杜建華 李衛(wèi)強(qiáng) 楊智勇

（1.南京中車浦鎮(zhèn)海泰制動(dòng)設(shè)備有限公司，211800，南京；2.北京交通大學(xué)機(jī)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(yùn)營(yíng)速度一般僅為60～80 km/h。而在部分線路的運(yùn)能已難以適應(yīng)客流量高速增長(zhǎng)的情況下，列車需要不斷提速或縮短行車間隔來(lái)緩解日益增加的運(yùn)輸壓力。地鐵速度目標(biāo)值過(guò)低會(huì)影響服務(wù)質(zhì)量；過(guò)高則會(huì)使投資過(guò)大，且受站點(diǎn)設(shè)置和運(yùn)輸組織制約難以實(shí)現(xiàn)。因而，城市快速軌道交通（以下簡(jiǎn)為“城市快軌”）的速度目標(biāo)值在120～160 km范圍內(nèi)較為合適。基于此，在未來(lái)的新造客車中，快軌車輛也將占有較大比重。實(shí)踐證明，列車運(yùn)行速度提高到120 km/h以上時(shí)，傳統(tǒng)的閘瓦-車輪踏面制動(dòng)已不能滿足列車制動(dòng)的要求，原有的踏面制動(dòng)方式對(duì)車輪的損害嚴(yán)重，大大降低了車輪的使用壽命。盤(pán)形制動(dòng)具有結(jié)構(gòu)緊湊、散熱性好、摩擦系數(shù)穩(wěn)定、動(dòng)力恒定、熱容量大、制動(dòng)效率高（90% 以上）等特點(diǎn)［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(dòng)擬采用盤(pán)形制動(dòng)。

隨著列車運(yùn)行速度的提高和頻繁制動(dòng)，對(duì)車輛的基礎(chǔ)制動(dòng)件的熱負(fù)荷提出了較高的要求。制動(dòng)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(dòng)件裂紋的萌生、擴(kuò)展、斷裂密切相關(guān)，進(jìn)而影響制動(dòng)件的服役壽命。因此，車輛的制動(dòng)模式和制動(dòng)件材料的選擇，對(duì)車輛的安全服役意義重大。

1 城市快軌車輛的基礎(chǔ)制動(dòng)模式

盤(pán)形制動(dòng)裝置是由制動(dòng)盤(pán)、合成閘片、制動(dòng)單元和杠桿等部件組成。制動(dòng)盤(pán)按照安裝方式可分為軸盤(pán)式和輪盤(pán)式兩種。軸盤(pán)式的制動(dòng)盤(pán)（如圖1 a）所示）用螺栓安裝在轂上，轂采用過(guò)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(duì)裝有2個(gè)制動(dòng)盤(pán)。輪盤(pán)式制動(dòng)盤(pán)（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(dòng)車和機(jī)車的輪對(duì)，由于車軸上已裝有牽引電機(jī)和齒輪箱，制動(dòng)盤(pán)大多只能安裝在車輪上，也可在車軸的外延端安裝軸盤(pán)式制動(dòng)盤(pán)，但采用較少。

圖1 軸盤(pán)式制動(dòng)盤(pán)和輪盤(pán)式制動(dòng)盤(pán)安裝方式

對(duì)于列車而言，盤(pán)形制動(dòng)可分為動(dòng)車輪盤(pán)-拖車軸盤(pán)、動(dòng)車軸盤(pán)-拖車軸盤(pán)、動(dòng)車輪盤(pán)-拖車輪盤(pán)等三種組合。輪盤(pán)式制動(dòng)盤(pán)與軸盤(pán)式制動(dòng)盤(pán)相比，前者對(duì)車輪的損傷遠(yuǎn)大于后者，主要體現(xiàn)在：①制動(dòng)盤(pán)的安裝孔削弱了車輪的強(qiáng)度，影響車輪的服役壽命；②制動(dòng)過(guò)程中，輪盤(pán)式制動(dòng)盤(pán)的散熱能力較軸盤(pán)式制動(dòng)盤(pán)差，加之地鐵車輛制動(dòng)頻繁，制動(dòng)熱量會(huì)通過(guò)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(dòng)車輪盤(pán)式制動(dòng)盤(pán)和拖車軸盤(pán)式制動(dòng)盤(pán)的基礎(chǔ)制動(dòng)模式，每副輪對(duì)對(duì)稱安裝2個(gè)制動(dòng)盤(pán)。

2 城市快軌基礎(chǔ)制動(dòng)件材料的選擇

目前國(guó)內(nèi)外已研發(fā)出的制動(dòng)盤(pán)包括：鑄鐵制動(dòng)盤(pán)、鍛（鑄）鋼制動(dòng)盤(pán)、鋁基復(fù)合材料制動(dòng)盤(pán)、C/C復(fù)合材料制動(dòng)盤(pán)［3-4］等。不同材料的制動(dòng)盤(pán)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(duì)于城市軌道交通車輛而言，采用的制動(dòng)盤(pán)材料主要有兩種，即灰口鑄鐵和鋁合金。

我國(guó)鑄鐵材料的研發(fā)水平與國(guó)外相當(dāng)，但制動(dòng)盤(pán)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(guó)外同類型制動(dòng)盤(pán)相比存在一定差距。此外，我國(guó)城市軌道交通線路大多運(yùn)量大、站間距短、制動(dòng)頻繁，制動(dòng)的熱容量隨之也較大。例如，上海軌道交通11號(hào)線設(shè)計(jì)最高速度為120 km/h，其全程三次制動(dòng)的模擬計(jì)算結(jié)果表明，制動(dòng)盤(pán)的摩擦面溫升已經(jīng)達(dá)到了灰口鑄鐵材料的許用溫度330℃（如圖3）。所以，在國(guó)內(nèi)，灰口鑄鐵制動(dòng)盤(pán)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(dòng)盤(pán)材料不宜采用灰口鑄鐵材料。

圖2 盤(pán)形制動(dòng)材料適用速度范圍

圖3 制動(dòng)盤(pán)摩擦面的溫度時(shí)間歷程曲線

以日、德、法為代表的國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)開(kāi)展鋁基復(fù)合材料制動(dòng)盤(pán)的研究，并取得了一定成果。德國(guó)已成功進(jìn)行了280 km/h高速列車鋁合金制動(dòng)盤(pán)的制動(dòng)試驗(yàn)，其KNORR公司制造的鋁基復(fù)合材料制動(dòng)盤(pán)已經(jīng)在歐洲以及日本和我國(guó)香港等地裝車運(yùn)行。圖4為香港九廣鐵路上服役的鋁基復(fù)合材料制動(dòng)盤(pán)，最高運(yùn)營(yíng)速度可達(dá)160 km/h。通過(guò)在歐洲、香港和日本等多條線路的試運(yùn)營(yíng)［6］，確定了鋁基復(fù)合材料制動(dòng)盤(pán)具有實(shí)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(dòng)盤(pán)

140～160 km/h車輛轉(zhuǎn)向架的設(shè)計(jì)應(yīng)考慮輕型化，并使其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量盡量小。鋁基復(fù)合材料的密度遠(yuǎn)低于鋼鐵材料（見(jiàn)表1），在滿足相同制動(dòng)工況條件下，鋁基復(fù)合材料制動(dòng)盤(pán)相對(duì)于傳統(tǒng)的灰鑄鐵或球墨鑄鐵制動(dòng)盤(pán)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(pán)式制動(dòng)盤(pán)質(zhì)量減少40%左右，輪盤(pán)式制動(dòng)盤(pán)質(zhì)量約減少50%。

表1 不同制動(dòng)材料的密度

圖5 兩種材料制動(dòng)盤(pán)減重對(duì)比

此外，鋁基復(fù)合材料制動(dòng)盤(pán)摩擦制動(dòng)無(wú)噪聲污染，滿足“綠色制動(dòng)”的要求，這對(duì)于列車制動(dòng)，尤其是對(duì)于城市軌道列車的制動(dòng)具有重要意義。

列車在制動(dòng)時(shí)，巨大的制動(dòng)熱負(fù)荷使制動(dòng)盤(pán)產(chǎn)生很高的溫升，鋼鐵制動(dòng)盤(pán)大多會(huì)在盤(pán)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(duì)球墨鑄鐵和鋁基復(fù)合材料兩種材質(zhì)制動(dòng)盤(pán)的模擬制動(dòng)溫度場(chǎng)進(jìn)行了對(duì)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(dòng)盤(pán)的溫度場(chǎng)均勻性明顯優(yōu)于球墨鑄鐵制動(dòng)盤(pán)。

鋁基復(fù)合材料制動(dòng)盤(pán)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(dòng)盤(pán)和有機(jī)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(dòng)盤(pán)多吸收40%的制動(dòng)能。

圖6 兩種材料制動(dòng)溫度場(chǎng)對(duì)比

實(shí)踐表明，熱疲勞失效是車輛制動(dòng)盤(pán)正常使用時(shí)的主要問(wèn)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(xiàng)性能指標(biāo)有關(guān)，如強(qiáng)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(gè)公式中得出K指標(biāo)［7］，用來(lái)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(qiáng)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(jiàn)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(dòng)盤(pán)相比，鋼質(zhì)制動(dòng)盤(pán)具有技術(shù)成熟度高、成本較低、適用速度范圍廣等特點(diǎn)。特別是鍛鋼制動(dòng)盤(pán)質(zhì)量穩(wěn)定性高，具有良好的使用業(yè)績(jī)。如果從追求制動(dòng)可靠性和降低服役風(fēng)險(xiǎn)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(dòng)盤(pán)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(xiǎn)評(píng)估

德國(guó)KNORR公司對(duì)鋁基復(fù)合材料制動(dòng)盤(pán)多年裝車試運(yùn)行情況進(jìn)行了分析，并對(duì)球墨鑄鐵制動(dòng)盤(pán)和鋁基復(fù)合材料制動(dòng)盤(pán)的壽命周期成本進(jìn)行了比較，如圖7所示。從圖7可知，鋁基復(fù)合材料制動(dòng)盤(pán)使用壽命長(zhǎng)，雖然在初期的投入略高于傳統(tǒng)的鑄鐵制動(dòng)盤(pán)，但長(zhǎng)期經(jīng)濟(jì)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(dá)到輕量化的要求，也能達(dá)到提高耐久性的目的。

圖7 兩種材料制動(dòng)盤(pán)的壽命周期成本比較

北京交通大學(xué)積極開(kāi)展了鋁基復(fù)合材料制動(dòng)盤(pán)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(shí)產(chǎn)權(quán)的顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的制備技術(shù)，所研發(fā)的制動(dòng)盤(pán)已通過(guò)最高試驗(yàn)速度200 km/h的1∶1臺(tái)架緊急制動(dòng)試驗(yàn)。其瞬時(shí)摩擦系數(shù)曲線如圖8所示［8］。

圖8 瞬時(shí)摩擦系數(shù)-速度曲線

在經(jīng)濟(jì)性方面的比較為：國(guó)外鋁基復(fù)合材料制動(dòng)盤(pán)對(duì)中國(guó)的售價(jià)，大約是每套2.5萬(wàn)元；而國(guó)內(nèi)采用鑄造成型方法制造的同類型制動(dòng)盤(pán)研發(fā)成本每套大約為0.6萬(wàn)～0.8萬(wàn)元；國(guó)外鋼質(zhì)制動(dòng)盤(pán)對(duì)中國(guó)的售價(jià)每套約為1.5萬(wàn)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(dòng)盤(pán)不僅具有很好的自主創(chuàng)新性，同時(shí)也不存在大的研發(fā)風(fēng)險(xiǎn)。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)140～160 km/h城市快軌車輛轉(zhuǎn)向架的基礎(chǔ)制動(dòng)模式及制動(dòng)件選材進(jìn)行分析，結(jié)論如下：

（1）建議采用動(dòng)車輪盤(pán)式制動(dòng)盤(pán)和拖車軸盤(pán)式制動(dòng)盤(pán)的盤(pán)形基礎(chǔ)制動(dòng)方式，每副輪對(duì)對(duì)稱裝2個(gè)制動(dòng)盤(pán)；

（2）制動(dòng)盤(pán)材料選用顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料，制動(dòng)閘片采用粉末冶金材料。

（3）采用鋁基復(fù)合材料，除可達(dá)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。