铝基复合材料制动盘在地铁车辆上的应用研究

赵锋

铝基复合材料制动盘在地铁车辆上的应用研究

赵锋

（北京轨道交通技术装备集团有限公司，北京 100000）

应用替代铸铁材料的铝基复合材料制动盘能够降低车辆簧下质量，满足车辆轻量化发展趋势，改善车辆的轮轨关系和运行品质。本文从装用铸铁材料制动盘和铝基复合材料制动盘的地铁车辆入手，从某地铁线路实际试验情况出发，着重研究铸铁材料制动盘和铝基复合材料制动盘在满轴重载荷及纯空气制动工况下以最高运营速度连续两次平直道紧急制动热容量性能、满轴重载荷及纯空气最大常用制动工况下实际站点正线往返运行热容量性能、空车及满载等不同载荷工况下纯空气最大常用制动减速度及制动距离等，同时分析了铝基复合材料制动盘对车辆轻量化的效果。研究分析结果表明，铝基复合材料制动盘在提高车辆轻量化的同时具备优异的热容量和制动性能。

地铁；车辆；制动盘；铝基复合材料

我国城市轨道交通系统中，多采用80 km/h A型和B型地铁车辆，此类车辆制动能量较小，均采用踏面制动方式，即制动闸瓦直接与车轮踏面摩擦从而使地铁车辆降速或停止。随着我国城市人口迅速增加，对轨道交通速度及发车间隔期的需求不断提升，近年新开通的线路出现了100～120 km/h A型和B型地铁车辆。随着车辆速度的增加，原有的踏面制动系统已无法满足车辆的制动要求，开始使用由制动盘和合成闸片组成摩擦副的盘形基础制动系统[1-2]。

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目前地铁车辆盘形基础制动系统主要采用铸铁材料制动盘。相较于踏面制动系统，盘形基础制动系统重量较大，增加了车辆的簧下质量，影响车辆的轮轴横向力和轮重减载率等安全性指标，增加了轮轨高频振动幅值，影响车下部件的使用寿命与安全[3]。因此降低车辆簧下质量成为地铁车辆发展的迫切需要。铝基复合材料制动盘具有比热高、热膨胀系数低、弹性模量小等适合用于高能量摩擦盘的优点，材料密度为1.75 g/cm3，这为降低车辆的簧下质量创造了条件[4]。

本文以应用铝基复合材料制动盘的某地铁车辆为研究对象，基于国内研究者对铝基复合材料制动盘开展的大量研究工作[5-7]，通过北京地铁某线路上的制动盘热容量性能及制动性能试验，对比装用铸铁材料制动盘地铁车辆的性能，分析铝基复合材料制动盘在车辆上的应用。

1 热容量性能

不同于传统踏面制动采用的闸瓦与车轮摩擦施加制动的方式，铸铁材料制动盘和铝基复合材料制动盘均与装用于车轮或车轴上的合成闸片匹配来施加制动。合成闸片在实际运用过程中的限制温度为400℃，温度限制在于考虑合成闸片中有机粘合剂的稳定性，当温度超过400℃后，材料中的有机成份将氧化分解，从而出现严重磨损[4]。铝基复合材料制动盘具有良好的散热能力和高制动功率，台架模拟试验表明，在120 s维持制动条件下，其最高使用温度为375℃，超过这一温度，制动盘摩擦表面将出现剧烈的磨损。因此在评价车辆制动系统热容量性能时，考虑一定的冗余，制动盘和闸片的表面温度不应超过350℃[8]。

根据T/CAMET 04004.1－2018[8]，地铁车辆应满足在AW3（乘客9人/m2时车辆和乘客的重量）载荷纯空气制动工况下，以线路正线最高运营速度作为制动初速度进行平直道连续两次紧急制动、按线路正线运营速度要求进行一个往返运行来验证制动系统的热容量要求。

装用两种不同材料制动盘的车辆在北京地铁某实际运营线路上进行热容量试验，线路最高运营速度为100 km/h。试验时将全列车电制动切除，仅实施空气制动：按照ATO（Automatic Train Operation，列车自动控制系统）控车模式进行每站停车、站停时间30 s，在正线运行一个往返；以最高运行速度（100 km/h）紧急制动停稳后，不停站，发车，继续施加一次紧急制动。

定理 2.1[8] 令→是[0,1]上的正则蕴涵算子。若→满足:对任意的a,[0,1], a+a→b≤1+b,则

式中：为车辆的制动距离；为最大常用制动平均减速度；为最高运行速度。

图1 闸片钻孔安装传感器

对某车辆在相同载荷、相同制动初速度等工况下每轴配套2套外径640 mm的铸铁材料与铝基复合材料轮装制动盘的实际线路热容量性能试验进行对比分析，得到图3和表1。

我怕面试迟到，于是提前一个小时从家里出门。走到贝勒库尔广场时，天开始下起雨来，我跑到皇家饭店的大堂里躲雨。我可不希望到服装店里的时候，头发是湿淋淋的。我对饭店的门卫谎称自己是饭店的顾客，向他借了一把雨伞。到了格罗雷大街四号，他们让我在一间宽敞的房间里等着。房间里装饰着灰色的细木护壁板，门窗都用同样颜色的丝绸窗帘遮掩着。一排被镀成金色的木椅摆放在墙边，座椅的软垫包裹着红色的天鹅绒。半个钟头过去了，我猜想自己已经被他们遗忘了。

图3（a）为两种材料制动盘连续紧急制动试验结果。试验中，车辆在满轴重载荷纯空气制动工况下，在北京地铁某线路上以线路最高运营速度（100 km/h）作为制动初速度进行平直道连续两次紧急制动。

首先,以微电网购电成本与联络线功率波动为主要优化目标,得到最佳的优化结果。分别记作xC和xP,并计算每种优化方式对应的购电成本f1和波动系数f2;然后,引入两个虚拟参与者,将其策略分别设为f1和f2及xC和xP,形成二人零和博弈模型。其支付矩阵如表2所示。

图3（b）为正线往返运行试验结果。试验中，车辆在满轴重载荷下，在北京地铁某线路上按照线路正线运营速度要求进行一个往返运行，全程各站点采用最大常用纯空气制动停车。

在ATB—25下面层施工结束后对其压实度与平整度进行检测，并跟踪检测该高速公路通车一年后沥青路面损坏状况，检测结果如表6所示。

刚退伍的前两年，他本来可以分配到很好的事业单位、机关工作，但他立志要打造一个让退伍军人干事创业的平台，创建一支为党和政府分忧，为军旗添彩的队伍！

图3 制动盘表面温度变化曲线

表1 制动盘温度

注：温度限值均为350℃。

由于铝基复合材料制动盘中铝合金具有较高的比热容和导热系数[4]，使得在满轴重载荷连续紧急制动时铝基复合材料制动盘表面最高温度明显低于铸铁材料制动盘，且在连续紧急制动结束后，铝基复合材料制动盘表面温度也较低。满轴重正线往返运行试验中，铝基复合材料制动盘表面最高温度同样低于铸铁材料制动盘。两种试验过程中铝基复合材料制动盘表面最高温度距离制动盘和合成闸片的最高使用温度限值有较大冗余，有利于保持合成闸片中有机粘合剂的稳定性，降低制动盘及合成闸瓦的磨损，提高使用寿命。

可以看出，在相同载荷、相同制动初速度及相同试验线路等工况下，铸铁材料制动盘和铝基复合材料制动盘均满足温度限值要求。

通过热容量性能试验对比分析，铝基复合材料制动盘热容量性能满足相关标准要求，且优于铸铁材料制动盘。

2 制动性能

本文以北京地铁某线路试验出发，对装用铸铁材料制动盘和铝基复合材料制动盘的某车辆在相同载荷、相同制动初速度等工况下的制动距离、制动平均减速度进行对比分析。

测试时在车辆动力转向架和非动力转向架上各选取一根车轴，如图1和图2所示，通过在闸片上钻孔、安装温度传感器，采集闸片和制动盘表面温度[9-10]。

可以看出，在AW0、AW2和AW3载荷时，使用铸铁材料制动盘和铝基复合材料制动盘的车辆均满足制动减速度不小于1 m/s2和制动距离不大于386 m的标准值要求。

经过治疗和护理后,观察组共有24例被治愈,对照组共有22例被治愈,观察组的治疗效果比对照组强,两组结果存在统计学差异性(P<0.05)。

车辆的制动能力即制动走行距离是车辆安全运行的必要保障，计算为：

试验时，当车辆到达正线预定地点和行车速度后，切断列车牵引力，列车惰性3 s后，以纯空气最大常用制动方式施加制动，并且保持此状态直至列车停车，制动初速度的误差应在±2 km/h范围内，记录每次试验制动初速度、制动距离、平均减速度等数据，如表2所示。

表2 制动盘制动能力试验结果

根据T/CAMET 04004.1－2018[8]，车辆处在AW0（空载状态下车辆的重量）、AW2（乘客6人/m2时车辆和乘客的重量）和AW3载重工况下，列车从最高运行速度到停车，应符合≥1.0 m/s2。因此，当＝100 km/h时，计算得：≤386 m。

两种材料制动盘与对应合成闸片的表面摩擦系数如表3所示[11-12]，这使得铝基复合材料制动盘在车辆AW0、AW2和AW3载荷时的制动减速度均优于铸铁材料制动盘，可提供更大的制动力。同时，在不同载荷工况下，铝基复合材料制动盘的制动距离均明显优于铸铁材料制动盘，有利于缩短车辆在紧急情况下的制动距离，提高车辆的安全运行能力，还可以为城市早晚高峰期时缩短地铁列车发车间隔提供支持，减少地铁站因客流量聚集、拥堵引起的安全事故。

通过制动性能试验对比分析，铝基复合材料制动盘制动性能满足相关标准要求，且优于铸铁材料制动盘。

3 重量

车辆与轨道之间的振动是由轨道直接传递给车轮，不经过转向架一系悬挂装置和二系悬挂装置减振，振动的能量与车轮的重量，即簧下重量，有直接关系。制动盘作为地铁车辆不可缺少的关键部件，安装在轮对上，属于车辆簧下重量。由于车轮与钢轨紧密接触，使得轮对与轨枕（轨道系统）很容易共振，车辆簧下质量的增加将增大轮轨之间的振动能量，降低乘客舒适性，影响车辆车下设备的使用寿命与安全性能，而且会造成转向架及车辆车下吊挂设备紧固件松脱断裂、车轮非圆化磨耗、钢轨波磨等问题的发生[13-14]。

由主管部门制定本区公共图书馆事业发展规划和建设实施方案。结合实际，进一步完善工作协调机制，着力发挥图书馆总分馆体系对于有效整合区域文化资源、提高公共文化服务供给能力具有重要的推动作用。作为补充，因地制宜建设大居图书馆、24小时自助图书馆、“移动图书馆”、城市书房、职工书屋等服务点，推进城市“15分钟图书馆服务圈”、农村“农家书屋”、“书刊阅览网格点”建设。

铝基复合材料制动盘的材料密度约为铸铁材料制动盘的40%，可显著降低制动盘的重量。地铁车辆每车设置2台转向架，每台转向架设置4套基础制动装置，即每车设置有8套基础制动装置，重量如表4所示。计算可得，相比采用铸铁材料制动盘，采用铝基复合材料制动盘可使每列车（8编组列车）减重约3584 kg。

表4 制动盘重量对比

随着城市轨道交通车辆智能化程度越来越高，车辆配套的诸如障碍物检测装置、脱轨检测装置以及走行部在线监测装置等智能化设备增加，导致车辆总重进一步增加，降低车辆的轴重尤其是降低簧下质量已成为迫切需要解决的问题。应用适合于地铁车辆的轻量化铝基复合材料制动盘，可以减少车辆簧下重量、降低轴重、减少列车的牵引动力、降低能耗、提高车辆的制动性能，还可改善车辆的轮轨关系和车辆运行品质，提高车下部件的使用寿命与安全性能。

4 结语

本文研究对比了地铁车辆铸铁材料制动盘和铝基复合材料制动盘，结果表明：

（1）铝基复合材料制动盘的热容量性能满足标准要求的温度限值，因其较高的比热容和导热系数，相比于铸铁材料制动盘温升更低，有利于保持合成闸片中有机粘合剂的稳定性，降低制动盘及合成闸瓦的磨损，提高使用寿命。

（2）铝基复合材料制动盘的制动减速度和制动距离满足标准及车辆的安全使用要求，且因摩擦系数高于铸铁材料制动盘，铝基复合材料制动盘的制动减速度和制动距离更优，有利于缩短车辆在紧急情况下的制动距离，提高车辆的安全运行能力。

（3）铝基复合材料制动盘可降低车辆簧下质量，改善车辆轮轨关系，提高车下设备使用寿命与安全，满足车辆轻量化的发展趋势。

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Application of Aluminum Matrix Composite Brake Disc on SubwayVehicles

ZHAO Feng

( Beijing Rail Transit Technology and Equipment Group Co., Ltd., Beijing 100000, China )

The application of aluminum matrix composite brake discs instead of cast-iron can reduce the unsprung mass of vehicles, meet the development trend of vehicle lightweight, and improve the wheel/rail relationship and running quality. This research examines the subway vehicles equipped with cast-iron brake discs and aluminum-matrix composite brake discs in the actual test of a subway line. It focuses on the thermal capacity performance of both cast-iron brake discs and aluminum-matrix composite brake discs under full-axle heavy load and pure air braking conditions for two consecutive straight emergency braking at the maximum operating speed. The thermal capacity performance is studied in main line round-trip operation of the actual subway station. The maximum service braking deceleration and braking distance under different load conditions, such as empty and full axle, heavy load and pure air, are studied, and the effect of aluminum-matrix composite brake disc on vehicle lightweight is analyzed. It shows that the aluminum-matrix composite brake disc has excellent heat capacity and braking performance while improving lightweight vehicle.

subway；vehicle；brake disc；aluminum matrix composite

U270.2

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2023.10.006

1006-0316 (2023) 10-0033-05

2023-02-20

赵锋（1989－），男，河北邢台人，硕士研究生，工程师，主要从事城市轨道交通车辆及转向架的研发设计工作，E-mail：zhaofeng@rtte.cn。