机车制动盘的技术现状及应用研究

摘要：随着我国经济飞速发展，我国机车行业也迎来了发展新高峰，本文根据国内外机车制动盘所用材料和整体构造的不同，来对其刹车制动系统进行详细分析与探究，结合制动盘一般情况下的应力场以及温度，进一步利用科学方法来计算解析机动车制动盘的合理制动时长和制动过程。说明安装轮盘制动和轴盘制动的方法与构造形式，并对制动盘的材料、结构、以及闸片之间的关系来进行制动盘的应用研究，探究最合适的机车制动系统，以求促进我国机车行业的发展。

关键词：机车；制动盘；材料；有限元分析。

目前，我国机车刹车制动系统技术先进，一般上有两种方式，闸瓦制动以及轮盘制动。国内采用的是传统踏面制动方式，该制動方式踏面磨损快、使用寿命短，严重时会让踏面热疲劳甚至剥离，引发事故。而轮盘制动就很好地解决了闸瓦制动的以上缺点，考虑到机车车轮两侧安装有闸片和制动轮盘，在机车即将停车时，使二者产生摩擦，会加快机车减速直至停车，这也是轮盘制动的原理。同时，因为轮盘制动对车轮脚踏面没有施加作用力，不会对脚踏面产生损耗，而且可以根据制动时长和时速规定而选取最合适的摩擦力，避免产生较大噪音和剧烈抖动[1]。因此，在“高速重载”运输的快速发展下，机车功率和速度不断增大和提高，对高速度机车而言，将制动产生的巨大能量在短时间能排散掉，并且达到制动距离的要求，踏面制动方式难以满足。综上所述，由于轮盘制动具有闸瓦制动所不具备的种种优点，成为机车制动装置的最好选择。但是随着技术的不断改进和完善，机车运行速度持续提升，这也对制动系统提出来更高的要求，如何设计科学合理并且经久耐用的轮盘装置就成为了一个新的问题。

一、机车制动盘结构

目前，我国各机车制动盘装置厂商所生产的制动轮盘大同小异，利用单片轮盘，在其内侧安装散热零件，利于制动时快速散热，在制动轮盘面上安装卡槽，来连接定位销和螺栓孔。而这样设计的原因，正是因为机车的制动装置轮盘结构必须满足三个条件，第一连接要十分牢固，避免零件松动而影响刹车，第二是散热要好，只有及时降低工作温度，才能在更大程度上预防事故发生。第三是制动轮盘在转动过程中所受到的摩擦力应尽可能小，避免产生过大的热应力影响装置使用。

二、机车制动盘材料

一般情况下，机车制动盘材料的选择对装置的质量有很重要的影响，国内外对机车制动轮盘材料的选择集中在铸造铁和铸造钢。其中铸铁包括合金灰铸铁、蠕墨铸铁等，另外根据制动能量高低又有中能量制动盘何高能量制动盘之分。

（一）合金灰铸铁

合金灰铸铁材料在机车制动盘上使用最为广泛。它的优点主要是优异的导热性能，而且铸造工艺相对成熟，缺点主要是热疲劳抗力。制动性、耐磨性等比较差。导致其达不到高速机车的应用要求。其抗拉强度大于200 Ra/Mpa，硬度在190～240 HBW，金相组成：A型石墨数量≥75%，石墨长度等级≥3级，珠光体含量≥90%。

（二）蠕墨铸铁

蠕墨铸铁具有球墨铸铁和灰铸铁的性质，而且有更高的导热性、力学性能和抗疲劳性能，是较为理想的机车制动盘的制作材料，但是它的锻造工艺复杂难控。其抗拉强度大于340Ra/Mpa，断后伸长率大于2%，硬度180～240 HBW，金相组织：蠕化率≥60%，基体组织为铁素体和珠光体，珠光体含量≥23%。

（三）合金铸钢

当前，为了满足机车高速化、载重化的发展方向，使用更高强度的合金铸铁和抗裂性能更优秀的合金铸铁才能符合要求。其主要缺点是价格昂贵，锻造工艺不成熟。其抗拉强度大于1040 Ra/Mpa，规定塑性延伸强度 大于890Rp0.2/Mpa，断后伸长率大于6%，硬度大于280 HBW，冲击吸收能量大于25 J，金相组织：索式体。

三、机车制动盘应用分析

如何选择合适的机车制动轮盘，要从所用材料，制造成本和该装置的安全稳定性能等多个方面来考虑，因为机车的运行速度和其轴承重量等都不尽相同，使得制动时的情况也千差万别，所以应当根据机车的情况选择合适的制动轮盘。机车制动是通过制动系统让机车减速进而停止的过程，该过程会产生大量的热能，导致机车制动盘温度急剧升高，促使其产生热应力，会使制动盘断裂和损坏。因此，研究机车制动盘的因温度而产生的应力成為机车制动盘应用研究的首要问题。

（一）实验法

我们在机车制动过程中，使用红外热像仪设备对机车制动过程中的三种不同材料制作的制动盘盘面温度进行测量，总结得出制动盘的温度场特点：制动盘盘面的温度梯度是从细窄的带状发展成二维的平面状，进而变成三维的球状；制动盘盘面的温度开始快速上升紧接着急速下降再缓慢地下降[2]。

（二）数值模拟法

为了对机车制动片进行有限元数据分析，首先要建立制动盘的三维构造模型，并且将其中不重要的部分结构细节简单化处理，再选择合适的模型建立软件。在本次试验过程中，我们选择 ANSYS 有限元分析软件，在软件中分别设置材料的相关属性，获取制动盘的有限元计算模型。在不同条件下对机车制动盘进行了测试。得到实验数据后，使用ANSYS在不同的条件下依次对三种不同材料制作的制动盘进行热机耦合有限元分析。通过对试验结果的分析我们可以得到，对于制作材质和轴承重量不同的机车制动盘，机车制动过程中制动盘温度随时间变化数据，应力随时间变化数据[1]。

四、结论

随着机车高速化，对制动盘的要求越来越高，根据实验结果分析，设计机车制动盘要从材料、构造考虑。为了使制动轮盘能更加安全稳定，在轮盘使用过程中，对于制作材料的选择应注意其安全系数不得低于1.5。根据实验数据可以看出，合金灰铸铁作为轮盘的制造原材料依然有许多不足之处，用该材料制成的制动轮盘抵抗拉力强度不高，安全系数也低于标准范围。而蠕墨铸铁制成的轮盘其抵抗拉力强度就可以达到标准，安全系数并未超标。但是最优异的材料是合金铸钢，因为其制成的机车制动轮盘在任何条件下，安全系数都保持在1.5以上，具有非常好的安全稳定性。

参考文献：

[1]杜利清，黄彪，方明刚，金文伟.机车制动盘的技术现状及应用分析.铁道机车车辆，2016年6月第36卷第3期.

[2]齐斌.高速机车制动盘及其优化设计.机车电传动，2015年7月第4期.

作者简介：王志伟（1984），男，毕业于石家庄铁道大学，助理工程师，研究方向：机械制造及自动化。