陳澍軍，王東星，秦佳穎，劉中華，陳 磊，李繼山

（1 中國(guó)北車集團(tuán) 唐山軌道客車有限責(zé)任公司，河北唐山063035；2 中國(guó)鐵道科學(xué)研究院 機(jī)車車輛研究所，北京100081）

潮濕工況影響高速動(dòng)車組制動(dòng)摩擦性能試驗(yàn)研究*

陳澍軍1，王東星1，秦佳穎1，劉中華1，陳 磊1，李繼山2

（1 中國(guó)北車集團(tuán) 唐山軌道客車有限責(zé)任公司，河北唐山063035；2 中國(guó)鐵道科學(xué)研究院 機(jī)車車輛研究所，北京100081）

高速動(dòng)車組制動(dòng)摩擦副的摩擦因數(shù)在雨天或濕潤(rùn)的環(huán)境下存在衰退的問題，直接影響到軌道車輛的運(yùn)行安全。隨著我國(guó)廣泛開行速度超過300 km/h的動(dòng)車組，潮濕工況下制動(dòng)盤的性能研究越來越受到人們的重視?，F(xiàn)首先采用1∶1制動(dòng)動(dòng)力試驗(yàn)臺(tái)對(duì)高速動(dòng)車組制動(dòng)盤潮濕工況下的摩擦性能進(jìn)行了測(cè)試研究，比較了干燥和濕潤(rùn)兩類工況下制動(dòng)盤摩擦性能的異同。潮濕工況對(duì)制動(dòng)盤的摩擦性能的影響較為復(fù)雜：潮濕工況下平均摩擦系數(shù)存在著明顯的下降且波動(dòng)更加明顯；制動(dòng)壓力對(duì)于平均摩擦系數(shù)的影響有限，但在較高制動(dòng)初速度和潮濕工況下，較低的制動(dòng)壓力卻可以有較高的平均摩擦系數(shù)。最后分析了潮濕工況的各種影響因素，并提出了潮濕工況下制動(dòng)系統(tǒng)的控制策略。

制動(dòng)盤；平均摩擦系數(shù)；潮濕工況；摩擦性能

隨著列車運(yùn)行速度的不斷提高，對(duì)基礎(chǔ)制動(dòng)裝置以及制動(dòng)材料提出了更加苛刻的需求。粉末冶金摩擦材料由于其平均摩擦系數(shù)高，耐磨性好而被廣泛運(yùn)用于高速列車［1］。在高速動(dòng)車組施加制動(dòng)時(shí)，常因環(huán)境條件的不同，表現(xiàn)出不同的性能，如線路條件改變，輪軌黏著條件變化，或者在有雨、雪的天氣行車，表現(xiàn)出不同的制動(dòng)性能。由于摩擦磨損性能不是材料的內(nèi)在屬性，而與摩擦條件密切相關(guān)［2］。而現(xiàn)有高速制動(dòng)盤的研究和試驗(yàn)大都在干燥工況下進(jìn)行研究，因此有必要研究潮濕工況下制動(dòng)盤摩擦副的摩擦性能，進(jìn)而能夠評(píng)估動(dòng)車組在雨、雪、濃霧等潮濕環(huán)境下制動(dòng)性能。

以高速動(dòng)車組用制動(dòng)盤和粉末冶金閘片構(gòu)成的摩擦副為研究對(duì)象，在1∶1制動(dòng)動(dòng)力試驗(yàn)臺(tái)上測(cè)試了在不同摩擦壓力分別在干燥、濕潤(rùn)工況下，材料的平均摩擦系數(shù)和制動(dòng)盤溫度的變化情況。通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)合理論分析，找出摩擦性能變化的原因，可為高速動(dòng)車組在雨、雪等潮濕天氣的制動(dòng)控制研究提供試驗(yàn)依據(jù)。

1 試驗(yàn)臺(tái)和試驗(yàn)方法

試驗(yàn)在中國(guó)鐵道科學(xué)研究院的試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行，該試驗(yàn)臺(tái)可以進(jìn)行最高試驗(yàn)速度為550 km/h的1∶1動(dòng)力試驗(yàn)，可以根據(jù)軸重的不同，調(diào)節(jié)軸重和負(fù)載，能夠模擬風(fēng)、雨雪、冰凍、潮濕等各種工況，能夠采集到溫度、加速度、平均摩擦系數(shù)、噪聲等各種參數(shù)［3］。試驗(yàn)樣件采用與高速動(dòng)車組現(xiàn)車一致的制動(dòng)盤和閘片，試驗(yàn)樣件和試驗(yàn)設(shè)備見圖1。

依據(jù)UIC 541－3，并根據(jù)我國(guó)高速動(dòng)車組運(yùn)營(yíng)技術(shù)條件編制了高速制動(dòng)盤潮濕工況試驗(yàn)大綱，其中潮濕工況的噴水條件與UIC 541－3保持一致，灑水量為25 dm3/h。由于UIC 541－3中對(duì)動(dòng)車組的制動(dòng)閘片潮濕工況摩擦性能試驗(yàn)測(cè)試只在50～200 km/h的試驗(yàn)速度范圍有規(guī)定，對(duì)于超過200 km/h的試驗(yàn)速度沒有具體要求。因此現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于運(yùn)營(yíng)速度超過300 km/h的高速動(dòng)車組用制動(dòng)盤潮濕工況下摩擦性能沒有專門規(guī)定，本次試驗(yàn)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)僅參考了UIC 541－3中有關(guān)潮濕工況摩擦性能的要求但不做強(qiáng)制要求，屬研究性探索性試驗(yàn)。

試驗(yàn)首先進(jìn)行了輪盤的制動(dòng)試驗(yàn)，軸重負(fù)載為7.9 t，與現(xiàn)車一致。試驗(yàn)首先按照UIC 541－3的要求，對(duì)制動(dòng)盤和閘片進(jìn)行了磨合。磨合完成后，分別進(jìn)行了3個(gè)不同制動(dòng)壓力下，制動(dòng)初速度為50，80，120，160，200，250，280，300，320，350，380 km/h等11個(gè)不同等級(jí)的摩擦性能試驗(yàn)。并根據(jù)實(shí)車控制方式，對(duì)于200 km/h以上的制動(dòng)試驗(yàn)采用壓力分級(jí)制動(dòng)方式，分級(jí)制動(dòng)壓力分別為最大常用制動(dòng)壓力17/28 k N、緊急制動(dòng)壓力21/35 k N、常用制動(dòng)9/18 k N（速度高時(shí)采用較低壓力），即當(dāng)制動(dòng)盤速度減速至200 km/h時(shí)，制動(dòng)壓力切換至較高的壓力。試驗(yàn)采用了對(duì)比研究，分別研究了干燥工況、噴水工況和濕潤(rùn)工況（噴水試驗(yàn)后進(jìn)行的試驗(yàn)）3輪共計(jì)105次試驗(yàn)。

圖1 高速制動(dòng)盤潮濕工況摩擦試驗(yàn)部件和試驗(yàn)設(shè)備

軸盤試驗(yàn)與輪盤試驗(yàn)的區(qū)別在于其軸重負(fù)載為5 t，與現(xiàn)車一致。試驗(yàn)測(cè)試制動(dòng)初速度與輪盤一致，不同之處在于分級(jí)壓力切換點(diǎn)為300 km/h，分級(jí)制動(dòng)壓力分別為最大常用制動(dòng)壓力19/24 k N、緊急制動(dòng)壓力24/30 k N、常用制動(dòng)15/18 k N，壓力轉(zhuǎn)換意義與輪盤相同。同樣進(jìn)行了干燥工況、噴水工況和濕潤(rùn)工況3輪共計(jì)105次試驗(yàn)。

3種工況中，噴水工況和濕潤(rùn)工況均可認(rèn)為是潮濕工況，能夠?qū)χ苿?dòng)盤暴露在雨水、冰雪周圍以及濕熱潮濕天氣等實(shí)際環(huán)境工況進(jìn)行反應(yīng)。試驗(yàn)記錄了制動(dòng)過程中的平均摩擦系數(shù)和瞬時(shí)溫度，在試驗(yàn)報(bào)告中提供了單次試驗(yàn)的平均摩擦系數(shù)和最高溫度，以下將對(duì)上述試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

2 試驗(yàn)結(jié)果和討論

2.1 平均摩擦系數(shù)的影響分析

圖2所示為不同工況下，平均摩擦系數(shù)隨制動(dòng)初速度的變化。

由圖2（a）可以看到，干燥工況下，平均摩擦系數(shù)在不同制動(dòng)壓力下，隨著制動(dòng)初速度增加的變化趨勢(shì)較為一致，呈現(xiàn)出先下降后增加再下降的“S”形變化，平均摩擦系數(shù)存在較大的波動(dòng)，但均在0.35±15%的變化范圍之內(nèi)；不同制動(dòng)壓力對(duì)平均摩擦系數(shù)的影響有限，平均摩擦系數(shù)對(duì)制動(dòng)壓力的變化不敏感，試驗(yàn)結(jié)果顯示較高的制動(dòng)壓力不一定獲得較高的平均摩擦系數(shù)。制動(dòng)摩擦副在較高初速下制動(dòng)時(shí)，這種現(xiàn)象更加明顯。這可能是因?yàn)樵谥苿?dòng)初速度較高時(shí)，制動(dòng)壓力增大，則導(dǎo)致制動(dòng)盤溫升較快，材料高溫下軟化，力學(xué)性能下降，綜合以上分析可知，較高初速制動(dòng)時(shí)，居中的制動(dòng)壓力可以獲得較為理想的平均摩擦系數(shù)。

圖2（b）所示，噴水工況下，制動(dòng)摩擦副的平均摩擦系數(shù)波動(dòng)較大，已經(jīng)超出了0.35±15%的變化范圍；制動(dòng)壓力較小時(shí)，平均摩擦系數(shù)的波動(dòng)較劇烈；隨著制動(dòng)初速度增加的變化呈現(xiàn)出先下降后增加的變化趨勢(shì)，即在中低速區(qū)域100～200 km/h，測(cè)得平均摩擦系數(shù)較低，僅能滿足UIC 541－3規(guī)定的潮濕工況下，平均摩擦系數(shù)≥0.25的最低要求。在超過250 km/h的高速區(qū)域，最大常用制動(dòng)和緊急制動(dòng)的平均摩擦系數(shù)較為接近，輪盤摩擦副的常用制動(dòng)壓力測(cè)得平均摩擦系數(shù)波動(dòng)下降嚴(yán)重，而軸盤摩擦副測(cè)得摩擦系數(shù)較高。

圖2（c）所示，可以認(rèn)為經(jīng)歷過噴水試驗(yàn)后，潮濕環(huán)境下，平均摩擦系數(shù)隨著制動(dòng)初速的變化趨勢(shì)與干燥工況下一致，區(qū)別在于，較低的制動(dòng)壓力和較高的制動(dòng)壓力獲得平均摩擦系數(shù)的差異性更加明顯，且較低的制動(dòng)壓力獲得較高的平均摩擦系數(shù)。

綜合圖2，可以看出，無論輪盤還是軸盤摩擦副，在壓力分級(jí)的制動(dòng)初速時(shí)（輪盤200 km/h，軸盤300 km/h，圖中虛線標(biāo)志），平均摩擦系數(shù)波動(dòng)不明顯，進(jìn)一步說明了制動(dòng)壓力對(duì)平均摩擦系數(shù)的影響有限。

圖2 不同工況和制動(dòng)壓力下，平均摩擦系數(shù)隨制動(dòng)初速度的變化

為了進(jìn)一步說明潮濕工況對(duì)制動(dòng)盤摩擦副平均摩擦系數(shù)的影響，分析對(duì)比同一種制動(dòng)壓力下，干燥工況、噴水工況和濕潤(rùn)工況平均摩擦系數(shù)的變化，如圖3所示。圖3（a）和（b）所示，輪盤和軸盤均在緊急制動(dòng)壓力和最大常用制動(dòng)壓力下的平均摩擦系數(shù)的變化。可以明顯看出，平均摩擦系數(shù)的波動(dòng)趨勢(shì)類似但差異明顯，干燥工況下在各種制動(dòng)初速度下的平均摩擦系數(shù)最高，其次是濕潤(rùn)工況；噴水工況時(shí)制動(dòng)盤的摩擦系數(shù)明顯下降，特別是在中速區(qū)域（100～200 km/h），下降最為明顯；在高速區(qū)域（≥300 km/h），干燥工況下平均摩擦系數(shù)最為理想，噴水工況和濕潤(rùn)工況獲得平均摩擦系數(shù)較低，且比較接近。這可能是因?yàn)樵诟咚賲^(qū)域，制動(dòng)盤迅速升溫，噴水工況噴灑的水很快蒸發(fā)消失；濕潤(rùn)工況時(shí)，制動(dòng)盤摩擦副中的水分也容易蒸干，此時(shí)兩者在相同的制動(dòng)壓力下，獲得了較為一致的平均摩擦系數(shù)。

在制動(dòng)壓力較小時(shí)，如圖3（c）所示，干燥工況和濕潤(rùn)工況所得到的平均摩擦系數(shù)變化趨勢(shì)一致，且數(shù)值較為接近，特別是輪盤摩擦副；噴水工況則波動(dòng)較大，其中輪盤摩擦副平均摩擦系數(shù)呈下降上升再下降的“N”形變化趨勢(shì)，且兩次下降均低于干燥工況的平均摩擦系數(shù)的下限；軸盤摩擦副的平均摩擦系數(shù)變化呈下降后，有持續(xù)上升的趨勢(shì)，在較低制動(dòng)初速度（100～200 km/h）時(shí)，平均摩擦系數(shù)較低，低于干燥工況的平均摩擦系數(shù)的下限。

綜合以上分析，可以得出以下結(jié)論：

（1）該型高速動(dòng)車組制動(dòng)盤摩擦副的平均摩擦系數(shù)對(duì)制動(dòng)壓力不敏感，但受環(huán)境因素影響較大；

（2）在中低速區(qū)（100～200 km/h）的平均摩擦系數(shù)無論何種工況和制動(dòng)壓力下均較低；

（3）潮濕工況下（含噴水工況和濕潤(rùn)工況）的平均摩擦系數(shù)偏小，在制動(dòng)盤表面噴水時(shí)，平均摩擦系數(shù)的衰退嚴(yán)重，特別是在中低速區(qū)，平均摩擦系數(shù)降低到可以接受的下限。制動(dòng)盤摩擦副的制動(dòng)性能下降較為明顯，且不穩(wěn)定性增大，可能出現(xiàn)影響制動(dòng)系統(tǒng)安全的問題。

（4）在低速時(shí)，因制動(dòng)時(shí)間短，潮濕工況和干燥工況的區(qū)分不明顯；在高速時(shí)，由于制動(dòng)盤溫度上升，潮濕工況對(duì)制動(dòng)盤的影響有限。

上述試驗(yàn)可以說明該型制動(dòng)盤和閘片的開發(fā)為了適合高速動(dòng)車組的使用工況專門做了優(yōu)化，在干燥工況和濕潤(rùn)工況均能夠保證良好的摩擦性能。

圖3 不同工況下，相同制動(dòng)壓力，平均摩擦系數(shù)隨制動(dòng)初速度的變化

2.2 制動(dòng)摩擦副溫度變化的影響分析

為了研究潮濕工況下制動(dòng)盤溫度的變化，評(píng)估在該工況下的制動(dòng)盤的耐熱疲勞能力，針對(duì)不同速度下、不同制動(dòng)壓力和工況下的制動(dòng)盤最高溫度進(jìn)行對(duì)比分析。

圖4 不同工況和不同制動(dòng)壓力下，制動(dòng)盤溫度隨制動(dòng)初速度的變化

圖4是不同工況和不同制動(dòng)壓力下，溫度隨制動(dòng)初速的變化曲線。可以看出，無論何種工況，隨著制動(dòng)初速的上升，制動(dòng)盤的溫度與制動(dòng)初速大致呈線性上升關(guān)系；制動(dòng)壓力較大，制動(dòng)盤溫度也較高。在較低制動(dòng)初速時(shí)無論何種工況制動(dòng)盤的溫升較為接近；在壓力分級(jí)位置，其中輪盤在壓力變化之后，制動(dòng)盤溫度隨制動(dòng)壓力不同的區(qū)分較為明顯；在制動(dòng)初速較高時(shí)，溫度差異性拉大，低約100～200℃，詳見圖4（a）～（c）輪盤溫度變化；而軸盤由于壓力分級(jí)點(diǎn)速度較高，即使出現(xiàn)壓力變動(dòng)，也未觀察到明顯的變化。在中高速的范圍內(nèi)，噴水工況下制動(dòng)盤溫度波動(dòng)較大，詳見圖4（b），說明在此速度等級(jí)范圍內(nèi)，制動(dòng)盤溫度變化較為復(fù)雜。

圖5 相同制動(dòng)壓力，不同工況下，制動(dòng)盤溫度隨制動(dòng)初速度的變化

不同制動(dòng)工況對(duì)制動(dòng)盤溫升影響有所不同，如圖5所示。圖5試驗(yàn)曲線表明，干燥和濕潤(rùn)工況表現(xiàn)出來的制動(dòng)盤溫度變化趨勢(shì)和大小基本一致，說明浸過水或潮濕的環(huán)境對(duì)于制動(dòng)盤摩擦副制動(dòng)過程溫升影響有限；而噴水工況下的制動(dòng)盤溫度明顯偏低，特別是在中低速區(qū)間，溫度差異更加明顯，說明噴水能夠顯著降低制動(dòng)盤摩擦面的溫度，同時(shí)波動(dòng)加大，如圖5（b）軸盤所示，可能是因?yàn)槠骄Σ料禂?shù)波動(dòng)，導(dǎo)致發(fā)熱溫度波動(dòng)。

綜合以上試驗(yàn)分析，可以得出以下結(jié)論：

（1）該型制動(dòng)盤摩擦副的溫度變化與制動(dòng)壓力、制動(dòng)初速度近似線性關(guān)系；

（2）壓力分級(jí)點(diǎn)不會(huì)對(duì)溫度的變化有較大的影響，說明制動(dòng)初速度是影響溫度的主要因素；

（3）噴水工況能夠顯著降低制動(dòng)盤表面溫度，并在中低速時(shí)（100～200 km/h）的制動(dòng)盤溫度變化較為復(fù)雜。

綜合以上分析，潮濕工況對(duì)于高速動(dòng)車組制動(dòng)盤摩擦副的溫度變化影響不大，甚至是有利于制動(dòng)盤的冷卻和降溫降低制動(dòng)盤的熱裂紋傾向。然而對(duì)于制動(dòng)盤摩擦副的平均摩擦系數(shù)影響較大，特別是噴水工況下的平均摩擦系數(shù)下降較為嚴(yán)重，此時(shí)試驗(yàn)中觀測(cè)到制動(dòng)減速度下降嚴(yán)重，導(dǎo)致制動(dòng)距離變長(zhǎng)。因此在雨、雪等潮濕天氣，在中低速運(yùn)營(yíng)速度時(shí)，隨著輪軌黏著下降，制動(dòng)盤摩擦系數(shù)也會(huì)下降且不穩(wěn)定，極易發(fā)生打滑現(xiàn)象，有發(fā)生安全問題隱患。

3 結(jié) 論

對(duì)高速動(dòng)車組制動(dòng)摩擦副潮濕工況的摩擦性能進(jìn)行了測(cè)試，通過對(duì)試驗(yàn)結(jié)果分析。得出以下結(jié)論：

（1）該型高速動(dòng)車組制動(dòng)盤摩擦副的平均摩擦系數(shù)對(duì)制動(dòng)壓力不敏感，但受環(huán)境因素影響較大，在中低速區(qū)（100～200 km/h）的平均摩擦系數(shù)無論何種工況和制動(dòng)壓力下均較低。

（2）制動(dòng)盤摩擦副的溫度變化與制動(dòng)壓力、制動(dòng)初速度近似線性關(guān)系，制動(dòng)初速度是影響溫度的主要因素。

（3）潮濕工況下，制動(dòng)盤摩擦性能下降，特別是在噴水的工況下，平均摩擦系數(shù)衰退嚴(yán)重，特別是在中低速區(qū)，平均摩擦系數(shù)降低到可以接受的下限，且不穩(wěn)定性增大，此時(shí)可能出現(xiàn)影響制動(dòng)系統(tǒng)安全問題。

（4）潮濕工況下，制動(dòng)盤溫度降低，特別是噴水工況下能夠顯著降低制動(dòng)盤表面溫度，并在中低速時(shí)（100～200 km/h）制動(dòng)盤溫度變化較為復(fù)雜。

（5）噴水工況主要是通過水的冷卻作用和動(dòng)力潤(rùn)滑作用影響制動(dòng)盤摩擦副的制動(dòng)性能，并在制動(dòng)盤中低速區(qū)間能夠發(fā)揮作用，在低速和高速階段對(duì)制動(dòng)盤的影響較小。

根據(jù)對(duì)高速動(dòng)車組潮濕工況下制動(dòng)盤摩擦副摩擦性能的試驗(yàn)研究，在雨、雪等潮濕天氣，以及冰雪天氣，高速動(dòng)車組施加制動(dòng)時(shí)，盡可能地施加最大常用制動(dòng)而不施加緊急制動(dòng)，可能產(chǎn)生更好的制動(dòng)效果。

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Test Study on Wet Conditions Affecting Frictional Performance of Brake Disc for High Speed EMU

CHEN Shujun1，WANG Dongxing1，QIN Jiaying1，LIU Zhonghua1，CHEN Lei1，LI Jishan2
（1 CNR Tangshan Railway Vehicle Co.，Ltd.，Tangshan 063035 Hebei，China；2 Locomotive＆Car Research Institute，China Academy of Railway Science，Beijing 100081，China）

The reduction in the friction coefficient for frictional brake disc of high speed EMU applications in a rainy and humidly environment is considered as a serious problem as it affects the safety of the railway vehicle.However，relevant research should be more and more attention through there is a lot of high speed EMU which speed over 300 km/h.The change of friction properties under different work conditions was tested through dynamometer tester，and the similarities and differences between wet and dry friction mode were companied.It is shown that water has a complex effect on the properties of friction materials，as a kind of cooling medium and lubricant.The causes of friction performance change at different conditions and friction layer function and the braking system control strategy were also presented.

brake disc；friction coefficient；wet condition；frictional performance

U266.2

A

10.3969/j.issn.1008－7842.2014.04.03

1008－7842（2014）04－0014－06

鐵道部科技研究開發(fā)計(jì)劃（2012J003－C）；唐車公司研究開發(fā)項(xiàng)目（2013TCY022）

0—）男，工程師（

2014－01－01）