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高速动车组粉末冶金闸片研制及试验研究
高速动车组粉末冶金闸片研制及试验研究
第31卷第5期
2011年1O月
铁道机车车辆
RAILWAYL0C0M0TIVE&CAR
Vol-31No.5
0ct.2Ol1
文章编号:
1008—7842(2011)05—0100—05
高速动车组粉末冶金闸片研制及试验研究
李万新,焦标强,李继山,吕宝佳,顾磊磊,陈德峰
(中国铁道科学研究院机车车辆研究所,北京100081)
摘要时速350km/h高速列车在紧急制动过程中将产生巨大的热负荷,制动过程中闸片的瞬时温度将达到
900℃以上,在此极端工况下普通的闸片材料将难以胜任.根据UIC标准相关要求,结合中国高速列车的运用特
点,研制出一种性能优良的高速列车铜基粉末冶金闸片,经大量试验研究分析最终证明所研制高速动车组粉末冶
金闸片摩擦性能优良,导热性,耐磨性好,对制动盘无损伤,满足350km/h高速列车制动系统相关需求.
关键词高速动车组;制动;粉末冶金闸片
中图分类号:
U266.2.35文献标志码:
A
速度等级350km/h高速列车在紧急制动过程中会
产生巨大的热负荷,制动过程中闸片表面的瞬时温度将
达到900℃以上,在此极端工况下,普通的闸片材料将
难以胜任.
目前国外高速列车制动闸片均采用粉末冶金材
料L1],粉末冶金闸片具有良好的耐磨性,导热性和耐热
性,且摩擦系数稳定性受天气影响比较小.但对于时速
350km/h高速列车来说,由于制动热负荷大幅提高,普
通粉末冶金闸片在运用过程中可能会出现粉末冶金材
料合金化进而导致对偶制动盘损伤,此外过高的热负荷
也使闸片产生磨耗过快等不良现象.
根据UIC标准相关要求,结合中国高速列车的运
用特点,研制一种性能优良的具有自主知识产权的高速
列车粉末冶金闸片,通过高速动车组1:
1制动动力试验
对闸片性能进行试验研究.
1高速动车组闸片性能特点
高速动车组粉末冶金闸片必须具备下列性能:
1.1良好耐热性,导热性及散热性
高速制动时,闸片摩擦面的温度将会升高到900℃
以上,因此高速动车组闸片在高温条件下必须具有良好
的机械性能;闸片摩擦材料要具有良好的导热能力,能
将制动过程产生的热量快速散发,最大程度减小对制动
盘的不利影响.
1.2在各种工况下具有稳定的摩擦性能
高速制动过程使闸片温度大幅度提高,因此闸片摩
擦系数的高温稳定性尤为重要.另外,在高速列车运营
环境变化时,例如沙尘,潮湿,雨,雪,冰等天气,也要保
李万新(196O一)男,北京人,高级工程师(收稿日期:
2Oll一07—25)
持摩擦系数的稳定.
1.3高的耐磨性和对制动盘的低损伤性
高速动车组的制动时间,制动距离,制动功都大幅
度增加,这必然导致闸片及对偶制动盘的磨损加剧.因
此为了延长闸片使用寿命,降低铁路运营成本,必须在
保证摩擦性能的同时,尽可能减小闸片的磨耗量.同时
还必须关注闸片对制动盘的影响,避免对制动盘的异常
磨耗和损伤.
2高速动车组粉末冶金闸片材料组分及制造工艺研究
粉末冶金摩擦材料通常由3大组元构成:
(1)基体
材料组元;
(2)摩擦材料组元;(3)润滑材料组元l_3].
粉末冶金闸片最终性能不仅取决于以上3种组元
的科学配比,还取决于合理的粉末冶金加工工艺.
2.1以往研究经验总结
分析我国以往的粉末冶金闸片研究过程可以发现:
(1)为了提高摩擦系数,防止金属镶嵌,金属转移,
往往在闸片材料中添加不同程度的磨料,从而降低了产
品的导热性,产生热衰,造成低速制动时的摩擦系数高,
高速制动时的摩擦系数低,增大产品自身磨耗,磨损制
动盘.
(2)磨料的加入以及金属粉末的合金化使铜基闸片
的硬度较高(HB≥40),这不但影响产品摩擦系数,还加
大了闸片自身以及对偶制动盘的磨耗,同时产生制动噪
音.
(3)原有铜基粉末冶金闸片的磨耗量通常超过0.5
cm./MJ.其原因除了磨料多造成的磨耗以外,还与产
品致密度低有关.
第5期高速动车组粉末冶金闸片研制及试验研究1O1
(4)增大烧结压力可以相对提高制品密度,但压力
稍大,烧结时便会有金属析出,反而适得其反,降低了制
品的密度和强度.
2.2本文研究重点
本文所研制的高速列车制动闸片基体合金元素在
Cu,Fe,Cr,Mn,Ni中选择组合优化,润滑组元,摩擦组
元在石墨,钼中选择组合优化.闸片的研制工作主要从
以下几个方面展开:
2.2.1充分发挥石墨元素的积极作用
铜基摩擦材料中石墨的含量对摩擦材料的密度,摩
擦系数,磨损率都有很大影响引.为了充分发挥石墨
在闸片材料中的积极作用,在研究过程中对石墨的粒度
分布,硬度高低以及配方中所占比例等方面做了大量试
验.克服了石墨在工艺加工中的不利因素,将石墨的作
用发挥到极致.
由于石墨等润滑剂,无机材料的摩擦剂与基体金属
之间的比重差异大,采用常规混料工艺始终存在原料偏
析的问题,影响产品质量稳定性.因此,我们采用特殊
方法将混合料制粒,保证各种不同原料混合均匀,这样
既保证了产品性能的均匀和稳定,又提高了粉末的流动
性.
2.2.2降低闸片材料硬度
通过控制铜基体的合金元素降低铜基体的硬度,提
高基体的黏着力,稳定摩擦系数.另外,通过调整磨料
与石墨的比例降低闸片硬度.这样做即降低闸片磨耗,
又能减轻对制动盘的磨损;充分发挥石墨自润滑性,防
止金属材料对制动盘的转移.
2.2.3提高闸片密度
在非金属原料含量高的情况下,为保证无金属析
出,烧结工序采取了特殊保护措施.充分提高了产品的
致密度,增加产品导热性,稳定摩擦系数,降低磨耗,同
时还使钢背与摩擦体结合更加牢固.
图1,图2闸片材料组分相同,其中图1是采用普通
烧结方法制造的闸片材料金相组织,图2是采用新研究
的特殊烧结工艺制造的闸片材料金相组织.基体组织
和石墨元素均成层状分布,很显然采用特殊工艺加工的
闸片材料组织更加均匀,致密.
2.2.4闸片后续热处理
为了减小摩擦系数在低速和高速制动时的差异,并
使摩擦系数在整个制动过程中保持稳定,对闸片进行热
处理,使金属晶格重新排列,消除闸片内部应力,降低硬
度,彻底消除制动噪音,使闸片磨耗量进一步降低.
图1普通加压烧结闸片材料金相组织
图2采取特殊工艺加压
烧结闸片材料金相组织
3高速动车组粉末冶金闸片1:
1制动动力试验
3.1试验参数说明
1:
1制动动力试验的目的是考核闸片与制动盘的
摩擦磨损性能及热稳定性是否满足设计要求.试验工
况参照我国高速动车组相关参数进行设定,试验程序参
考UIC541—3中的相关规定,考虑不同制动力和制动
初速度下摩擦副的制动特性,最高试验速度350km/h.
为了分析新研制闸片与我国高速动车组目前所使
用的原装闸片的性能差异,试验中按照相同的试验大纲
对原装高速动车组粉末冶金闸片和新研制闸片分别进
行1:
1制动动力试验.
试验参数如下
(1)试验速度
进行了不同速度级别的制动动力试验,具体速度有
80,120,140,160,180,200,250,300,330,350
km/h
(2)盘载荷:
8.2t;
(3)轮径:
915mm;
(4)对偶制动盘直径:
750mm;
(5)单侧闸片压力:
17,12,8kN;
(6)制动盘摩擦半径:
305mm;
(7)制动盘材料:
铸钢.
1O2铁道机车车辆第31卷
图3正在进行高速台架
试验的盘形制动装置
3.2国产高速动车组闸片试验结果
图4分别列出了制动初速度为200,220,250,300
以及350km/h时的1:
1制动动力试验国产高速动车组
粉末冶金闸片瞬时摩擦系数变化曲线.从图4(a)和图
4(b),4(c)可以看出,所研制闸片在不同初速度和工况
下制动时摩擦曲线平稳,重复性好,瞬时摩擦系数基本
稳定在0.32~0.42之间.该摩擦系数完全符合UIC
541—3对高速动车组粉末冶金闸片摩擦系数的相关要
求.
2060lOO14o180********0
v/(kmh)
(a)干燥制动
2O60100140180220260300
v/(km-h)
(c)350Km/hSfl动试验
图41:
1制动动力试验瞬时摩擦系数曲线
350krn/h紧急制动试验中制动盘最高温度为
520℃,20rain坡道试验制动盘最高温度为465℃,小于
UIC541—3规定的550℃
根据试验过程中的称重结果计算闸片的磨耗量,计
算结果为:
干燥条件停车制动闸片的磨耗量为0.061
cm./MJ;350km/h高速制动闸片平均磨耗量为0.12
CiTt./MJ;潮湿条件停车制动闸片的磨耗量为0.045
crl'l./MJ;不冷却情况下连续多次250km/h高速制动时
闸片的磨耗量为0.16cm./MJ,均小于UIC541—3对
高速动车组粉末冶金闸片的磨耗量要求为0.35cm./
MJ,由此可见,所研制的闸片具有良好的耐磨性.
试验过程中闸片表面状态始终良好,没有发生偏
磨,金属镶嵌等不良现象,图5为试验结束后闸片摩擦
面外观示意图.试验结束后对偶制动盘表面光滑没有
出现热斑,裂纹,划伤和不均匀磨耗等现象.1:
1制动
动力试验结束后,对试验后的闸片进行金相组织分析,
图6为试验后闸片纵断面金相组织图.对比图2可以
看出,试验前后闸片内部组织没有明显变化,仍保持原
有的层状结构,这说明所研制的闸片具有良好的耐高温
陛能.
图5制动试验结束后闸片摩擦面外观
图6制动试验结束后闸片
纵断面金相组织图
3.3国产高速动车组闸片与原装闸片试验结果对比分
析
图7,图8分别为干燥工况和潮湿工况下,新研制闸
姗
Ⅻ
∞㈣
∞
加
脚蕊
第5期高速动车组粉末冶金闸片研制及试验研究103
片与原装闸片在不同制动初速度下停车制动的平均摩
擦系数对比图.
通过对比图7,图8的数据可以看出:
(1)干燥工况下不同初速度一次停车制动时国产
闸片,原装闸片基本一致;
(2)干燥工况下国产闸片在80,120,160km/h3
个初速度下制动时,平均摩擦系数高于KB闸片,摩擦
系数稳定性优与KB闸片;
(3)潮湿制动工况下国产闸片在120,160km/h
两个初速度下制动时,平均摩擦系数高于原装闸片,但
在80km/h初速度下制动时原装闸片平均摩擦系数要
高于国产闸片,200km/h以上初速度施加制动时,国产
闸片和原装闸片的摩擦系数基本保持一致;
\
簸
御
睁
i
\
蜒
制动初速度/(kin?
h)
图7干燥工况不同制动初速度
制动时平均摩擦系数对比
图8潮湿工况不同制动初速度
制动时平均摩擦系数对比
图9,图1O为整个试验过程中干燥工况和潮湿工况
制动试验平均摩擦系数曲线按不同压力进行统计的统
计结果,可以看出:
(1)干燥工况下,以单侧闸片压力8,12kN施加制
动时,国产闸片和原装闸片平均摩擦系数基本一致,而
17kN压力下施加制动时,国产闸片摩擦系数统计结果
稍低于原装闸片,这说明在不同压力下制动时原装闸片
的摩擦系数稳定性要稍强于国产闸片.当然,国产闸片
的摩擦系数始终大于0.35,依然保持在比较合理的范
围之内;
(2)潮湿工况下闸片摩擦系数均有所降低,原装闸
片在17kN制动时摩擦下降较多,而国产闸片该工况下
摩擦系数没有明显下降.这说明国产闸片在潮湿工况
下摩擦系数具有更好的稳定性.
i
\
蒜
蝼
避
图9干燥工况不同制动压力
制动时平均摩擦系数对比
图10潮湿工况不同制动压力
制动时平均摩擦系数对比
图11,图12分别为干燥工况和潮湿工况下,国产闸
片与原装闸片在不同制动初速度停车制动的制动盘温
升统计对比图.
很明显可以看出不论是干燥工况还是潮湿工况,各
速度级别下施加制动时,国产闸片试验引起的制动盘温
升低于原装闸片.
\
赠
j嬗
瞄
谊
辎
刳
需
磊
图l1干燥工况不同制动初速度
制动时制动盘温升对比
图13为国产闸片与原装闸片在不同工况下磨耗量
对比结果.分析可以看出:
两种闸片在各种工况下的磨
耗量均低于UIC541—3规定的0.35cm/MJ磨耗量,
干燥工况及潮湿工况下单次制动磨耗量基本相同,均小
铁道机车车辆第31卷
于规定要求.
8O160220270
制动初速度~(kin?
h1)
图12干燥工况不同制动初速度
制动时制动盘温升对bE
干燥工况潮湿工况
图13不同工况下闸片屠耗量对bB
3结论
通过对试验数据的分析,国产高速动车组粉末冶金
闸片具有以下几个特点:
(1)国产闸片磨擦性能曲线表明闸片瞬时摩擦系数
和平均摩擦系数符合UIC标准;
(2)国产闸片干燥条件下一次停车制动试验时,闸
片的平均磨耗量为0.061cm./MJ,350km/h高速制动
闸片平均磨耗量为0.12crn./MJ,不冷却情况下连续多
次250km/h高速制动时闸片的平均磨耗量为0.16
cm./MJ,均远远小于UIC541—3对高速动车组粉末冶
金闸片的磨耗量不大于0.35em./MJ的要求,说明该
闸片具有良好的耐磨性;
(3)1:
1试验过程中,新研制闸片在各种速度下的
制动距离满足高速动车组对制动距离的相关要求;
(4)国产闸片在350km/h高速制动试验中制动盘
最高温度520.C,低于UIC标准规定值(550.C),整个试
验过程中制动盘没有产生热斑,也没有发现明显划痕,
沟槽等损伤现象;
(5)试验过程中国产闸片表面状态良好,没有发生
偏磨,金属镶嵌等不良现象,由于闸片材料中降低了磨
料的加入量,制动过程中可以显着降低对制动盘的磨
耗,从而使对偶制动盘寿命大大提高.从试验数据来看
国产高速动车组闸片各项性能满足UIC541—3以及我
国高速动车组制动系统的相关要求,具备进行装车运用
考核的基本条件.
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PowderMetallurgyBrakePadDevelopmentand
TestResearchofHighSpeedTrain
LIWan—xin,JIAOBiao—qian,LJi—shah,LUBao-jia,GULei~lei,CHENDe—feng
(LocomotiveCarResearchInstitate,ChinaAcademyofRailwaySciences,Beijing100081,China)
Abstract:
Greatheatloadwasgeneratedinanemergencybrakeprocesswhileahighspeedtrainruns350km/h.Thetransienttempera—
tureofbrakepadwasuptO1000.C.Thenormalbrakepadcannotcompetentforthetaskundersuchanextremecondition.Inthisar—
ticle,accordingtotherequirementsoftheUICstandardsandChineseSpecificcharacteristicsofrailwayoperation,akindofhighper—
formancepowdermetallurgycopper-basedbrakepadwasdesignedafterextensivestudy.Thiskindofbrakepadpossesseshighproper—
ty,goodthermalconductivity,goodabrasionresistanceandnotdamagebrakedisc.Itcompletelymeetstherequirementsofthebrake
systemofhighspeedtrainwhichhasatopspeedof350km/h.
Keywords:
highspeedtrain;brake;powdermetallurgybrakepad
姗伽枷㈣o
\俺嚼恒辎避啊臀器
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