李繼山,劉 濤,李和平,焦標(biāo)強(qiáng),陳德峰,顧磊磊,呂寶佳
(1 中國鐵道科學(xué)研究院 機(jī)車車輛研究所,北京100081;2 沈陽鐵路局,遼寧沈陽110002)
制動(dòng)盤其最基本的功能是吸收制動(dòng)動(dòng)能并將之轉(zhuǎn)化為熱能散發(fā)到空氣中,在此過程中,制動(dòng)盤的材料、結(jié)構(gòu)和性能不能被破壞。盤形制動(dòng)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(shí),只能靠盤形制動(dòng)作為安全可靠制動(dòng)的最后保障[1]。隨著制動(dòng)速度提高到380 km/h后,緊急制動(dòng)時(shí)制動(dòng)盤將承受巨大的負(fù)荷,因此現(xiàn)有制動(dòng)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(dòng)盤結(jié)構(gòu)、大幅度提高制動(dòng)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(xiàng)不可或缺的重要任務(wù),也是國際上該領(lǐng)域的一個(gè)競爭熱點(diǎn)。
在高速列車制動(dòng)盤研究和運(yùn)用方面,法、德、日、英等國在制動(dòng)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(dòng)材料進(jìn)行了一系列的材料改進(jìn)和優(yōu)化工作,同時(shí)還進(jìn)行了新型制動(dòng)材料如顆粒增強(qiáng)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(dòng)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(qiáng)度(≥800MPa)和韌性,同時(shí)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(diǎn)。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(dòng)盤的性能得到很大提高,又由于鑄鋼制動(dòng)盤有良好的散熱性能,鑄鋼制動(dòng)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(dòng)盤。然而,在我國所有高速列車制動(dòng)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(dòng)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(shí)對提升我國制動(dòng)技術(shù)的國際競爭力也有著重要的推動(dòng)作用。因此,研制適用于新一代高速列車的制動(dòng)盤材質(zhì),大幅度提高制動(dòng)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。
高速列車緊急制動(dòng)時(shí),巨大的制動(dòng)熱負(fù)荷使制動(dòng)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(bào)告表明,制動(dòng)盤裂紋產(chǎn)生遵從W?hler疲勞曲線,溫升越高,制動(dòng)盤出現(xiàn)裂紋的速度也越快[3];制動(dòng)盤磨耗快慢、制動(dòng)盤裂紋形成以及裂紋擴(kuò)展速度都與制動(dòng)盤的溫升有關(guān),在高溫狀態(tài)下,制動(dòng)盤的金相組織、力學(xué)性能、制動(dòng)摩擦性能都會變化。制動(dòng)盤的主要設(shè)計(jì)判據(jù)因素是制動(dòng)盤的溫度及熱應(yīng)力,兩者對制動(dòng)盤壽命直接產(chǎn)生影響。因此,高速列車制動(dòng)盤材料應(yīng)具有如下物理力學(xué)性能特點(diǎn):
(1)較強(qiáng)的熱物理性能。制動(dòng)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(dòng)時(shí)盤的溫度將超過600℃以上,制動(dòng)盤要有良好的耐熱性,同時(shí)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(jī)械性能。制動(dòng)盤材質(zhì)應(yīng)有足夠的機(jī)械強(qiáng)度。在使用過程中制動(dòng)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(dòng)盤的表面溫度,大大提高制動(dòng)盤的使用壽命。
(4)適應(yīng)環(huán)境要求。制動(dòng)盤在潮濕環(huán)境和高低溫環(huán)境下具有足夠的機(jī)械強(qiáng)度和抗腐蝕性。
目前國內(nèi)外機(jī)車車輛制動(dòng)盤運(yùn)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(dòng)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(shí)其摩擦磨損性能良好。上述特點(diǎn)已在我國既有200~350km/h高速動(dòng)車組中得到驗(yàn)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(dòng)制動(dòng)盤的材質(zhì)。
根據(jù)我國制動(dòng)盤多年研發(fā)和運(yùn)用經(jīng)驗(yàn),分析國內(nèi)外高速列車制動(dòng)盤研究成果,確定了高速列車制動(dòng)盤材料的基本力學(xué)性能要求,見表1。
表1 高速列車制動(dòng)盤材料室溫時(shí)基本性能指標(biāo)
化學(xué)成分會影響材料的力學(xué)性能,同時(shí)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(dòng)盤熱機(jī)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(qiáng)度和韌性,澆注時(shí)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(qiáng)度,而且具有良好的韌性,可以作為高速列車制動(dòng)盤材質(zhì)。
圖1為經(jīng)過計(jì)算機(jī)優(yōu)化后輪裝制動(dòng)盤結(jié)構(gòu)。制動(dòng)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(jì)使制動(dòng)時(shí)制動(dòng)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(dòng)盤的使用壽命。同時(shí),輪裝制動(dòng)盤散熱筋排列又采用循環(huán)對稱結(jié)構(gòu),從而使制動(dòng)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(dòng)盤相比,本方案熱交換性能好,有利于熱量通過熱對流及時(shí)和快速地與周圍冷空氣進(jìn)行熱交換;制動(dòng)時(shí)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(dòng)盤的使用壽命。同時(shí),循環(huán)對稱結(jié)構(gòu)大大減小了制造工藝中的動(dòng)平衡試驗(yàn)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(dòng)盤結(jié)構(gòu)
為了校核速度380km/h輪裝制動(dòng)盤熱容量,采用有限元熱機(jī)耦合方法對制動(dòng)盤熱應(yīng)力進(jìn)行仿真計(jì)算,首先對制動(dòng)盤在初速度為420km/h工況下實(shí)施緊急制動(dòng)的溫度場進(jìn)行計(jì)算,然后把所計(jì)算的溫度場作為邊界條件進(jìn)行應(yīng)力計(jì)算。計(jì)算結(jié)果顯示制動(dòng)盤摩擦面最高溫度為683℃,最大制動(dòng)盤摩擦面以及筋部等部分關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)處的熱應(yīng)力計(jì)算結(jié)果見圖2。圖2顯示制動(dòng)盤摩擦面節(jié)點(diǎn)應(yīng)力制動(dòng)開始時(shí)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(diǎn)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。
(1)最高運(yùn)行速度:380km/h,最高試驗(yàn)速度420 km/h;
(2)每個(gè)制動(dòng)盤上的制動(dòng)質(zhì)量:8.0t;
(3)輪徑:920mm;
(4)制動(dòng)盤直徑:750mm;
(5)制動(dòng)時(shí)采用分級壓力,閘片雙側(cè)最大接觸力:33kN;
(6)制動(dòng)盤摩擦半徑:305mm;
(7)初始溫度:除磨合試驗(yàn)外,制動(dòng)盤及片的初始溫度應(yīng)在100℃以下。
圖2 輪裝制動(dòng)盤應(yīng)力場變化曲線
對所研制材料制造的高速列車輪裝制動(dòng)盤進(jìn)行1∶1制動(dòng)臺架試驗(yàn)。試驗(yàn)所得初速度為420km/h緊急制動(dòng)的瞬時(shí)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(yàn)結(jié)果表明其瞬時(shí)摩擦系數(shù)比較穩(wěn)定,制動(dòng)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(dòng)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(shí)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(dòng)時(shí)盤面溫度分布云圖
盡管沒有文獻(xiàn)提及制動(dòng)盤的1∶1制動(dòng)動(dòng)力臺架疲勞試驗(yàn),但由于制動(dòng)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(dòng)盤進(jìn)行1∶1制動(dòng)動(dòng)力臺架疲勞試驗(yàn)。根據(jù)我國列車日常運(yùn)用的實(shí)際情況,試驗(yàn)方法定為1次350km/h緊急制動(dòng)試驗(yàn)及10次300km/h最大常用制動(dòng)試驗(yàn)為一個(gè)循環(huán),進(jìn)行10個(gè)循環(huán)共1 000次制動(dòng)疲勞試驗(yàn)。試驗(yàn)所得瞬時(shí)摩擦系數(shù)曲線及制動(dòng)盤摩擦面平均溫度分別見圖6和圖7,試驗(yàn)結(jié)束后制動(dòng)盤摩擦面狀況見圖8。試驗(yàn)結(jié)果表明其瞬時(shí)摩擦系數(shù)比較穩(wěn)定,輪裝制動(dòng)盤表面溫度分布比較均勻,且制動(dòng)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(yàn)制動(dòng)摩擦系數(shù)—速度曲線
圖7 疲勞試驗(yàn)時(shí)制動(dòng)摩擦系數(shù)—溫度曲線
圖8 試驗(yàn)結(jié)束后制動(dòng)盤面狀態(tài)
(1)通過對國內(nèi)外制動(dòng)盤材料應(yīng)用現(xiàn)狀及鑄鐵、鑄鋼、鍛鋼等常用制動(dòng)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(dòng)盤研制材料,并確定了最優(yōu)的制動(dòng)盤化學(xué)成分。
(2)采用計(jì)算機(jī)技術(shù)所設(shè)計(jì)的輪裝制動(dòng)盤具有循環(huán)對稱結(jié)構(gòu),從而使制動(dòng)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(dòng)盤熱容量進(jìn)行了仿真分析,仿真結(jié)果顯示所設(shè)計(jì)的輪裝制動(dòng)盤緊急制動(dòng)時(shí)盤面最高溫度低于材料相變溫度,制動(dòng)盤熱應(yīng)力小于材料的屈服強(qiáng)度,滿足設(shè)計(jì)要求。
(4)1∶1制動(dòng)臺架試驗(yàn)及1 000次疲勞試驗(yàn)結(jié)果表明所研制的輪裝制動(dòng)盤高速緊急制動(dòng)時(shí)制動(dòng)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(dòng)車組制動(dòng)盤技術(shù)要求。
[1]李和平,林祜亭.高速列車基礎(chǔ)制動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究[J],中國鐵道科學(xué),2003,(2):8-13.
[2]Alfred Braun.高速列車的制動(dòng)裝置[A].國外高速列車譯文集(制動(dòng)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(dòng)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(jī)車車輛制動(dòng)材料的發(fā)展[A],國外高速列車譯文集(制動(dòng)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.