR200J動(dòng)力集中電動(dòng)車(chē)組樣車(chē)在中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司國(guó)家鐵道試驗(yàn)中心和成都局內(nèi)進(jìn)行了型式試驗(yàn)和正線(xiàn)綜合運(yùn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)期間進(jìn)行了包括各速度等級(jí)、不同控制模式下的大量制動(dòng)試驗(yàn)。

2018年4月13日～2018年7月29日期間，CR200J動(dòng)力集中電動(dòng)車(chē)組樣車(chē)在蘭渝線(xiàn)進(jìn)行了20萬(wàn)km的運(yùn)用考核。運(yùn)用考核里程累計(jì)201 072 km(初始里程為9 901 km)，其中最高速度及(按144 km/h～160 km/h速度范圍統(tǒng)計(jì))考核里程170 440 km，高速比例84.77%；重車(chē)(模擬載荷，配重)考核里程125 950 km，重車(chē)比例62.64%。

運(yùn)用考核結(jié)束后，對(duì)拖車(chē)(包括控制車(chē))裝用的鑄鋼制動(dòng)盤(pán)進(jìn)行了狀態(tài)檢查，制動(dòng)盤(pán)連接緊固件未見(jiàn)松動(dòng)跡象，盤(pán)體摩擦面未發(fā)現(xiàn)明顯熱裂紋，也未有明顯磨損，總體表現(xiàn)正常，參見(jiàn)圖20和圖21所示。

圖21 摩擦面磨耗狀態(tài)

7 結(jié)束語(yǔ)

(1)CR200J動(dòng)力集中電動(dòng)車(chē)組拖車(chē)(包括控制車(chē))用鑄鋼制動(dòng)盤(pán)是基于現(xiàn)有25T型客車(chē)鑄鐵制動(dòng)盤(pán)成熟結(jié)構(gòu)技術(shù)基礎(chǔ)上進(jìn)行盤(pán)體材料鑄鋼化升級(jí)研究，制動(dòng)盤(pán)的結(jié)構(gòu)得到了進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)，盤(pán)體材料采用了綜合性能優(yōu)異的低碳鎳鉻鉬合金鑄鋼。

(2)經(jīng)有限元仿真計(jì)算表明，新研制的鑄鋼制動(dòng)盤(pán)在制動(dòng)初速度160 km/h緊急制動(dòng)過(guò)程中盤(pán)體最高溫度和最大熱應(yīng)力均低于所用材料的相變溫度和屈服強(qiáng)度，并留有較大的安全余量，制動(dòng)過(guò)程中盤(pán)體熱變形微小。

(3)經(jīng)1∶1制動(dòng)動(dòng)力試驗(yàn)臺(tái)試驗(yàn)驗(yàn)證，新研制的鑄鋼制動(dòng)盤(pán)與粉末冶金閘片匹配，其制動(dòng)摩擦、磨損性能優(yōu)異，并經(jīng)坡度20‰、160 km/h速度持續(xù)40 km距離的高負(fù)荷(75 kW)坡道制動(dòng)試驗(yàn)，摩擦副狀態(tài)良好。

(4)經(jīng)1∶1制動(dòng)動(dòng)力試驗(yàn)臺(tái)1 000次以上的制動(dòng)疲勞試驗(yàn)考核，并經(jīng)現(xiàn)車(chē)綜合試驗(yàn)和20萬(wàn)km以上運(yùn)用考核，新研制的鑄鋼制動(dòng)盤(pán)整體狀態(tài)良好，盤(pán)體摩擦面未發(fā)現(xiàn)明顯熱裂紋，也未有明顯磨損，能夠保證電動(dòng)車(chē)組長(zhǎng)期安全、可靠運(yùn)行。