高寒动车组粉末冶金闸片研制

2015-04-14李继山李和平韩晓辉焦标强吕宝佳顾磊磊宋跃超陈德峰

铁路技术创新 2015年2期

■ 李继山李和平韩晓辉焦标强吕宝佳顾磊磊宋跃超陈德峰

高寒动车组粉末冶金闸片研制

■ 李继山李和平韩晓辉焦标强吕宝佳顾磊磊宋跃超陈德峰

针对冬季冰雪天气CRH380B型高寒动车组制动盘易发生划伤的实际情况，对制动盘异常划伤原因进行研究，优化闸片结构，设计出适用于冬季的大间隙粉末冶金闸片。干燥及冰雪工况的1∶1制动动力试验结果显示，新研制闸片瞬时摩擦系数平稳、平均摩擦系数符合既有车辆要求，与其对偶的制动盘摩擦面状态良好；装有大间隙粉末冶金闸片的整车紧急制动试验结果显示，制动初速度200 km/h 纯空气紧急制动距离为1 525 m，小于2 000 m评价指标要求，制动初速度300 km/h纯空气紧急制动距离为3 711 m，小于3 800 m评价指标要求；正线载客运营结果表明，大间隙粉末冶金闸片对改善高寒地区冬季动车组运营中出现的制动盘异常划伤问题有较好的效果。

高寒动车组；粉末冶金闸片；制动盘

0 引言

2012年12月，哈大高速铁路开通，开创世界铁路在高寒地区营运的新时代。哈大高铁全长904 km，是世界上第一条在高寒地区建设的设计时速350 km高速铁路，CRH380B型高速列车设计最高时速为350 km，实际持续运营的最高时速为300 km，也是世界上速度最快的高寒列车。哈大高铁开通伊始，CRH380B型高寒动车组运营平稳、各项性能指标优异。随着哈大线普降暴雪，环境温度降至-30 ℃以下，动车组基础制动问题开始暴露（见图1—图3）。尤其是制动盘异常磨耗现象较为严重。截至2013年1月3日，已造成超过100例制动盘异常磨耗案例，制动盘摩擦面划伤沟槽深度轻则1 mm，重则7 mm（见图4）。图5为配对闸片摩擦面状况。上述现象对列车运营造成了一定影响，同时严寒冰雪条件下制动盘异常磨耗现象已严重影响了运营单位对动车组的正常维护工作，增加了运营维护成本。

总结过去运用经验，对此次哈大高铁CRH380B型高寒动车组出现制动盘严重划伤和金属熔融物现象进行分析后认为，制动盘严重划伤诱因为严寒冰雪环境，主要原因为外界硬质颗粒异物夹在制动盘和闸片摩擦面之间引起制动盘划伤。列车在运行过程中，闸片与制动盘相互摩擦，路基中砂粒或外来硬质异物混合在冰雪中，并包裹在闸片和制动夹钳上不易排出。硬质异物磨削制动盘，产生金属磨屑或切削出金属丝。金属磨屑或金属丝与制动盘相比，热容量小得多，制动时这些小块金属温度比制动盘温度高很多，冬季寒冷天气时其冷却速度比制动盘快很多，因而硬度比制动盘高，制动摩擦时就容易从较软的制动盘向较硬的小块金属转移。如果遇到下雪天气，产生的金属磨屑被冰雪包裹不能及时脱落或金属磨屑与其他杂物一起卡在闸片孔缝内，持续上述过程，就会加重磨削制动盘，磨削物在闸片表面生成金属镶嵌。

图1 轴盘及夹钳单元被冰雪包裹

图2 轮盘及夹钳单元被冰雪包裹

图3 制动盘与闸片之间的金属熔融物

图4 制动盘异常磨耗情况

图5 闸片摩擦面上的金属熔融物

图6 高寒粉末冶金闸片结构

可见，严寒冰雪天气是动车组制动盘异常划伤现象的诱因，而外界硬质颗粒异物夹在制动盘和闸片摩擦面之间不能脱落引起制动盘划痕，由此产生的金属切削物持续磨削制动盘表面并导致金属在闸片表面堆积，进而造成对制动盘摩擦表面的异常划伤。因此，要解决严寒冰雪天气环境下制动盘异常划伤现象，必须对与其配对使用的闸片进行优化改进。

1 高寒粉末冶金闸片结构设计

根据对原车闸片各摩擦块之间间隙小导致冰雪不易脱落现象的分析，首先对高寒粉末冶金闸片进行表面设计，如果要使冰雪、磨屑等夹杂物顺畅排出，必须加大各摩擦块之间的间隙。图6所示为研制的高寒粉末冶金闸片结构，通过加大闸片各摩擦块之间的间隙，使间隙连续、流畅，避免出现死角。

2 粉末冶金闸片材料方案

应用于动车组上的粉末冶金闸片必须能够保证摩擦表面不发生黏结、具有稳定的摩擦系数值和必需的耐磨性。因此在设计动车组粉末冶金闸片材料成分时，应综合考虑摩擦特性、闸片磨耗和寿命，以及对制动盘的磨耗等各项性能[1-2]。

（1）选择合理金属基体组元，保证闸片有较高的热综合性能。对于高寒动车组较大负荷条件下工作的粉末冶金闸片，金属基体要有足够高的熔点、耐热强度、热稳定性及在工作温度范围内高的塑性变形抗力。根据以往运用经验，用铜合金为金属基体，可以保证摩擦材料高的导热性，同时适当加入铁元素，保证高寒动车组粉末冶金闸片的耐磨性。金属基体中加入比热系数较大的钼、钒、锰等合金元素，以提高材料比热容，能够适应高速制动时所释放的大量制动能量[3]。

（2）调节黏结程度组元，促使摩擦平稳、减小表面磨损。在闸片中加入多元硫化物复合，使摩擦时生成高温润滑膜，减小或完全消除黏结和卡滞，促使摩擦平稳、减小表面磨损，进而较好地保证高寒动车组粉末冶金闸片在高寒冰雪环境下的摩擦磨损性能不会有较大降低。

（3）调节机械相互作用大小的组元，以保护制动盘不受伤害。调节机械相互作用组元的作用在于补偿固体润滑剂的影响及在不损害摩擦表面的前提下增加滑动阻力，能够大大降低粉末冶金闸片对制动盘异常伤害的概率。

由于高寒动车组粉末冶金闸片主要运用在高寒环境中，而闸片中的铁元素与制动盘中的铁元素具有较强的亲和性，因此在保证粉末冶金闸片摩擦磨损性能基础上，适当减少闸片材料中铁元素的含量而增加铜元素的含量。此外，同时加入最佳数量的固体添加剂，将会对制动盘和闸片摩擦副在高寒天气环境中的工作特性起到良好的作用。

3 1∶1制动动力台架试验

3.1 试验条件确定

根据CRH380B型高寒动车组运营环境气候条件、运行速度、轴重、减速度等基本技术条件[4]及UIC 541-3：2010[5]相关规定，对高寒动车组粉末冶金闸片的1∶1制动动力台架试验参数确定如下：最高试验速度300 km/h；轴重16 t；试验初始温度60 ℃、-30 ℃；模拟环境条件为干燥、暴雨、冰雪；制动状态为紧急制动、常用制动。

3.2 试验结果

不同速度等级在干燥工况纯空气条件下粉末冶金闸片瞬时摩擦系数见图7；初速度为300 km/h连续2次纯空气紧急制动瞬时摩擦系数见图8；300 km/h连续2次紧急制动第二次制动过程中不同时刻温度云图见图9；模拟冰雪环境试验见图10；粉末冶金闸片及其对偶制动盘试验结束后的摩擦面情况见图11、图12。从上述试验结果可以看出，新开发的高寒动车组粉末冶金闸片在紧急制动过程中瞬时摩擦系数平稳，平均摩擦系数均在0．35～0．42，比较一致；紧急制动过程中制动盘摩擦面温度场分布比较均匀；模拟冰雪环境及干燥工况试验过程中，制动盘和闸片表面状态良好，没有热斑、裂纹及掉块现象。

3.3 线路试验验证