文國(guó)富，尹彩流，王秀飛，藍(lán) 奇

（廣西民族大學(xué) 摩擦材料研究所，廣西 南寧 530006）

為滿足經(jīng)濟(jì)發(fā)展與交通運(yùn)輸?shù)某请H化需求，地鐵和輕軌車(chē)輛不斷增加，運(yùn)營(yíng)速度也不斷提高，而車(chē)輛的制動(dòng)動(dòng)能與車(chē)速呈平方關(guān)系，隨著車(chē)輛速度的提高，其動(dòng)能不斷增加，制動(dòng)非常頻繁，所以對(duì)車(chē)輛的制動(dòng)裝置及其制動(dòng)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(dòng)性能直接影響地鐵車(chē)輛運(yùn)營(yíng)的安全，目前存在的主要問(wèn)題有裂紋、金屬鑲嵌、濕態(tài)摩擦系數(shù)不穩(wěn)定等問(wèn)題［2－4］，傳統(tǒng)的普通型合成閘瓦制動(dòng)材料已很難滿足制動(dòng)要求.早在2001年任翠純工程師［5］研制地鐵車(chē)輛制動(dòng)閘瓦取代進(jìn)口并在廣州地鐵一號(hào)線上試裝，取得較好效果.日本的狄野智久［6］通過(guò)在合成閘瓦中插入鑄鐵塊增大車(chē)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(wèn)題.宋大偉等［7］采用干法生產(chǎn)工藝研制國(guó)產(chǎn)合成閘瓦并在南京地鐵1號(hào)裝車(chē)試用并取得良好效果.然后，從目前的參考文獻(xiàn)資料來(lái)看，我國(guó)目前應(yīng)用于城市軌道車(chē)輛的制動(dòng)閘瓦依靠進(jìn)口較多，性能指標(biāo)和實(shí)際應(yīng)用效果和國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家相比還是有很大差距.國(guó)內(nèi)的摩擦材料研究人員和相關(guān)生產(chǎn)企業(yè)，急需自主生產(chǎn)出性價(jià)比高的城市軌道列車(chē)制動(dòng)閘瓦，以滿足國(guó)內(nèi)需求.

為滿足地鐵車(chē)輛制動(dòng)要求，本文研究了一種新的地鐵閘瓦材料，并對(duì)制備的地鐵制動(dòng)合成閘瓦進(jìn)行制動(dòng)性能1∶1臺(tái)架試驗(yàn)，通過(guò)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，探索其各種因素對(duì)地鐵閘瓦制動(dòng)性能影響，為閘瓦制動(dòng)性能的最優(yōu)化提供依據(jù)，具有現(xiàn)實(shí)意義和經(jīng)濟(jì)價(jià)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(shù)脂作為黏合劑，并加入丁腈橡膠進(jìn)行軟化處理，達(dá)到合成閘瓦所需要的硬度值，固化劑為六次甲基四胺.

增強(qiáng)纖維：使用具有高強(qiáng)、耐熱性纖維包括碳纖維、鋼纖維和海泡石纖維作為增強(qiáng)體，這些纖維之間的耦合作用使摩擦材料具有一定的強(qiáng)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(jī)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(jìn)行多方面的調(diào)節(jié)使材料能夠更好地滿足各種工況條件下的制動(dòng)要求.不同填料來(lái)調(diào)節(jié)摩擦材料的硬度、密度、結(jié)構(gòu)密實(shí)度、制品外觀，以及改善制動(dòng)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(zhǎng)石粉，有機(jī)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(chǎn)工藝是應(yīng)用最廣泛的摩擦材料生產(chǎn)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(jī)中，進(jìn)行充分?jǐn)嚢?達(dá)到均勻混合后，將物料放出，得到粉狀的混合物料；采用預(yù)成形工藝制成冷坯后再進(jìn)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(shí)間為30±3min，固化熱處理溫度為180±50℃，保溫時(shí)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(chē)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(cè)試

對(duì)制造完成的地鐵車(chē)輛合成閘瓦進(jìn)行物理和機(jī)械性能測(cè)試.密度試驗(yàn)方法按GB／T 1033－2008規(guī)定進(jìn)行測(cè)試，樣品尺寸為10mm×10mm×10mm；洛氏硬度試驗(yàn)方法按洛氏硬度GB／T 3398.2－2008規(guī)定進(jìn)行，樣品尺寸為50mm×50mm×25mm；沖擊強(qiáng)度試驗(yàn)方法按GB／T1043.1－2008規(guī)定進(jìn)行，樣品尺寸為（120±1）mm×（15±0.2）mm×（10±0.2）mm；壓縮強(qiáng)度和壓縮模量按GB／T 1041－2008規(guī)定進(jìn)行測(cè)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(yàn)按GB／T 1034－1998規(guī)定進(jìn)行，樣品尺寸為40mm×40mm×10mm.

制動(dòng)性能測(cè)試采用1∶1制動(dòng)動(dòng)力試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行，測(cè)試中模擬的軸重為14.0T，濕度68%，車(chē)輪直徑840mm.磨合試驗(yàn)以制動(dòng)初速度80km／h，閘瓦壓力28KN，初始溫度小于50℃，連續(xù)進(jìn)行10次磨合試驗(yàn)后，觀察磨合面積，使磨合面大于85%.停車(chē)制動(dòng)試驗(yàn)：閘瓦制動(dòng)壓力為35.0kN，進(jìn)行單次制動(dòng)停車(chē)試驗(yàn)，依次記錄制動(dòng)距離及時(shí)間，瞬時(shí)摩擦系數(shù)，車(chē)輪踏面溫度，平均摩擦系數(shù).試驗(yàn)時(shí)制動(dòng)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(yàn)前后分別對(duì)閘瓦稱(chēng)重，兩者的差值即為磨耗量.靜摩擦系數(shù)試驗(yàn)：閘瓦壓力5±0.2KN，閘瓦壓緊車(chē)輪后，對(duì)車(chē)輪施加轉(zhuǎn)矩直至車(chē)輪轉(zhuǎn)動(dòng)，記錄車(chē)輪開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)瞬間的摩擦系數(shù)作為靜摩擦系數(shù).

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 物理、力學(xué)性能試驗(yàn)

根據(jù)1.3中的測(cè)試要求對(duì)地鐵合成閘瓦進(jìn)行物理、力學(xué)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(xiàng)物理和力學(xué)性能指標(biāo)到達(dá)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(tái)架制動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果

為了考察所研制合成閘瓦的制動(dòng)摩擦磨損性能，結(jié)合地鐵車(chē)輛的實(shí)際運(yùn)營(yíng)條件，干態(tài)和濕態(tài)下制動(dòng)試驗(yàn)在中鐵隆昌鐵路器材有限公司1∶1制動(dòng)動(dòng)力試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行測(cè)試，得到不同制動(dòng)初速度下的實(shí)際制動(dòng)距離、實(shí)際制動(dòng)時(shí)間、踏面最高溫度和停車(chē)制動(dòng)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(shí)際制動(dòng)距離、最長(zhǎng)實(shí)際制動(dòng)時(shí)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(yàn)結(jié)束后測(cè)得停車(chē)制動(dòng)磨耗量0.73cm3／MJ，完全滿足80km·h－1速度下緊急制動(dòng)距離小于248m、車(chē)輪踏面最高溫度小于390℃、重車(chē)制動(dòng)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(dòng)距離為219.3～278.8m，制動(dòng)時(shí)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(dòng)試驗(yàn)臺(tái)測(cè)試結(jié)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(dòng)速度與摩擦系數(shù)之間的關(guān)系曲線.從圖2可以看出，在各種制動(dòng)速度下，制動(dòng)過(guò)程平穩(wěn).

圖2 不同制動(dòng)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(dòng)試驗(yàn)的摩擦系數(shù)——時(shí)間曲線，試驗(yàn)條件為軸重為14.0t、制動(dòng)壓力為8.0KN和制動(dòng)平均速度為40km·h－1時(shí)，持續(xù)時(shí)間10min.從圖中可以看出，在制動(dòng)過(guò)程中，摩擦系數(shù)從0.39減少到0.28，滿足規(guī)定時(shí)間內(nèi)坡道勻速連續(xù)制動(dòng)摩擦系數(shù)≥0.21的要求；制動(dòng)盤(pán)踏面最高溫度為250℃，摩擦系數(shù)緩慢下降，且從1～10min過(guò)程中動(dòng)摩擦系數(shù)較為平穩(wěn).

圖3 坡道連續(xù)制動(dòng)試驗(yàn)的摩擦系數(shù)—時(shí)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(shí)驗(yàn)次數(shù)變化如圖4所示.由圖4可知，經(jīng)過(guò)5次試驗(yàn)，靜摩擦系數(shù)平均值為0.336，滿足≥0.25的技術(shù)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(chē)輛用合成閘瓦的技術(shù)參數(shù)要求.同時(shí)，制動(dòng)過(guò)程中無(wú)噪音、無(wú)振動(dòng)、火花和難聞氣味.試驗(yàn)完成后，經(jīng)檢驗(yàn)車(chē)輪表面無(wú)金屬鑲嵌、熱斑、熱裂紋、異常磨耗等損傷，閘瓦無(wú)偏磨、無(wú)剝離、無(wú)龜裂、掉渣和掉塊等現(xiàn)象.合成閘瓦制動(dòng)試驗(yàn)前后照片如圖5（a）和（b）所示.

圖5 合成閘瓦制動(dòng)前后摩擦表面照片 （a）實(shí)驗(yàn)前；（b）試驗(yàn)后Fig.5 Surface images of composite brake shoe before（a）and after（b）experiment

3 結(jié)論

以腰果殼油改性酚醛樹(shù)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(qiáng)纖維，氧化鐵粉、鱗片石墨、鉻鐵礦、硫酸鋇、鉀長(zhǎng)石、摩擦粉等為填料，經(jīng)高速混合后，通過(guò)冷壓和熱壓成形及固化熱處理工藝制備地鐵車(chē)輛用合成閘瓦完全可行；研制的地鐵車(chē)輛合成閘瓦具有沖擊強(qiáng)度高、韌性好、壓縮強(qiáng)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(tái)架試驗(yàn)證明：在車(chē)輛制動(dòng)過(guò)程中，具有摩擦性能穩(wěn)定，且磨損率低等優(yōu)點(diǎn)，完全能夠滿足地鐵車(chē)輛制動(dòng)的使用要求.

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