蔡仁華,陳 偉,李西秦

(1.浙江科技學(xué)院 機械與汽車工程學(xué)院,杭州 310023;2.浙江科特汽配有限公司, 杭州 311106)

動車組研磨子的研制

蔡仁華1,陳 偉2,李西秦1

(1.浙江科技學(xué)院 機械與汽車工程學(xué)院,杭州 310023;2.浙江科特汽配有限公司, 杭州 311106)

通過對日本進(jìn)口研磨子的材料、結(jié)構(gòu)和性能分析，結(jié)合“動車組轉(zhuǎn)向架研磨子技術(shù)要求”的規(guī)定，合理選用研磨子的掛鉤、背板材料，對其磨耗體的材料、生產(chǎn)工藝進(jìn)行了研究。結(jié)果證明，研制的研磨子通過動車組裝車試用能滿足使用要求，符合中國鐵路部門制定的相關(guān)規(guī)定。

動車組;研磨子;材料與工藝;研制

為了提高制動性能，時速200 km及以上的“和諧號”CRH2動車組裝有研磨子。研磨子是由于動車組速度的提高及大功率盤形制動的應(yīng)用，使得車輪與軌道之間有效利用黏著系數(shù)問題變得非常突出[1-2]。研磨子是動車車輛踏面清掃裝置的一個部件，固定在轉(zhuǎn)向架的制動夾鉗支持架上。在制動時，將研磨子壓在踏面上進(jìn)行清掃，保證了車輪踏面具有良好的表面狀態(tài)，在車輛行駛過程中能清除附著在車輪踏面上的塵埃、銹跡、油脂等[3]；同時，研磨子在雨、雪天氣等濕潤狀態(tài)下有增強輪軌之間黏著力的作用，通常，使用研磨子時的黏著力是未使用研磨子時的150%[4]，從而保證動車車輛在制動過程中避免空轉(zhuǎn)和打滑。

圖1 研磨子的結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of abrasive block

研磨子結(jié)構(gòu)如圖1所示，它由掛鉤、鋼背和磨耗體組成。研磨子的鋼背和掛鉤通過焊接組合在一起，主要作用是保證在使用時有足夠的強度；磨耗體是特種復(fù)合材料，通過模壓和鋼背結(jié)合在一起，是滿足研磨子特殊性能的關(guān)鍵。

1 研制原則

根據(jù)日本國有鐵路規(guī)定，登記號JRS12114 38 MR41“車輛上專用增粘壓研磨子”和中國制定的“動車組轉(zhuǎn)向架研磨子技術(shù)要求”的規(guī)定，結(jié)合動車組運行速度140～160 km/h、最高速度達(dá)到200 km/h的實際狀況,以及動車組采用的盤形制動形式和輪軌之間的黏著條件，初步確定研磨子的研制目標(biāo)。

研磨子分2部分進(jìn)行研發(fā)：研磨子鋼背和磨耗體。鋼背主要是合理選擇國內(nèi)類似的材料，保證強度要求；磨耗體是研究的重點，必須和日本產(chǎn)品有類似的摩擦、磨損性能，相近的材料成分，基本一致的強度、密度和硬度。

磨耗體的摩擦、磨損性能關(guān)系到研磨子實際功能，研磨子要求有適當(dāng)?shù)哪p率、合理的摩擦系數(shù)，同時，研磨子的材料既要有足夠的硬度，又不能損傷車輪踏面。這樣，研磨子和車輪在摩擦過程中產(chǎn)生的磨屑能夠黏著在車輪踏面的表面上，車輪轉(zhuǎn)動以后在車輪和軌道之間存在一定數(shù)量的磨屑顆粒，以增加車輪和鋼軌之間的黏著系數(shù)，從而有效保證在制動過程中輪軌之間有足夠的黏著系數(shù)，防止車輪擦傷，縮短制動距離，特別對于雨天和下雪結(jié)冰天氣提高輪軌黏著非常有利；同時，研磨子也能起到踏面清掃器的作用。此外，研磨子材質(zhì)上要求無石棉、無鉛，不損傷對偶，在摩擦過程中基本沒有火星。

2 研磨子的研制

2.1 鋼背和掛鉤材料的選擇

表1 鋼背和掛構(gòu)材料的各種元素含量 Table 1 Content of elements in steel plate and hook %

日本原樣的研磨子鋼背經(jīng)過浙江大學(xué)分析測試中心的測定，材料的各種元素含量見表1。根據(jù)表1數(shù)據(jù)，結(jié)合相關(guān)資料查尋，完全符合要求的鋼板需要進(jìn)口。通過鋼背和掛構(gòu)實際受力分析，鋼背承受的最大正壓力為490 N，因此選擇國內(nèi)某鋼鐵公司的冷軋鋼板也能達(dá)到設(shè)計要求。

2.2 磨耗體材料的結(jié)構(gòu)和成分分析

對日本研磨子磨耗體進(jìn)行電子顯微鏡組織觀察，材料表面主要分布著金屬纖維和金屬顆粒，如圖2所示。通過掃描電鏡對斷面進(jìn)行能譜分析，磨耗體材料的主要成分元素為Fe、Cu、Zn、Al、Ca、Si、O、C等，如圖3所示。

磨耗體材料通過電子顯微鏡觀察到的結(jié)構(gòu)及元素成分分析，可以推斷出這是以金屬或者金屬化合物為主體的、通過物理和化學(xué)方式組合構(gòu)成的合成材料。進(jìn)一步進(jìn)行理化性能和摩擦磨損試驗，磨耗體材料含有較多的鐵和鐵的化合物；特別是在按照GB 5763—2008《汽車用制動器襯片》的試驗方法檢測摩擦、磨損性能后，不難發(fā)現(xiàn)磨耗體材料摩擦系數(shù)較高、磨損率較大；由此可以理解，研磨子在正常使用時可以產(chǎn)生較大的材料磨損，即脫落在車輪和鋼軌之間，使得輪軌之間的黏著力增大，從而保證在制動時縮短制動距離、避免因打滑擦傷輪對踏面。同時，磨耗體材料的磨損又不能過大，以免影響研磨子的使用壽命。

圖2 磨耗體表面材料結(jié)構(gòu)Fig.2 Surface structure of wear material

圖3 磨耗體材料能譜圖Fig.3 Energy spectrum of wear material

2.3 磨耗體材料研究

結(jié)合“動車組轉(zhuǎn)向架研磨子技術(shù)要求”的規(guī)定，通過分析研磨子的功能，研磨子磨耗體材料的基本性能要求為：體積質(zhì)量(4.0±0.10)g/cm3；硬度(HRL)50～90；壓縮強度大于等于80 MPa,壓縮模量小于等于9 GPa；摩擦系數(shù)(100 ℃)大于等于0.5,磨損率(100 ℃)大于等于5.0×10-7cm3/N·m；彎曲強度大于等于20 MPa。

磨耗體材料采用四元復(fù)合結(jié)構(gòu)組成，即黏結(jié)劑、摩擦顆粒和增強材料、摩擦性能調(diào)節(jié)劑及填充料4部分組成。

2.3.1 黏結(jié)劑

黏結(jié)劑主要選用改性的樹脂與橡膠混合型黏結(jié)劑[5]。如果采用單一的樹脂、橡膠為黏結(jié)劑，就會出現(xiàn)磨耗體材料脆性較大、磨耗體材料耐溫性差的結(jié)果。在研磨子磨耗體中，樹脂、橡膠的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%左右，如果比例過高，磨耗體材料壓縮彈性模量高、產(chǎn)品硬度高、磨損率較小，使用時沒有足夠的磨耗體材料分布在輪軌之間，黏著作用就會降低；如果比例低，磨耗體材料的磨損率較大、強度低，不能滿足研磨子使用壽命要求。

2.3.2 摩擦顆粒和增強材料

摩擦顆粒是研磨子磨耗體材料產(chǎn)生黏著作用的關(guān)鍵材料，其質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為35%。摩擦顆粒主要選用硬度低于輪、軌的材料，如鐵、銅、鋁等金屬粉末和適量的金屬氧化物[5-6]，同時也需要添加一定數(shù)量的細(xì)度控制的硬質(zhì)顆粒，從而保證摩擦顆粒既不會損傷車輪與鋼軌，又能起到清潔輪軌接觸面、增加輪軌之間的黏著系數(shù)的作用。增強材料采用鋼纖維及其他耐高溫的有機礦物纖維材料，質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為15%。鋼纖維既是摩擦顆粒又是增強纖維材料，同時亦可以增加研磨子的導(dǎo)熱性，使得研磨子磨耗體材料溫度不至于上升過高；有機礦物纖維可保證在使用過程中研磨子溫度上升時摩擦系數(shù)的穩(wěn)定性及合適的磨損率[7]，同時保證研磨子材料的強度、硬度。

2.3.3 摩擦性能調(diào)節(jié)劑

摩擦性能調(diào)節(jié)劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%左右，主要采用石墨、硫化鐵等固體潤滑劑。目的是降低磨耗體與車輪的初始摩擦系數(shù)，保證摩擦系數(shù)穩(wěn)定，減少磨損率[7]；另外也可以減輕磨耗體材料對車輪踏面的磨損，使車輪踏面保持清潔，有利于增加車輪和軌道之間的黏著系數(shù)。

2.3.4 填充料

填充料主要采用硫酸鋇、碳酸鈣等物質(zhì)，以降低研磨子磨耗體材料的成本，提高磨耗體材料的強度，要求填充料性能穩(wěn)定、價格低廉；同時，采用氧化鐵、氫氧化鎂等具有阻燃作用的物質(zhì)以防止研磨子磨耗體材料和車輪摩擦過程中產(chǎn)生火星及煙霧。填充料質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過30%。

2.4 研磨子生產(chǎn)工藝研究

為保證研磨子磨耗體材料和鋼背能夠充分黏合成一體，采用在磨耗體材料均勻混合后，再與鋼背在模具內(nèi)熱壓成形的干法生產(chǎn)工藝，即經(jīng)過鋼背組裝、混合料的準(zhǔn)備、熱壓成形、熱處理等主要工序來完成。具體工藝路線如下：

其中，熱壓與熱處理是保證磨耗體材料各項性能及磨耗體材料與鋼背結(jié)合強度的關(guān)鍵工序，熱壓是將混合料及鋼背放入加熱到160 ℃左右的模具內(nèi)，施加25 MPa左右的單位壓力，并保持一定時間使其成形的過程。熱壓過程中，需要注意放氣的時間，防止產(chǎn)品因出現(xiàn)氣泡、開裂而報廢。熱處理是在烘箱內(nèi)用不同的梯度溫度，使已經(jīng)成形的產(chǎn)品進(jìn)一步固化，以及保證磨耗體材料的強度及磨耗體材料與鋼背產(chǎn)生較大的黏結(jié)強度的過程，通常需要10 h左右時間。噴塑的主要作用是為了防止研磨子的銹蝕。

3 試驗結(jié)果

由于研磨子的特殊要求，在進(jìn)行摩擦性能試驗時不能按照常規(guī)進(jìn)行考慮，按照GB 5763—2008《汽車用制動器襯片》的試驗方法進(jìn)行試驗，確定研磨子產(chǎn)品的摩擦性能要求。表2為研制的研磨子和日本進(jìn)口樣品的摩擦性能及理化性能數(shù)據(jù)對比。從數(shù)據(jù)可以看到，研制的研磨子與樣品材料的密度、洛氏硬度基本一致；摩擦、磨損性能接近，摩擦系數(shù)隨溫度變化的曲線形狀非常相似。從試驗過程和試驗結(jié)束觀察，磨耗體摩擦表面的狀態(tài)相似，有較多的摩擦粉末出現(xiàn)在摩擦表面。在200 ℃時測量摩擦、磨損性能，由于磨損到限，無法進(jìn)一步試驗。

表2 樣品與研制品的摩擦性能及理化性能數(shù)據(jù)對比Table 2 Comparison results of friction properties and physicochemical properties for abrasive block between the sample and the developed

表3為研制的研磨子和樣品的彎曲強度試驗數(shù)據(jù)對比，從試驗數(shù)據(jù)看，彎曲強度基本一致，研制品的彎曲強度稍高于樣品。

表3 樣品與研制品的彎曲強度試驗數(shù)據(jù)對比Table 3 Comparison results of bending strength for abrasive block between the sample and the developed

經(jīng)浙江方圓檢測集團股份有限公司檢測，研制的研磨子磨耗體材料的壓縮強度為92.3 MPa、壓縮模量2.52 GPa，滿足“動車組轉(zhuǎn)向架研磨子技術(shù)要求” 中壓縮強度大于等于80 MPa、壓縮模量小于等于9 GPa的要求。

上海鐵路局相關(guān)部門對研制的研磨子進(jìn)行裝車試驗，共裝車16片進(jìn)行實際運行考核?？己寺范螢樯虾Ｖ拎嵵?、南京、武漢；裝車試用3個小修(即2個多月)；試驗車輛每次入庫都由專職的工程技術(shù)人員和作業(yè)人員進(jìn)行全面、仔細(xì)的檢查。經(jīng)過裝車試用跟蹤檢查，研制的研磨子在使用過程中沒有發(fā)現(xiàn)異常情況。通過裝車試驗可以得到如下結(jié)果：研磨子掛鉤安裝尺寸符合與T015型踏面清掃裝置缸體的接口尺寸，安裝正常；在試驗過程中，鋼背與安裝掛鉤固定可靠，沒有出現(xiàn)脫焊、安裝鉤變形和裂紋等強度與剛度問題；磨耗體材料與鋼背結(jié)合牢固，磨耗體材料沒有出現(xiàn)破裂、碎裂、掉塊、急劇磨耗等現(xiàn)象；使用筆者研制的研磨子的車輪踏面沒有出現(xiàn)擦傷、急劇磨耗、剝離等損傷，輪緣磨耗正常；研制的研磨子磨耗量為2～3 mm/萬km，使用壽命超過10萬km，預(yù)計可達(dá)到15萬km。因此符合中國鐵路部門制定的“動車組轉(zhuǎn)向架研磨子技術(shù)要求”的規(guī)定。

4 結(jié) 語

通過對研磨子磨耗體材料組成的配方篩選、生產(chǎn)工藝研究、性能試驗，研制出來的研磨子具有與日本研磨子相似的材料結(jié)構(gòu)、性能特點，研制的研磨子其體積質(zhì)量、硬度、彎曲強度、最大應(yīng)變、壓縮強度、壓縮模量、摩擦系數(shù)、磨損率等符合開發(fā)要求，裝車進(jìn)行道路試驗考核表明，能滿足裝車運行要求。

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DevelopmentofabrasiveblockonEMU

CAI Renhua1, CHEN Wei2, LI Xiqing1

(1. School of Mechanical and Automotive Engineering, Zhejiang University of Science and Technology，Hangzhou, 310023, China; 2. Zhejiang Kete Auto Parts Co., Ltd., Hangzhou 311106,China)

We studied and analyzed the material, structure and properties of the abrasive block imported from Japanese. Combining with the requirements of “Technical requirements of the abrasive block in the bogie of EMU”, and selecting hook and plate, we studied the wear plate on material and process. The abrasive block developed was used in the EMU, and the experimental results show that it can meet the EMU using.

EMU; abrasive block; material and technology;research and develpment

U260.35;U266.2

A

1671-8798(2013)06-0458-05

10.3969/j.issn.1671-8798.2013.06.010

2013-10-02

蔡仁華(1964— )，男，浙江省諸暨人，副教授，碩士，主要從事汽車與鐵道車輛的制動摩擦材料研究。