杜建華 李衛(wèi)強 楊智勇

（1.南京中車浦鎮(zhèn)海泰制動設(shè)備有限公司，211800，南京；2.北京交通大學(xué)機械與電子控制工程學(xué)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(yīng)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(biāo)值過低會影響服務(wù)質(zhì)量；過高則會使投資過大，且受站點設(shè)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(biāo)值在120～160 km范圍內(nèi)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(yán)重，大大降低了車輪的使用壽命。盤形制動具有結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)向架的基礎(chǔ)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(chǔ)制動件的熱負(fù)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(xué)性能與制動件裂紋的萌生、擴展、斷裂密切相關(guān)，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(chǔ)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(gòu)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(cè)或一側(cè)。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(yuǎn)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(dǎo)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(zhuǎn)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(chǔ)制動模式，每副輪對對稱安裝2個制動盤。

2 城市快軌基礎(chǔ)制動件材料的選擇

目前國內(nèi)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(fù)合材料制動盤、C/C復(fù)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(dāng)，但制動盤生產(chǎn)的工藝穩(wěn)定性差，成型質(zhì)量尤其是內(nèi)在質(zhì)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(shè)計最高速度為120 km/h，其全程三次制動的模擬計算結(jié)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(nèi)，灰口鑄鐵制動盤的使用速度一般在120 km/h以內(nèi)，140～160 km/h城市快軌車輛轉(zhuǎn)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(fù)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(fù)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(fù)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(fù)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(fù)合材料制動盤

140～160 km/h車輛轉(zhuǎn)向架的設(shè)計應(yīng)考慮輕型化，并使其轉(zhuǎn)動慣量盡量小。鋁基復(fù)合材料的密度遠(yuǎn)低于鋼鐵材料（見表1），在滿足相同制動工況條件下，鋁基復(fù)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(zhì)量（如圖5所示［6］）。從圖5中可以看出，軸盤式制動盤質(zhì)量減少40%左右，輪盤式制動盤質(zhì)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(fù)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(fù)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(fù)合材料具有優(yōu)良的導(dǎo)熱性能，可避免了熱斑的產(chǎn)生。圖6對球墨鑄鐵和鋁基復(fù)合材料兩種材質(zhì)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(dǎo)性能越好。從圖6可以看出，鋁基復(fù)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(fù)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(fù)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(guān)外，還與材料的各項性能指標(biāo)有關(guān)，如強度、導(dǎo)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(biāo)匯總于一個公式中得出K指標(biāo)［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(dǎo)熱系數(shù)；

ρ——密度；

c——比熱。

K指標(biāo)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(biāo)見表2。從表2中可以看出，材料熱疲勞性能方面，鋁基復(fù)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(biāo)

與鋁基復(fù)合材料制動盤相比，鋼質(zhì)制動盤具有技術(shù)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(zhì)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(fēng)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(zhuǎn)向架制動盤材料建議選擇鋁基復(fù)合材料、鍛鋼或鑄鋼。

3 選材的可行性和風(fēng)險評估

德國KNORR公司對鋁基復(fù)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(fù)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(fù)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(fù)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(xué)積極開展了鋁基復(fù)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(quán)的顆粒增強鋁基復(fù)合材料的制備技術(shù)，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(fù)合材料制動盤對中國的售價，大約是每套2.5萬元；而國內(nèi)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(zhì)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(zhuǎn)向架采用鋁基復(fù)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(fēng)險。

4 結(jié)語

通過對140～160 km/h城市快軌車輛轉(zhuǎn)向架的基礎(chǔ)制動模式及制動件選材進行分析，結(jié)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(chǔ)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(fù)合材料，制動閘片采用粉末冶金材料。

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