图 3 列车在时速 300 km 进行紧急制动时的能量分布
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中 国 铁 道 科 学 第 25 卷
从制动能量上看 , 拖车上的摩擦制动能量占主 导地位 , 提高了拖车上的制动能量 , 也就提高了列 车的制动性能 。因此 , 对拖车摩擦制动技术和摩擦 材料的研究一直是列车制造业研究的重点 。 在研究拖车摩擦制动方面 , 所要解决的关键问 题是在提高制动能量的基础上 , 进一步降低制动装 置的重量 。
1 制动摩擦副对材料性能的要求
高速列车摩擦制动材料必须同时具有以下 3 方 面的性能 。 ①稳定的摩擦性能 。摩擦系数不随压 力 、温度 、速度和湿度的变化而变化 。 ②良好的耐 疲劳性能 。摩擦表面的急冷急热造成相当高的热应 力 , 这要求材料具有极好的抗热裂纹扩展能力 。 ③ 较高的耐磨损性能 。摩擦中形成的第三体与基体有 良好的粘附性 , 保证材料有相当低的磨损率 。
宋宝韫1 , 高 飞1 , 陈吉光1 , 于庆军1 , Yves Berthier2
(11 大连铁道学院 材料科学与工程系 , 辽宁 大连 116028 ; 21 Laboratoire de Mecanique des Contacts , LMC , UMR CNRSΠINSA de Lyon 5514 , France)
2 目前高速列车使用的制动盘材料
法国第一代高速列车巴黎东南号 ( 营运时速 270 km) 于 1981 年投入使用 , 在列车的拖车上 , 早 期使 用 的 是 具 有 通 风 结 构 的 铸 铁 制 动 盘[3] ( 图 6
图 6 高速列车制动盘的结构形式
第 4 期 高速列车制动盘材料的研究进展
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术 , 通过调整涂层结构和涂层材料 , 可以实现对制 动盘表面的强化 。图 10 是文献 [ 9 ] 中提出的多层 涂层的结构 。如图所示 : 第一层为粘着层 , 目的是 提高盘体与涂层的结合性能 ; 第二层为热屏障层 , 这层材料的主要性能是具有低的导热系数 , 阻碍热 量向轮轴传递 ; 第三层为耐磨层 , 满足高速列车制 动条件下的摩擦磨损性能 。这种多层结构涂层 , 最 大的特点在于通过热屏障层的隔热作用 , 降低了盘 体温度 。然而 , 试验表明 , 这种多层结构涂层在降 低盘体温度的同时 , 明显增加了盘表面的温度 , 这 相应地对闸片材料的硬度和耐高温磨损性能提出了 更高的要求 。同时 , 这种多层结构由于各涂层采用 不同的材料 , 其性能是不同的 , 不同材料间不同的 热膨胀系数和杨氏模量使涂层间出现了应力场 , 因 而 , 涂层间的结合强度成为要研究的问题 。
速阶段 , 电阻制动力较低 ; 高速时 , 风阻的作用接 近电阻制动力 ; 在任何速度范围内 , 拖车上的摩擦 制动力均起主导作用 。图 3 是高速列车在时速 300 km 时 实 施 紧 急 制 动 时 的 制 动 能 分 布 图[1] , 可 见 , 在紧急制动时 , 风阻为 9 % , 电力制动为 22 % , 摩 擦制动为 69 % , 其中拖车上的摩擦制动达 62 %。
31113 材料表面强化技术 将制动盘表面制造一层可提高摩擦磨损性能的
强化材料是制造高能量制动盘的一个新途径[7 , 8] 。 由于制动盘对热学性能和力学性能都有相当高的要 求 , 因此 , 通过表面强化技术来改善制动盘表面的 性能 。一般从两个方面考虑 , 一种是仅考虑提高制 动盘表面的力学性能 , 另一种是在提高力学性能的 基础上改善热学性能 。方法之一是等离子热喷涂技
在考虑上述问题的基础上 , 对制动盘材料和闸 片材料性 能 要 求 的 重 点 有 所 不 同[2] 。对 制 动 盘 材 料 , 要求其有很高的热容量以利于制动能储存 , 同 时具有良好的导热性以降低温度梯度 , 减少热斑形 成 。图 4 给出了制动盘材料性能要求 。
(a) ) 。这种通风结构制动盘可有效地降低盘体温 度 , 因此 , 可以配用耐热温度较低的有机合成闸 片 。然而 , 在高速运行时 , 通风结构制动盘最大的 问题是风阻消耗功率太大 , 风阻消耗功率已达到列 车功率的 1Π4 。因而 , 不得不考虑实心制动盘 。基 于实心 制 动 盘 的 盘 体 温 度 大 大 高 于 通 风 结 构 制 动 盘 , 对材料的热疲劳性能提出了更高的要求 , 同 时 , 也要求相匹配的闸片具有更高的耐热温度 。所 以 , 实心锻钢制动盘很快取代了通风结构制动盘 , 粉末冶金闸片取代了有机合成闸片 (图 6 (b) ) 。这 种形式的制动器最大制动能量达 23 MJ 。到目前为 止 , 各国高速列车的盘式制动器仍局限于这种结 构。
始在巴黎东南号高速列车上进行试验[3] 。设计的第
一个结构形式仍为传统的盘式结构 , 即两块闸片抱
紧在制动盘上 , 闸片的面积为 400 cm2 , 每轴装有
两个制动盘 。这种试验装置于 1987 年 7 月～1989 年 4 月进行了装车试验 , 结果表明 , 其摩擦系数随
图 8 陶瓷制动盘
速度 、压力和湿度的变化幅度达 6 倍 , 尤其是在雨
图 7 C —C 纤维复合材料制动盘
低 、弹性模量小等适合用于高能量摩擦盘的优点 ,
尤其是可在 1 000 ℃高温下正常工作 , 最高工作温
度可达 2 000 ℃, 这是其它材料无法比拟的 。同时 ,
材料的密度为 1175 , 这为降低盘重创造了条件 。
早在 1981 年 , C —C 纤维复合材料制动盘就开
与盘温的变化 , 计算结果表明 , 当制动功率达 3 000 W 时 , 金属陶瓷闸片表面温度高于铁铜粉末闸 片 40 ℃, 实际测量表明 , 表面陶瓷强化盘体温度明 显低于非强化盘 。同时 , 金属陶瓷闸片的磨损量也 大大低于铁铜粉末闸片 (图 13) 。
图 11 表面陶瓷强化盘摩擦系数的变化
图 10 多层涂层的结构
摘 要 : 综述提高高速列车制动盘能量和降低盘重方面的研究成果 。研究用 C —C 纤维复合材料 、陶瓷材 料 、铝基陶瓷强化复合材料 , 以及材料表面强化技术等改善高速列车制动盘材料性能的问题 。分析认为 C —C 纤 维复合材料密度低 、耐高温性能好 , 但表现出环境影响摩擦性能的问题 ; 陶瓷材料具有优良的摩擦性能 , 但具 有韧性低的问题 ; 铝基陶瓷强化复合材料密度低 , 但面临着使用温度较低的问题 ; 材料表面强化技术可提高钢 盘的摩擦性能 , 但仍需要解决不同材料间的结合性能问题 。
利用热喷涂技术改善制动盘表面性能 , 所试验 的涂层材料主要有两类 , 一类是陶瓷材料 , 另一类 是超合金材料 。
在陶瓷材料涂层方面 , 文献 [ 2 ] 中进行了大 量的研究 。通过等离子热喷涂技术 , 将钢盘表面制 造一层 NiCr2Cr3 C2 陶瓷涂层 , 涂层硬度达 800 HV , 涂层厚度为 250μm , 陶瓷涂层下的衬层材料为 Ni2 CrAl Y , 衬层厚度为 80μm。考虑到钢盘经陶瓷表面 强化后 , 具有更高的表面温度和耐磨性 , 普通的粉 末冶金闸片难于满足这种高温高磨损条件要求 , 因 此 , 相配的闸片选用了 Al2 TiO5 陶瓷闸片 , Al2 TiO5 陶瓷闸片硬度为 420 HV 。为比较这种强化盘的性 能 , 在同样的试验条件下进行了非强化盘匹配铁铜 粉末冶金闸片的对比试验 。试验表明 (图 11) , 陶 瓷表面 强 化 钢 盘 与 陶 瓷 闸 片 间 的 摩 擦 系 数 相 当 稳 定 , 其稳定性已好于非强化盘和铁铜粉末冶金闸 片 , 尤其是在淋水的条件下 , 摩擦系数也几乎没有 变化 , 远远好于现行使用的钢盘与粉末冶金闸片 。 陶瓷间的摩擦系数不受水气影响的原因在于摩擦表 面的高温使水膜难于形成 。图 12 给出了制动功率
雪天气条件下 , 材料的磨损量急剧增加 。为解决这
些问题 , 人们采用了飞机制动器的结构形式[5] (见
图 7) , 制动器由两个静盘和两个动盘构成 , 配有通
风冷却装置和伺服系统 , 所采用的封闭结构解决了
受雨雪天气影响的问题 。这种形式的制动器可使制
动能达到 90 MJ 。尽管如此 , 这种制动器仍存在许
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3 研究中的高速列车制动盘材料
高速列车制动盘的主要障碍 。图 8 是欧洲 Becorit 公 司试制的 30 MJ 和 50 MJ 陶瓷制动盘[6] , 图 9 是与 陶瓷制动盘相配的 NT 型陶瓷闸片 。
要求制动盘既要有高制动能量 , 再要降低重量
是相当困难的 。为解决这一问题 , 研究工作形成两
多棘手的问题 , 如 : ①摩擦系数的变化幅度仍为 4
倍左右 ; ②制动盘的高温对相邻附件提出了相当苛
刻的要求 ; ③结构复杂 ; ④价格昂贵 。这些因素均 是阻碍 C —C 纤维复合材料被进一步开发利用的原
图 9 陶瓷闸片
因 。因此 , 到目前为止 , C —C 纤维复合材料制动 器仍局限应用在赛车和大型飞机上 。 31112 陶瓷材料
在动车上 , 已由踏面制动过渡到轮装盘式制 动[4] (图 6 (c) ) , 制动盘的材料为铸铁 、铸钢和锻 钢等多种形式 , 相要求
对制动闸片材料 , 则主要考虑其稳定的摩擦系 数和良好的耐磨性 (图 5) 。
图 5 制动闸片材料的性能要求
图 2 法国双层高速列车制动力分布图
图 1 法国大西洋号高速列车拖车上的盘式制动
由上述可见 , 列车的制动力由动车的电阻制 动 、动车的摩擦制动 、拖车的摩擦制动和风阻构 成 , 各部分的制动力随速度的变化而变化 。图 2 是 法国双层高速列车制动力的分布图[1] , 可见 , 在低
收稿日期 : 2003212208 作者简介 : 宋宝韫 (1941 —) , 男 , 上海人 , 博士生导师 , 教授 。 基金项目 : 国家 863 计划项目 (2003AA331190)
个发展方向 : 一是研制高能量制动盘 ; 另一个是发
展中能量制动盘 。