■ 吳射章　陳鑫　潘尹　錢坤才　萬偉偉

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不同工況對(duì)制動(dòng)閘片摩擦性能的影響

■ 吳射章陳鑫潘尹錢坤才萬偉偉

摘 要：針對(duì)高速列車制動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)行條件，采用1︰1制動(dòng)動(dòng)力試驗(yàn)臺(tái)模擬低溫造雪環(huán)境，進(jìn)行不同制動(dòng)壓力和不同制動(dòng)初速度下有無殘砂或制動(dòng)盤有碎屑的緊急制動(dòng)試驗(yàn)，以及低溫造雪環(huán)境下初速度250 km/h不同制動(dòng)低壓力的持續(xù)制動(dòng)試驗(yàn)。測(cè)試閘片的平均摩擦系數(shù)和制動(dòng)過程中盤面的最高溫度，并觀察制動(dòng)盤和閘片的表面狀態(tài)。結(jié)果表明，緊急制動(dòng)不同工況下，閘片的平均摩擦系數(shù)隨著制動(dòng)壓力和制動(dòng)初速度的升高呈曲折升高趨勢(shì)，盤面最高溫度也不斷升高并在初速度160 km/h時(shí)趨于一致；無殘砂工況下，連續(xù)致密的摩擦膜在制動(dòng)初速度80 km/h時(shí)形成，有殘砂或制動(dòng)盤有碎屑工況下在制動(dòng)初速度120 km/h時(shí)形成。低壓持續(xù)制動(dòng)時(shí)，閘片平均摩擦系數(shù)和制動(dòng)盤表面溫度受接觸面帶冰膜的摩擦膜影響。

關(guān)鍵詞：高速列車；制動(dòng)閘片；不同工況；摩擦性能；摩擦系數(shù)

0　引言

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，我國(guó)高速列車的速度在不斷創(chuàng)造新的紀(jì)錄。2007年投入運(yùn)營(yíng)的“和諧號(hào)”高速列車最高速度250 km/h，實(shí)際運(yùn)行速度200 km/h，現(xiàn)在運(yùn)行速度350 km/h，實(shí)現(xiàn)了“十一五”期間高速列車客運(yùn)目標(biāo)。列車速度的提高，制動(dòng)系統(tǒng)需承受更大的負(fù)荷，對(duì)制動(dòng)技術(shù)提出更高要求。當(dāng)速度為300 km/h的高速列車在實(shí)施緊急制動(dòng)時(shí)，摩擦速度相當(dāng)于45 m/s，摩擦系數(shù)大于0.35，制動(dòng)盤面最高溫度超過800 ℃[1]。此外，2014年我國(guó)新增蘭州西—烏魯木齊的“蘭新鐵路第二雙線”，其運(yùn)營(yíng)速度為200～250 km/h，運(yùn)行中的制動(dòng)系統(tǒng)受到風(fēng)霜雨雪等惡劣天氣影響。

在實(shí)際運(yùn)行過程中，因閘片與制動(dòng)盤不均勻摩擦，以及外界環(huán)境的多變，造成局部接觸壓力和溫度高于標(biāo)準(zhǔn)值。在惡劣條件下，閘片的摩擦性能是決定產(chǎn)品性能的關(guān)鍵。因此，研究不同工況下制動(dòng)閘片摩擦性能具有重大意義。

針對(duì)高速列車制動(dòng)系統(tǒng)苛刻的使用條件，利用1∶1制動(dòng)動(dòng)力試驗(yàn)臺(tái)模擬-15 ℃造雪環(huán)境，研究殘砂、制動(dòng)盤碎屑對(duì)制動(dòng)閘片摩擦性能的影響。

1　試驗(yàn)材料及方法

試驗(yàn)設(shè)備：采用1︰1制動(dòng)動(dòng)力試驗(yàn)臺(tái)。

環(huán)境條件：氣候環(huán)境選取-15 ℃低溫造雪環(huán)境模擬。

試驗(yàn)介質(zhì)：殘砂（石英砂）和碎屑（淬火制動(dòng)盤碎屑）在試驗(yàn)過程中填充在閘片塊體的孔洞和間隙位置（見圖1）。

圖1　殘砂、淬火制動(dòng)盤碎屑在閘片上的位置

試驗(yàn)參數(shù)：（1）試驗(yàn)速度。進(jìn)行不同速度級(jí)別的1︰1制動(dòng)動(dòng)力試驗(yàn)。 緊急制動(dòng)：50 km/h、80 km/h、120 km/h和160 km/h；持續(xù)制動(dòng)：250 km/h。（2）單側(cè)閘片壓力。緊急制動(dòng)：18 kN和25 kN；持續(xù)制動(dòng)：5 kN、6 kN、7 kN、8 kN、8.5 kN。（3）制動(dòng)盤材料。鑄鋼合金制動(dòng)盤。在1︰1制動(dòng)動(dòng)力試驗(yàn)過程中，按低溫造雪有殘砂、低溫造雪無殘砂、低溫造雪制動(dòng)盤有碎屑緊急制動(dòng)及低溫造雪持續(xù)制動(dòng)順序，得到不同工況下閘片的平均摩擦系數(shù)，同時(shí)利用PYROSOFT型紅外熱像儀測(cè)定制動(dòng)盤面最高溫度，采用高清數(shù)碼照相機(jī)記錄制動(dòng)盤表面狀態(tài)，研究其對(duì)閘片摩擦性能的影響。

2　結(jié)果與分析

2.1不同工況下制動(dòng)閘片的摩擦系數(shù)

制動(dòng)壓力為18 kN時(shí)的1︰1制動(dòng)動(dòng)力試驗(yàn)粉末冶金閘片平均摩擦系數(shù)變化曲線對(duì)比見圖2。從圖2可以看出，在不同環(huán)境下，制動(dòng)初速度為50～80 km/h時(shí)，閘片的摩擦系數(shù)顯示不穩(wěn)定，低溫造雪時(shí)，閘片的平均摩擦系數(shù)隨著速度提高而降低；低溫造雪有殘砂或制動(dòng)盤有碎屑時(shí)，閘片的平均摩擦系數(shù)隨著速度提高而升高。低溫造雪時(shí)，隨著速度提高，摩擦面溫度升高，摩擦面的冰膜逐漸轉(zhuǎn)化為水膜，摩擦系數(shù)降低；而低溫造雪有殘砂或制動(dòng)盤有碎屑時(shí)，隨著速度提高，摩擦面溫度升高，摩擦面的冰膜逐漸轉(zhuǎn)化為水膜，殘砂或碎屑硬質(zhì)點(diǎn)接觸面積增加，摩擦系數(shù)增加。低溫造雪有殘砂環(huán)境條件下，速度80～120 km/h時(shí)，閘片摩擦面水膜逐漸消失，摩擦系數(shù)趨于穩(wěn)定，速度進(jìn)一步提高，摩擦面溫度接近摩擦體的軟化溫度，摩擦面積增大，摩擦系數(shù)增加；低溫造雪環(huán)境條件下，速度80～160 km/h時(shí)，閘片摩擦面水膜逐漸消失，摩擦面積增大，摩擦系數(shù)逐漸增大；而低溫造雪制動(dòng)盤有碎屑環(huán)境條件下，速度80～120 km/h時(shí)，隨著閘片摩擦面溫度提高，碎屑硬質(zhì)點(diǎn)逐漸軟化，摩擦系數(shù)降低，速度進(jìn)一步提高，摩擦面溫度接近摩擦體的軟化溫度，摩擦面積增大，摩擦系數(shù)增加，至160 km/h時(shí)的摩擦系數(shù)最高，為0.319；低溫造雪、有殘砂的工況下，閘片的平均摩擦系數(shù)普遍較高，為0.235～0.320；低溫造雪制動(dòng)盤有碎屑的工況下，閘片的平均摩擦系數(shù)低于低溫造雪工況，制動(dòng)初速度50 km/h時(shí)最小，為0.116。這是由于高速列車制動(dòng)時(shí)閘片易在制動(dòng)盤表面形成摩擦膜（或稱“第三體”）[2-3]。低速制動(dòng)時(shí)，“第三體”以顆粒狀為主[4]，材料表面粗糙，閘片中硬質(zhì)顆粒和殘砂（石英砂是硬質(zhì)顆粒）使克服摩擦表面嚙合作用所需的力矩增大。因此，低溫造雪制動(dòng)盤有殘砂工況的平均摩擦系數(shù)最高。制動(dòng)壓力18 kN對(duì)低溫造雪環(huán)境下加制動(dòng)盤碎屑的作用不明顯，制動(dòng)盤碎屑可能帶走其表面部分顆粒狀“第三體”，因此平均摩擦系數(shù)反而低。

圖2　粉末冶金閘片平均摩擦系數(shù)變化曲線對(duì)比（制動(dòng)壓力18 kN）

圖3　粉末冶金閘片平均摩擦系數(shù)變化曲線對(duì)比（制動(dòng)壓力25 kN）

制動(dòng)壓力為25 kN時(shí)的1︰1制動(dòng)動(dòng)力試驗(yàn)粉末冶金閘片平均摩擦系數(shù)變化曲線對(duì)比見圖3。從圖3可以看出，制動(dòng)壓力增加，使閘片整體平均摩擦系數(shù)提高；隨著制動(dòng)初速度提高到160 km/h，不同工況下的閘片平均摩擦系數(shù)趨于一致，最大為0.328，表明制動(dòng)壓力的增加導(dǎo)致整體平均摩擦系數(shù)提高；盡管制動(dòng)環(huán)境不同，但當(dāng)制動(dòng)初速度為160 km/h時(shí)，制動(dòng)盤與閘片的接觸面趨于一致。圖3中低溫造雪工況的平均摩擦系數(shù)先降后升，在初速度80 km/h時(shí)最小，這與圖2一致，不同的是低溫造雪有殘砂工況下的平均摩擦系數(shù)雖然也是先降后升，但在120 km/h時(shí)最小；在低溫造雪有殘砂工況下，隨著速度提高，摩擦面溫度升高，摩擦面殘砂硬質(zhì)點(diǎn)周圍的冰膜逐漸減少，滑動(dòng)阻力變小，摩擦系數(shù)下降；速度進(jìn)一步提高，摩擦面冰膜消失，溫度接近摩擦體的軟化溫度，摩擦面積增大，摩擦系數(shù)增加，至160 km/h時(shí)摩擦系數(shù)最高。同一制動(dòng)初速度下，低溫造雪制動(dòng)盤有碎屑工況下的制動(dòng)閘片平均摩擦系數(shù)高于低溫造雪工況，且隨著初速度的增加都有增加。由此表明，制動(dòng)壓力的提高對(duì)閘片制動(dòng)整體平均摩擦系數(shù)影響較大。在低轉(zhuǎn)速情況下，制動(dòng)盤表面的“第三體”完全呈顆粒狀[5]，摩擦面的冰雪隨著制動(dòng)過程脫離或化成水脫離，低溫造雪環(huán)境下的摩擦面“第三體”在80 km/h，要比50 km/h時(shí)平整得多，因此摩擦系數(shù)有所降低；隨著速度的提升，摩擦面的“第三體”逐漸致密化，在摩擦面形成連續(xù)摩擦膜，使不同工況下的制動(dòng)盤與閘片的接觸逐漸趨于一致，由于其良好的摩擦磨損性能，摩擦系數(shù)顯著上升；當(dāng)制動(dòng)初速度為160 km/h時(shí)，不同工況下的平均摩擦系數(shù)趨于一致。殘砂和碎屑的加入不同于低溫造雪，除了冰雪還有殘砂或碎屑對(duì)摩擦系數(shù)產(chǎn)生影響；120 km/h有殘砂時(shí)，制動(dòng)盤表面最平整，摩擦系數(shù)最低；有碎屑時(shí)，摩擦系數(shù)隨著速度的增加而上升，但在120 km/h時(shí)，摩擦系數(shù)增加最緩。因此，制動(dòng)壓力25 kN對(duì)低溫造雪和有碎屑工況下的作用較之前明顯，可能是制動(dòng)壓力的提高增加了碎屑和制動(dòng)盤與閘片的接觸面積，提高了平均摩擦系數(shù)。

2.2不同工況下制動(dòng)盤面最高溫度

制動(dòng)壓力18 kN、25 kN在不同初速度緊急制動(dòng)時(shí)制動(dòng)盤面最高溫度對(duì)比見圖4和圖5。可見，不同制動(dòng)壓力下，隨著制動(dòng)初速度的增加制動(dòng)盤面最高溫度都有上升，圖4中在同一初速度120 km/h時(shí)，制動(dòng)盤表面最高溫度由高到低，是低溫造雪有殘砂、低溫造雪、低溫造雪制動(dòng)盤有碎屑的工況；當(dāng)初速度為160 km/h時(shí)，向著趨于一致的方向發(fā)展，最高溫度164 ℃。圖5中在同一初速度時(shí)，制動(dòng)盤表面最高溫度由高到低，是低溫造雪、低溫造雪有殘砂、低溫造雪制動(dòng)盤有碎屑的工況，三者的曲線相似，且前二者溫度曲線接近，初速度160 km/h時(shí)，盤面最高溫度幾乎一致為195 ℃。制動(dòng)盤面溫度的形成是制動(dòng)摩擦過程中由動(dòng)能轉(zhuǎn)化而來（除去表面冰雪被磨融化時(shí)吸走熱量）。制動(dòng)壓力的提高使不同工況的制動(dòng)盤表面溫度差距減小，且在制動(dòng)初速度160 km/h時(shí)，溫度趨于一致，表明不同工況下的閘片與制動(dòng)盤的接觸較近。

圖4　制動(dòng)壓力18 kN在不同制動(dòng)初速度緊急制動(dòng)時(shí)制動(dòng)盤面最高溫度對(duì)比

圖5　制動(dòng)壓力25 kN在不同制動(dòng)初速度緊急制動(dòng)時(shí)制動(dòng)盤面最高溫度對(duì)比

圖6　平均摩擦系數(shù)和制動(dòng)盤面最高溫度

2.3250 km/h持續(xù)制動(dòng)時(shí)的摩擦系數(shù)和盤面溫度

在低溫造雪環(huán)境和不同制動(dòng)壓力下，進(jìn)行制動(dòng)初速度為250 km/h的持續(xù)制動(dòng)，測(cè)得平均摩擦系數(shù)和盤面最高溫度見圖6。表明制動(dòng)盤面最高溫度在制動(dòng)壓力6 kN時(shí)為158 ℃；在制動(dòng)壓力為5.0～8.5 kN時(shí)，閘片的平均摩擦系數(shù)先升后降再上升，為0.235～0.355；閘片壓力為7 kN時(shí)，平均摩擦系數(shù)最小，為0.235；閘片壓力8.5 kN時(shí)，平均摩擦系數(shù)最大，為0.355。在制動(dòng)壓力為5～6 kN時(shí)，摩擦面上存在冰膜，隨著壓力的增加，接觸面積增加，摩擦系數(shù)增加；在制動(dòng)壓力為6～7 kN時(shí)，隨著壓力的增加，摩擦面的溫度升高，其面上的冰膜逐漸轉(zhuǎn)化為水膜，摩擦系數(shù)下降；壓力進(jìn)一步提高，摩擦面溫度不斷增加，摩擦面水膜消失并軟化，接觸面積增加，摩擦系數(shù)逐漸增加。

μ =β+αAr/ P是分子機(jī)械理論。Ar為真實(shí)接觸面積；P為壓力；β為機(jī)械嚙合程度；α為材料的分子引力；β與α分別是由摩擦表面的物理和力學(xué)性能所決定的系數(shù)。

根據(jù)分子機(jī)械理論推測(cè)，在制動(dòng)壓力6～7 kN的變化區(qū)間，制動(dòng)壓力增加，但真實(shí)接觸面積變化不大。因此，摩擦系數(shù)因壓力增大而減小。而8.5 kN制動(dòng)壓力下的平均摩擦系數(shù)最高，是因制動(dòng)壓力的增加，接觸面積增大使微凸體間的嚙合作用增加，摩擦系數(shù)提高。

2.4制動(dòng)盤與閘片表面狀態(tài)

不同工況下停車制動(dòng)試驗(yàn)前后對(duì)制動(dòng)盤和閘片表面狀態(tài)的檢查結(jié)果見表1。結(jié)果表明，只在低溫造雪有殘砂環(huán)境停車制動(dòng)試驗(yàn)后，制動(dòng)盤表面存在劃傷，之后未出現(xiàn)新的異常磨耗，這是由于殘砂是SiO2，屬硬質(zhì)相，易造成制動(dòng)盤表面劃傷。

表1　停車制動(dòng)試驗(yàn)前后對(duì)制動(dòng)盤與閘片表面狀態(tài)的檢查結(jié)果

圖7　制動(dòng)后制動(dòng)盤表面形貌

當(dāng)初速度為250 km/h時(shí)在不同制動(dòng)壓力制動(dòng)后制動(dòng)盤表面形貌見圖7。盡管制動(dòng)過程中，制動(dòng)盤表面最高溫度達(dá)135 ℃，但在低制動(dòng)壓力情況下每次完成制動(dòng)，制動(dòng)盤摩擦表面形成一層顆粒狀冰膜，改變了“第三體”的構(gòu)成。這是由于盤體溫度在冰點(diǎn)以上，環(huán)境溫度為-15 ℃，當(dāng)制動(dòng)盤溫度高時(shí)遇到周圍低溫空氣，在摩擦面形成水滴而急速形成冰顆粒，由于制動(dòng)壓力低，閘片與制動(dòng)盤摩擦面接觸不充分。盤體摩擦面按內(nèi)徑向外徑方向冰顆粒由大變小，是因?yàn)橹苿?dòng)盤轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)外徑速度比內(nèi)徑快，水滴易散開且甩出；內(nèi)徑處的冰顆粒大，最先接觸閘片，并有不同程度的磨耗，且冰顆粒被磨成冰面。表明在不同制動(dòng)低壓下，閘片與制動(dòng)盤的接觸面積不同。圖7（a）為制動(dòng)壓力5 kN，圖7（b）為6 kN，制動(dòng)盤摩擦表面多為冰顆粒；圖7（c）和圖7（d）為制動(dòng)壓力增大，制動(dòng)盤表面內(nèi)徑處的接觸面明顯增大。圖7（d）為制動(dòng)壓力8 kN，內(nèi)徑接觸面已成連續(xù)環(huán)狀，盤面溫度高，冰有時(shí)間化成冰砂，在制動(dòng)壓力下形成致密連續(xù)的冰膜。圖7（c）為制動(dòng)壓力7 kN，制動(dòng)盤接觸面積較大，但不及圖7（e），與上述接觸面積越大摩擦系數(shù)越小的結(jié)論不符。表明低溫造雪環(huán)境下，高速制動(dòng)下的制動(dòng)盤摩擦接觸面并不是決定摩擦系數(shù)大小的唯一因素，還與制動(dòng)壓力和盤面最高溫度有關(guān)。

3　結(jié)論

4　參考文獻(xiàn)

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通過對(duì)低溫造雪環(huán)境有無殘砂及淬火制動(dòng)盤有碎屑的工況進(jìn)行1︰1制動(dòng)動(dòng)力試驗(yàn)，測(cè)試粉末冶金制動(dòng)閘片的平均摩擦系數(shù)及盤面最高溫度，記錄、觀察制動(dòng)盤及閘片表面狀態(tài)，研究不同工況對(duì)閘片摩擦性能的影響。

（1）-15 ℃的低溫造雪環(huán)境下不同工況緊急制動(dòng)時(shí)，閘片的平均摩擦系數(shù)隨制動(dòng)壓力的升高而整體提高，低溫造雪工況下閘片的平均摩擦系數(shù)變化規(guī)律前后一致，但有殘砂時(shí)，平均摩擦系數(shù)在制動(dòng)初速度80 km/h時(shí)下降，制動(dòng)盤有碎屑時(shí)在120 km/h時(shí)下降。殘砂或制動(dòng)盤有碎屑存在時(shí)，改變了“第三體”形成過程，延長(zhǎng)顆粒狀階段，致密連續(xù)“第三體”的形成需要更高的速度。

（2）-15 ℃的低溫造雪環(huán)境下不同工況緊急制動(dòng)，盤表面最高溫度隨制動(dòng)壓力和制動(dòng)初速度的提高而升高，當(dāng)制動(dòng)初速度為160 km/h時(shí)，盤面最高溫度趨于一致。制動(dòng)壓力為18 kN、25 kN時(shí)，制動(dòng)盤表面最高溫度分別為164 ℃和195 ℃，其工況分別為低溫造雪有殘砂和低溫造雪無殘砂。表明殘砂和碎屑對(duì)低速下制動(dòng)盤表面最高溫度影響較小。

（3）-15 ℃的低溫造雪環(huán)境下，250 km/h的初速度在制動(dòng)低壓工況的持續(xù)制動(dòng)時(shí)，只有殘砂對(duì)制動(dòng)盤表面有異常劃傷；低壓制動(dòng)時(shí)制動(dòng)盤的摩擦面有一層呈顆粒狀冰膜，冰顆粒由內(nèi)向外減?。划?dāng)制動(dòng)壓力大于7 kN時(shí)，冰膜內(nèi)徑出現(xiàn)的接觸面或接觸環(huán)改變了“第三體”的構(gòu)造，同時(shí)隨著制動(dòng)壓力的增大，閘片平均摩擦系數(shù)波動(dòng)較大，盤面最高溫度與其不成規(guī)律。表明在低溫造雪環(huán)境、低壓制動(dòng)、殘砂與制動(dòng)盤有碎屑時(shí)，閘片摩擦性能受接觸面帶冰膜“第三體”影響，應(yīng)進(jìn)一步研究。

吳射章：中車戚墅堰機(jī)車車輛工藝研究所有限公司， 工程師 ，江蘇 常州，213011

陳 鑫：中車戚墅堰機(jī)車車輛工藝研究所有限公司，助理工程師，江蘇 常州，213011

潘 尹：中車戚墅堰機(jī)車車輛工藝研究所有限公司，助理工程師，江蘇 常州，213011

錢坤才：中車戚墅堰機(jī)車車輛工藝研究所有限公司，教授級(jí)高級(jí)工程師，江蘇 常州，213011

萬偉偉：中車戚墅堰機(jī)車車輛工藝研究所有限公司，技師，江蘇 常州，213011

責(zé)任編輯 苑曉蒙

中圖分類號(hào)：U260.35

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1672-061X（2016）02-0020-05