孫新海， 陳德峰， 曹建行， 宋躍超， 郭彥峰

(1 中國鐵道科學研究院集團有限公司 機車車輛研究所， 北京 100081；2 北京縱橫機電科技有限公司， 北京 100094)

CR200J動力集中電動車組拖車(包括控制車)基于25T型客車平臺研制而成，其制動方式是傳統(tǒng)的純空氣制動方式，與以電制動為主、空氣制動為輔的動力分散型電動車組相比，巨大的制動能量幾乎由制動盤完全承擔，對制動盤的性能要求更為苛刻。為進一步提升電動車組的運行品質(zhì)和使用安全性、并延長制動盤的服役壽命，減少運用維護工作量，拖車(包括控制車)用制動盤在現(xiàn)有鑄鐵制動盤成熟結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上開展了鑄鋼化升級研究。

1 盤體材料

近年來，在制動盤盤體材料方面進行了大量基礎(chǔ)性試驗研究，其中在鑄鋼盤體材料方面的研究成果，為制動盤的技術(shù)升級奠定了基礎(chǔ)。

1.1 化學成分

盤體材料為低碳鎳鉻鉬合金鑄鋼，其中合金成分的主要作用：

(1)鎳(Ni)：提高材料的常溫強度和高溫強度，保持良好的塑性和韌性，提高材料的耐熱能力和耐腐蝕能力；

(2)鉻(Cr)：提高材料常溫強度和高溫強度，提高材料持久強度和抗蠕變能力(長期在高溫下受到應力，發(fā)生變形，稱蠕變)，保證材料的硬度和耐磨性能，提高材料的抗氧化性能及耐腐蝕能力；

(3)鉬(Mo)：細化材料晶粒，提高材料的淬透性和高溫強度，提高材料持久強度和抗蠕變能力，并抑制材料回火脆性。

1.2 金相組織

按照特定的成分比例熔爐澆鑄成形，經(jīng)正火和調(diào)質(zhì)處理，可得索氏體基體組織，索氏體基體組織不僅具有較高的強度，而且具有良好的韌性，其晶粒細小、均勻、結(jié)構(gòu)致密，很適合于惡劣工況下的摩擦制動使用要求，金相組織參見圖1所示。

圖1 鑄鋼盤體試樣的金相組織500×

1.3 力學性能

對試樣進行高、低溫力學性能試驗，試驗結(jié)果參見圖2～圖4所示。

圖2 材料強度-溫度試驗

圖2表明：材料在低溫、室溫及600℃高溫時的抗拉強度和屈服強度良好，可以滿足制動盤正常使用要求。

圖3 材料沖擊功-溫度試驗

圖3表明：材料在-50 ℃～-20 ℃低溫沖擊功與室溫20 ℃沖擊功無明顯變化，可以滿足制動盤在低溫環(huán)境下運用。

圖4 材料延伸率-溫度試驗

圖4表明：材料在低溫、室溫及600 ℃高溫時有穩(wěn)定的延伸率，同樣證明材料在低溫、室溫及600 ℃高溫時其抗拉強度和屈服強度良好，并具有一定的韌性。

1.4 硬度

選取5個樣件進行硬度測試，測試結(jié)果參見圖5所示。5個樣件的測試硬度最低為36 HRC，能夠保證制動盤材料具有良好的耐磨損特性。

圖5 樣件硬度測試

1.5 熱學性能

材料的平均線膨脹系數(shù)及導熱率分別參見圖6和圖7所示。

圖6和圖7表明：材料的平均線膨脹系數(shù)及導熱率隨溫度變化而變化，但變化趨勢比較平緩。這種材料的熱物理性能特點能保證制動盤溫度升高或降低時引起的應力變化梯度較小，可以延緩制動盤熱裂紋的萌生和擴展，提高制動盤使用壽命。

圖6 材料平均線膨脹系數(shù)-溫度試驗

圖7 材料熱導率-溫度試驗

1.6 疲勞特性S-N曲線

材料的S-N曲線測定結(jié)果參見圖8所示。S-N曲線表明材料的疲勞極限為278 MPa，而當應力達到500 MPa時，其循環(huán)次數(shù)可達1×105，能夠保證制動盤在正常工況下的制動需要。

圖8 材料的S-N曲線

綜合以上研究分析，低碳鎳鉻鉬合金鋼在低溫、常溫和600 ℃高溫時，具有較高且穩(wěn)定的力學性能和硬度指標，具有較大且穩(wěn)定的導熱率，較小且穩(wěn)定的線膨脹系數(shù)，熱學性能較佳，其疲勞特性S-N曲線良好，材料的綜合性能優(yōu)異，是一種很適合用于制作盤體的材料。

2 制動盤結(jié)構(gòu)

制動盤結(jié)構(gòu)基于長期服役25T型客車成熟鑄鐵制動盤結(jié)構(gòu)，經(jīng)進一步優(yōu)化設(shè)計而成，結(jié)構(gòu)簡單可靠，主要由盤體、盤轂、定位銷、壓環(huán)和緊固連接件等組成，盤體、盤轂通過壓環(huán)和緊固件連接在一體，參見圖9所示。盤體采用橢圓柱狀散熱筋，在保持良好的通風散熱條件下，可有效降低列車運行時因制動盤風阻引起的牽引功率損耗。

圖9 制動盤主要構(gòu)成

3 仿真計算

為考查鑄鋼制動盤與粉末冶金閘片組成的摩擦副在速度160 km/h速度等級車輛上的制動適應性，驗證極端工況下的安全性，進行了連續(xù)2次緊急制動時盤體瞬時溫度場和應力場仿真計算分析。

3.1 計算參數(shù)

盤體瞬時溫度場和應力場仿真計算基本參數(shù)見表1。

3.2 計算結(jié)果

盤體熱負荷仿真計算得到的盤體最高溫度、最大應力和最大位移值見表2。

表1 溫度場和應力場仿真計算基本參數(shù)

表2 制動初速度160 km/h盤體熱負荷仿真計算結(jié)果

平直道上160 km/h制動初速度連續(xù)2次緊急制動時，盤體溫度場云圖參見圖10所示，摩擦副溫度隨時間的變化曲線參見圖11所示，盤體熱應力隨時間的變化曲線參見圖12所示，盤體最大位移隨時間的變化曲線參見圖13所示。

圖10 制動盤溫度場云圖

圖11 摩擦副溫度變化曲線

圖12 盤體應力變化曲線

圖13 盤體最大位移變化曲線

仿真計算結(jié)果表明：在制動初速度160km/h連續(xù)2次緊急制動工況下，摩擦副最高溫度357 ℃，低于鑄鋼制動盤和粉末冶金閘片550 ℃穩(wěn)定性能溫度限值；盤體最大熱應力為388 MPa，未超過材料在550 ℃高溫時的屈服強度(750 MPa以上)，且有足夠的強度余量；盤體最大位移僅0.123 mm，說明盤體在制動過程中的熱變形很微小。

4 1∶1制動動力試驗臺性能試驗

新研制的鑄鋼制動盤匹配粉末冶金閘片在高速鐵路系統(tǒng)試驗國家工程實驗室1:1制動動力試驗臺上進行了制動性能試驗，主要試驗項目包括：

(1)干燥條件、盤載荷9 t(重車)工況下，不同閘片壓力、不同制動速度等級(最高180 km/h)一次停車試驗；

(2)干燥條件、盤載荷9 t(重車)工況下，160 km/h制動初速度連續(xù)2次緊急制動停車試驗；

(3)干燥條件、盤載荷6.5 t(空車)工況下，不同閘片壓力、不同制動速度等級(最高180 km/h)一次停車試驗；

(4)潮濕條件、盤載荷9 t(重車)工況下，不同閘片壓力、不同制動速度等級(最高180 km/h)一次停車試驗；

(5)干燥條件、盤載荷9 t(重車)工況下，高負荷(75 kW)坡道制動試驗(坡度20‰、160 km/h速度持續(xù)40 km距離)；

(6)高溫(高負荷坡道試驗后)、低溫(室溫)條件下，靜摩擦系數(shù)測試；

(7)模擬運營試驗：干燥條件、盤載荷9 t(重車)工況下，進行20次160 km/h制動初速度緊急停車試驗。

干燥條件、盤載荷9 t(重車)工況下的部分試驗曲線參見圖14～圖17所示。

圖14 一次停車(緊急)瞬時摩擦系數(shù)曲線

圖15 160 km/h速度連續(xù)2次緊急制動瞬時摩擦系數(shù)曲線

圖16 模擬運營試驗瞬時摩擦系數(shù)曲線

圖17 高負荷坡道動制動瞬時摩擦系數(shù)-溫度曲線

由圖14～圖16中可以看出，摩擦副在不同速度級緊急制動停車試驗和連續(xù)緊急制動停車試驗中瞬時摩擦系數(shù)的一致性非常好，摩擦系數(shù)穩(wěn)定且重復性良好，能夠保證在規(guī)定的制動距離內(nèi)停車，不僅可以滿足電動車組正常運用中的制動要求，而且也能保證電動車組在不利工況下的連續(xù)緊急制動需求。

連續(xù)2次160 km/h制動初速度緊急制動停車和試驗數(shù)據(jù)參見表3，其中1次緊急制動停車試驗和2次緊急制動停車試驗中盤體實測最高溫度值分別為257 ℃和375 ℃，與仿真計算結(jié)果得到的269 ℃和357 ℃基本吻合，也就是說盤體仿真計算過程中采用的計算方法科學、建立的仿真計算數(shù)學模型真實有效。

由圖17中可以看出，摩擦副在高負荷(75 kW)坡道制動試驗過程中的表現(xiàn)也很優(yōu)秀，盡管摩擦系數(shù)隨著盤體溫度升高而降低，但變化趨勢總體比較平緩，摩擦系數(shù)在整個坡道試驗中衰減量處于可接受范圍，可以滿足電動車組在長大坡道地區(qū)的正常使用需求。高負荷(75 kW)坡道制動試驗試驗數(shù)據(jù)參見表4。

表3 1∶1制動動力試驗數(shù)據(jù)(160 km/h連續(xù)緊急制動)

表4 1∶1制動動力試驗數(shù)據(jù)(高負荷坡道制動)

5 1∶1制動動力試驗臺疲勞試驗

為考核制動盤長期服役的安全可靠性，在1∶1制動動力試驗臺上進行了共計1 000次以上制動疲勞試驗。疲勞試驗均在干燥條件、盤載荷9 t工況下進行，主要以高制動初速度(140 km/h、160 km/h和180 km/h)緊急制動停車試驗和連續(xù)緊急制動停車試驗為主。被試制動盤在疲勞試驗進行前和疲勞試驗完成后的狀態(tài)參見圖18和圖19所示。

圖18 疲勞試驗前狀態(tài)

圖19 疲勞試驗后狀態(tài)

制動疲勞試驗完成后，對被試制動盤的狀態(tài)進行了查看，制動盤狀態(tài)良好，緊固件未出現(xiàn)松動及損壞跡象，盤體摩擦面未出現(xiàn)熱裂紋和明顯磨損情況，證明新研制的鑄鋼制動盤完全滿足裝車運用條件。

6 現(xiàn)車試驗及運用考核

2017年9月12日～2018年1月12日期間，CR200J動力集中電動車組樣車在中國鐵道科學研究院集團有限公司國家鐵道試驗中心和成都局內(nèi)進行了型式試驗和正線綜合運行試驗，試驗期間進行了包括各速度等級、不同控制模式下的大量制動試驗。

2018年4月13日～2018年7月29日期間，CR200J動力集中電動車組樣車在蘭渝線進行了20萬km的運用考核。運用考核里程累計201 072 km(初始里程為9 901 km)，其中最高速度及(按144 km/h～160 km/h速度范圍統(tǒng)計)考核里程170 440 km，高速比例84.77%；重車(模擬載荷，配重)考核里程125 950 km，重車比例62.64%。

運用考核結(jié)束后，對拖車(包括控制車)裝用的鑄鋼制動盤進行了狀態(tài)檢查，制動盤連接緊固件未見松動跡象，盤體摩擦面未發(fā)現(xiàn)明顯熱裂紋，也未有明顯磨損，總體表現(xiàn)正常，參見圖20和圖21所示。

圖21 摩擦面磨耗狀態(tài)

7 結(jié)束語

(1)CR200J動力集中電動車組拖車(包括控制車)用鑄鋼制動盤是基于現(xiàn)有25T型客車鑄鐵制動盤成熟結(jié)構(gòu)技術(shù)基礎(chǔ)上進行盤體材料鑄鋼化升級研究，制動盤的結(jié)構(gòu)得到了進一步優(yōu)化設(shè)計，盤體材料采用了綜合性能優(yōu)異的低碳鎳鉻鉬合金鑄鋼。

(2)經(jīng)有限元仿真計算表明，新研制的鑄鋼制動盤在制動初速度160 km/h緊急制動過程中盤體最高溫度和最大熱應力均低于所用材料的相變溫度和屈服強度，并留有較大的安全余量，制動過程中盤體熱變形微小。

(3)經(jīng)1∶1制動動力試驗臺試驗驗證，新研制的鑄鋼制動盤與粉末冶金閘片匹配，其制動摩擦、磨損性能優(yōu)異，并經(jīng)坡度20‰、160 km/h速度持續(xù)40 km距離的高負荷(75 kW)坡道制動試驗，摩擦副狀態(tài)良好。

(4)經(jīng)1∶1制動動力試驗臺1 000次以上的制動疲勞試驗考核，并經(jīng)現(xiàn)車綜合試驗和20萬km以上運用考核，新研制的鑄鋼制動盤整體狀態(tài)良好，盤體摩擦面未發(fā)現(xiàn)明顯熱裂紋，也未有明顯磨損，能夠保證電動車組長期安全、可靠運行。