南京地铁车辆合成闸瓦技术方案探讨吴井冰1 姜 敏2 应之丁2 裴顶峰3(1.南京地下铁道有限公司运营分公司,210012,南京; 2.同济大学铁道与城市轨道交通研究院,200092,上海;3.铁道部科学研究院金化所,100081,北京 第一作者,工程师)摘 要 分析了国内外铁路车辆应用的合成闸瓦技术,并对地铁车辆使用的合成闸瓦特点进行探讨。

提出研究聚合物基复合摩阻材料的地铁车辆合成闸瓦初步技术方案,重点解决适用于地铁车辆制动工况的关键技术,包括耐热高聚物的改性和应用研究、增强材料的应用研究和设计材料结构与性能,并对合成闸瓦的生产工艺进行初步探讨。

关键词 地铁车辆,合成闸瓦,技术方案,生产工艺中图分类号 U260.351On Technical Solution for Composition Brake Shoe in Nanjing MetroWu Jingbing,Jiang M in,Y ing Zhiding,Pei Ding fengAbstract In t his paper,many kinds o f composit ion br ake shoe used in railw ay rolling-stock worldw ide are introduced fo r the ex plor atio n of the features of brake shoe installed in metro cars. T he technical solution of composit ion brake shoe is to use phe-nolic resins compounded w ith the rubbing resistance material, and this so lution applied in metro v ehcilesr has been analysized to offer higher pr operties and lower cost.T o improve the ther-mal resistance and mechanical propert ies,it is necessary to im-prove the pr operties of synthetic fiber and their applicat ion in t he brake shoe.F inally,the manufacturing technolog y of co m-position brake shoe is also discussed.Key words metro vehicle,composition brake shoe,technical solution,technolog yFirs-t author s address Nanjing M etro Affiliated Company of O peration,210012,N anjing,China1 国内外使用合成闸瓦情况简介目前已成熟地应用在铁路车辆上的合成闸瓦有:橡胶闸瓦(丁苯橡胶、顺丁橡胶等)及改性酚醛树脂基半金属合成闸瓦。

它们主要应用在速度120 km/h以下的列车。

在近两年国内有研究单位和厂家相继推出了适用于速度120km/h以上列车的高摩合成闸瓦产品。

这些合成闸瓦产品的性能有了很大的提高,逐步替代同类进口产品。

但与国外同类产品相比,在解决合成闸瓦耐热、摩擦性能的稳定性问题,特别是高温摩擦性能的稳定性和潮湿状态下摩擦因数的稳定性等方面,还有一定欠缺。

法国国营铁路50多年前就已经开始研究合成闸瓦。

在不同场合采用两种不同特性的合成闸瓦,即高摩擦因数闸瓦(亦称K型闸瓦, =0.25)和低摩擦因数闸瓦(亦称L型闸瓦, =0.17)。

这种合成材料制成的闸瓦是通过把树脂、金属粉未,外加增强材料、摩擦材料等混合在一起,加热后压缩制成的。

法国T GV PSE列车上使用的合成材料制动闸片的成分是: 粘接剂为丁醛(丁二烯)苯乙烯(SBR)弹性粘结剂或是甲醛酚醛树脂; 铁和氧化铁; 硅和二氧化硅(磨料); 氧化铝; 硫酸钡; 锌和氧化锌; 氧化镁; 铜。

闸片的制造工艺采用成形加工(压铸)和焙烧。

近些年来,盘形制动用的合成材料闸片的主要发展方向是研制不含石棉的闸片。

采用的石棉代用材料有钢丝棉、铁粉、铜屑、玻璃纤维、碳纤维、钛酸钾晶须、硼酸铝晶须等。

日本非石棉化技术通常是采用耐热的芳族聚酰胺纤维代替石棉纤维,也有使用金属纤维的。

这些合成闸瓦材质,除了上述纤维外,还混合石墨、橡胶等材料,用酚醛树脂成型: 热固性的酚醛树脂是作为制动闸瓦的基体材料,连结各种材料(填充物)起到成型作用。

这种酚醛树脂当摩擦热熔化或者炭化时,将增大闸瓦的磨耗,从而引起摩擦力的降低,因此在保持整体的强度范围内,应调整它的含量。

石墨通常是作为润滑剂来调整摩擦性能和磨耗量的。

通过对石墨的品种和粒径反复进行研究得知,石墨的粒度大小可以影响摩擦力。

配上具有弹性性能的高分子合成橡胶时,制动闸瓦即可提高柔软性。

合成橡胶对增大真实接触面积起到了重要作用,然而其含量多少影响着闸瓦的耐热性。

纤维是为确保制动闸瓦的强度而配的。

这41里使用的纤维是采用聚酰胺系和陶瓷系的纤维,并且以弥补各材料性能的形式使其混合化,其效果有:提高了机械强度,增加了材料气孔系数而使之柔软化,提高了振动阻尼特性而控制了制动噪声。

这种新开发的制动闸片性能经制动试验台试验,结果表明,其表面摩擦因数为0.35~0.40,比较稳定,摩擦面在进入高温的高速区域内,未发现有衰减现象(摩擦力急剧下降)。

另外,获得了磨耗量比目前使用的闸片低约50%的好结果,并且制动时无噪声。

2 地铁车辆合成闸瓦技术分析从国内外研制的合成闸瓦来看,一般是将酚醛材脂、金属粉末和润滑材料经混合加热压制而成闸瓦。

与常用的铸铁闸瓦相比,合成闸瓦的特点是:高速区摩擦因数为0.15~0.35,且不随列车速度的改变而变化,并可通过改变配方和工艺进行调整;耐磨性好,使用寿命可达铸铁闸瓦的4倍以上;制动时无火花;质量小(仅为铸铁闸瓦的1/2~l/3);等等。

一般合成闸瓦尚存在以下缺点:一是在润滑状态下摩擦因数大为降低,因而在雨雪天气制动能力下降;二是导热性差,制动时热量难以散发,因而使车轮温度升高,甚至使车轮材料的组织、性能发生变化,导致热裂;此外,这种闸瓦会把车轮踏面磨得光滑如镜,便粘着系数降低。

目前这些缺点尚未得到有效解决。

而地铁列车制动频繁,尤其上、下坡道多而长,对闸瓦耐热要求更高;为防止对车轮产生异形磨耗,要求闸瓦与车轮踏面贴合性较好,闸瓦硬度值较低,此外还要考虑降噪等效果。

2007年初,对上海地铁和南京地铁的车辆用合成闸瓦分别做了理化性能指标测试。

在铁道部产品质量监督检验中心机车车辆检验站1 1制动动力试验台上进行了不同制动压力下的各项性能测试,取得了第一手资料,并和北京、天津地铁用的闸瓦做了分析比较。

最终,南京地铁车辆决定采用多橡胶、混杂纤维结构型式的合成闸瓦。

因多橡胶结构使得闸瓦摩擦面与车轮踏面贴合性较好,常温状态下摩擦因数较高(0.35~0.45),而温度较高时摩擦因数略有下降。

从多次试验结果看,由于是采用湿法多橡胶结构,其耐热性及抗热衰退性较差,磨耗率较高,对于多项复杂的制动工况,特别是在坡道试验上,表现出摩擦因数衰退较大;一次停车试验曲线(18次连续制动)摩擦因数热衰退性也较大。

从试验结果的总体上看,为保护车轮采用多橡胶成分,在连续制动产生高温时会造成摩擦因数降低。

但是,地铁列车通常工况下很大一部分是依靠再生制动作用,故一般不会发生连续性的摩擦制动,因此这种闸瓦也适用于地铁制动工况。

3 南京地铁车辆合成闸瓦的初步技术方案国内对地铁列车用闸瓦的理化要求、耐磨性要求,以及独立承担制动要求(即摩擦因数要求)是非常严格的,设置了许多基本指标。

多橡胶成分结构在高温时偏软,在制动过程中易粘结车轮踏面、产生冷焊效应;同时,橡胶等非金属材料的导热性较差,难以散发制动热量,热量主要集聚传导到车轮,故对车轮表面影响较大。

国内在研制合成闸瓦时已经历了多个阶段,一直到现在多采用改性橡胶和树脂混杂合成。

国内橡胶改性技术应用于摩擦材料在世界上是领先的,这是因为国内铁路对机械制动功率要求和连续长时间制动工况要求是世界各国少见的。

地铁车辆闸瓦课题组研制的闸瓦坚持采用树脂改性工艺,这样既可以保证闸瓦贴合性,又可保持在高温时闸瓦强度、硬度和摩擦因数的稳定。

高分子基体是制造合成闸瓦的关键材料,其性能的好坏,直接影响到合成闸瓦的各种性能。

我国研制合成闸瓦基本上均选用热固性树脂和橡胶弹性体进行共混改性,选用溶解度参数较为接近、相容性好的材料共混得到互为补强的体系。

聚合物基复合材料有着优越的常温性能。

但在摩擦制动的高温高速条件下,即便采用耐高温的高性能树脂,聚合物材料的耐高温性能始终不能满足要求。

一般的合成闸瓦是由聚合物作为基体粘结其他颗粒或者纤维增强材料,这就造成了一种两难的处境:要提高复合材料闸瓦的耐高温性能,聚合物基体的含量要尽可能的低;但是基体树脂含量过低时,增强材料将不能被有效粘结,造成材料性能恶化。

这就必须采用新的材料和工艺方法,在保证复合材料的粘结强度的前提下,尽可能降低树脂的含量。

国内研究单位目前尝试采用无机粘结剂与树脂相结合,以及在多孔陶瓷纤维增强复合材料骨架中原位聚合耐热高聚物材料等办法,在解决聚合物基闸瓦的 三热 问题上取得了一些进展。

国内关于合成闸瓦聚合物基复合摩阻材料的研究主要集中在以下几个方面: 耐热高聚物的改性和应用的研究,如酚醛树脂的各种改性和应用,耐热42橡胶的改性和应用,聚酰胺、聚酰亚胺等耐热聚合物在摩擦材料上的应用,橡胶与树脂的共混应用等。

各种增强材料的应用研究,如取代石棉用的各种矿物纤维海泡石纤维、硅灰棉及其他天然矿物棉的应用,人造矿物纤维如玻璃纤维、复合矿物纤维等的应用,有机纤维如Interfiber、Kevelar纤维、碳纤维,金属纤维如钢纤维、铜纤维等的应用研究。

目前最成熟和实用的是以钢纤维为主体增强纤维,配合其他增强材料的半金属合成闸瓦。

合成闸瓦生产工艺、使用性能及其摩擦学机理的研究。

目前国内闸瓦在瞬时摩擦因数、制动曲线、耐磨性、导热性和制动距离等方面尚不能满足列车的技术发展要求。

在研制新型地铁车辆合成闸瓦时,要注重于改进现有材料性能和引入先进复合材料,特别是纤维增强复合材料。

聚合物基复合材料制动闸瓦是以玻璃纤维、Kevlar纤维、碳纤维、金属纤维等纤维材料为增强材料,以橡胶、酚醛树脂或改性的酚醛树脂、聚酰亚胺等耐热聚合物为粘结剂,加上摩擦组元材料、润滑组元材料、填料等经混合后热压而成的摩擦材料。