孫新海， 陳德峰， 曹建行， 宋躍超， 郭彥峰

(1 中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 機(jī)車車輛研究所， 北京 100081；2 北京縱橫機(jī)電科技有限公司， 北京 100094)

CR200J動力集中電動車組拖車(包括控制車)基于25T型客車平臺研制而成，其制動方式是傳統(tǒng)的純空氣制動方式，與以電制動為主、空氣制動為輔的動力分散型電動車組相比，巨大的制動能量幾乎由制動盤完全承擔(dān)，對制動盤的性能要求更為苛刻。為進(jìn)一步提升電動車組的運(yùn)行品質(zhì)和使用安全性、并延長制動盤的服役壽命，減少運(yùn)用維護(hù)工作量，拖車(包括控制車)用制動盤在現(xiàn)有鑄鐵制動盤成熟結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上開展了鑄鋼化升級研究。

1 盤體材料

近年來，在制動盤盤體材料方面進(jìn)行了大量基礎(chǔ)性試驗研究，其中在鑄鋼盤體材料方面的研究成果，為制動盤的技術(shù)升級奠定了基礎(chǔ)。

1.1 化學(xué)成分

盤體材料為低碳鎳鉻鉬合金鑄鋼，其中合金成分的主要作用：

(1)鎳(Ni)：提高材料的常溫強(qiáng)度和高溫強(qiáng)度，保持良好的塑性和韌性，提高材料的耐熱能力和耐腐蝕能力；

(2)鉻(Cr)：提高材料常溫強(qiáng)度和高溫強(qiáng)度，提高材料持久強(qiáng)度和抗蠕變能力(長期在高溫下受到應(yīng)力，發(fā)生變形，稱蠕變)，保證材料的硬度和耐磨性能，提高材料的抗氧化性能及耐腐蝕能力；

(3)鉬(Mo)：細(xì)化材料晶粒，提高材料的淬透性和高溫強(qiáng)度，提高材料持久強(qiáng)度和抗蠕變能力，并抑制材料回火脆性。

1.2 金相組織

按照特定的成分比例熔爐澆鑄成形，經(jīng)正火和調(diào)質(zhì)處理，可得索氏體基體組織，索氏體基體組織不僅具有較高的強(qiáng)度，而且具有良好的韌性，其晶粒細(xì)小、均勻、結(jié)構(gòu)致密，很適合于惡劣工況下的摩擦制動使用要求，金相組織參見圖1所示。

圖1 鑄鋼盤體試樣的金相組織500×

1.3 力學(xué)性能

對試樣進(jìn)行高、低溫力學(xué)性能試驗，試驗結(jié)果參見圖2～圖4所示。

圖2 材料強(qiáng)度-溫度試驗

圖2表明：材料在低溫、室溫及600℃高溫時的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度良好，可以滿足制動盤正常使用要求。

圖3 材料沖擊功-溫度試驗

圖3表明：材料在-50 ℃～-20 ℃低溫沖擊功與室溫20 ℃沖擊功無明顯變化，可以滿足制動盤在低溫環(huán)境下運(yùn)用。

圖4 材料延伸率-溫度試驗

圖4表明：材料在低溫、室溫及600 ℃高溫時有穩(wěn)定的延伸率，同樣證明材料在低溫、室溫及600 ℃高溫時其抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度良好，并具有一定的韌性。

1.4 硬度

選取5個樣件進(jìn)行硬度測試，測試結(jié)果參見圖5所示。5個樣件的測試硬度最低為36 HRC，能夠保證制動盤材料具有良好的耐磨損特性。

圖5 樣件硬度測試

1.5 熱學(xué)性能

材料的平均線膨脹系數(shù)及導(dǎo)熱率分別參見圖6和圖7所示。

圖6和圖7表明：材料的平均線膨脹系數(shù)及導(dǎo)熱率隨溫度變化而變化，但變化趨勢比較平緩。這種材料的熱物理性能特點(diǎn)能保證制動盤溫度升高或降低時引起的應(yīng)力變化梯度較小，可以延緩制動盤熱裂紋的萌生和擴(kuò)展，提高制動盤使用壽命。

圖6 材料平均線膨脹系數(shù)-溫度試驗

圖7 材料熱導(dǎo)率-溫度試驗

1.6 疲勞特性S-N曲線

材料的S-N曲線測定結(jié)果參見圖8所示。S-N曲線表明材料的疲勞極限為278 MPa，而當(dāng)應(yīng)力達(dá)到500 MPa時，其循環(huán)次數(shù)可達(dá)1×105，能夠保證制動盤在正常工況下的制動需要。

圖8 材料的S-N曲線

綜合以上研究分析，低碳鎳鉻鉬合金鋼在低溫、常溫和600 ℃高溫時，具有較高且穩(wěn)定的力學(xué)性能和硬度指標(biāo)，具有較大且穩(wěn)定的導(dǎo)熱率，較小且穩(wěn)定的線膨脹系數(shù)，熱學(xué)性能較佳，其疲勞特性S-N曲線良好，材料的綜合性能優(yōu)異，是一種很適合用于制作盤體的材料。

2 制動盤結(jié)構(gòu)

制動盤結(jié)構(gòu)基于長期服役25T型客車成熟鑄鐵制動盤結(jié)構(gòu)，經(jīng)進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計而成，結(jié)構(gòu)簡單可靠，主要由盤體、盤轂、定位銷、壓環(huán)和緊固連接件等組成，盤體、盤轂通過壓環(huán)和緊固件連接在一體，參見圖9所示。盤體采用橢圓柱狀散熱筋，在保持良好的通風(fēng)散熱條件下，可有效降低列車運(yùn)行時因制動盤風(fēng)阻引起的牽引功率損耗。

圖9 制動盤主要構(gòu)成

3 仿真計算

為考查鑄鋼制動盤與粉末冶金閘片組成的摩擦副在速度160 km/h速度等級車輛上的制動適應(yīng)性，驗證極端工況下的安全性，進(jìn)行了連續(xù)2次緊急制動時盤體瞬時溫度場和應(yīng)力場仿真計算分析。

3.1 計算參數(shù)

盤體瞬時溫度場和應(yīng)力場仿真計算基本參數(shù)見表1。

3.2 計算結(jié)果

盤體熱負(fù)荷仿真計算得到的盤體最高溫度、最大應(yīng)力和最大位移值見表2。

表1 溫度場和應(yīng)力場仿真計算基本參數(shù)

表2 制動初速度160 km/h盤體熱負(fù)荷仿真計算結(jié)果

平直道上160 km/h制動初速度連續(xù)2次緊急制動時，盤體溫度場云圖參見圖10所示，摩擦副溫度隨時間的變化曲線參見圖11所示，盤體熱應(yīng)力隨時間的變化曲線參見圖12所示，盤體最大位移隨時間的變化曲線參見圖13所示。

圖10 制動盤溫度場云圖

圖11 摩擦副溫度變化曲線

圖12 盤體應(yīng)力變化曲線

圖13 盤體最大位移變化曲線

仿真計算結(jié)果表明：在制動初速度160km/h連續(xù)2次緊急制動工況下，摩擦副最高溫度357 ℃，低于鑄鋼制動盤和粉末冶金閘片550 ℃穩(wěn)定性能溫度限值；盤體最大熱應(yīng)力為388 MPa，未超過材料在550 ℃高溫時的屈服強(qiáng)度(750 MPa以上)，且有足夠的強(qiáng)度余量；盤體最大位移僅0.123 mm，說明盤體在制動過程中的熱變形很微小。

4 1∶1制動動力試驗臺性能試驗

新研制的鑄鋼制動盤匹配粉末冶金閘片在高速鐵路系統(tǒng)試驗國家工程實(shí)驗室1:1制動動力試驗臺上進(jìn)行了制動性能試驗，主要試驗項目包括：

(1)干燥條件、盤載荷9 t(重車)工況下，不同閘片壓力、不同制動速度等級(最高180 km/h)一次停車試驗；

(2)干燥條件、盤載荷9 t(重車)工況下，160 km/h制動初速度連續(xù)2次緊急制動停車試驗；

(3)干燥條件、盤載荷6.5 t(空車)工況下，不同閘片壓力、不同制動速度等級(最高180 km/h)一次停車試驗；

(4)潮濕條件、盤載荷9 t(重車)工況下，不同閘片壓力、不同制動速度等級(最高180 km/h)一次停車試驗；

(5)干燥條件、盤載荷9 t(重車)工況下，高負(fù)荷(75 kW)坡道制動試驗(坡度20‰、160 km/h速度持續(xù)40 km距離)；

(6)高溫(高負(fù)荷坡道試驗后)、低溫(室溫)條件下，靜摩擦系數(shù)測試；

(7)模擬運(yùn)營試驗：干燥條件、盤載荷9 t(重車)工況下，進(jìn)行20次160 km/h制動初速度緊急停車試驗。

干燥條件、盤載荷9 t(重車)工況下的部分試驗曲線參見圖14～圖17所示。

圖14 一次停車(緊急)瞬時摩擦系數(shù)曲線

圖15 160 km/h速度連續(xù)2次緊急制動瞬時摩擦系數(shù)曲線

圖16 模擬運(yùn)營試驗瞬時摩擦系數(shù)曲線

圖17 高負(fù)荷坡道動制動瞬時摩擦系數(shù)-溫度曲線

由圖14～圖16中可以看出，摩擦副在不同速度級緊急制動停車試驗和連續(xù)緊急制動停車試驗中瞬時摩擦系數(shù)的一致性非常好，摩擦系數(shù)穩(wěn)定且重復(fù)性良好，能夠保證在規(guī)定的制動距離內(nèi)停車，不僅可以滿足電動車組正常運(yùn)用中的制動要求，而且也能保證電動車組在不利工況下的連續(xù)緊急制動需求。

連續(xù)2次160 km/h制動初速度緊急制動停車和試驗數(shù)據(jù)參見表3，其中1次緊急制動停車試驗和2次緊急制動停車試驗中盤體實(shí)測最高溫度值分別為257 ℃和375 ℃，與仿真計算結(jié)果得到的269 ℃和357 ℃基本吻合，也就是說盤體仿真計算過程中采用的計算方法科學(xué)、建立的仿真計算數(shù)學(xué)模型真實(shí)有效。

由圖17中可以看出，摩擦副在高負(fù)荷(75 kW)坡道制動試驗過程中的表現(xiàn)也很優(yōu)秀，盡管摩擦系數(shù)隨著盤體溫度升高而降低，但變化趨勢總體比較平緩，摩擦系數(shù)在整個坡道試驗中衰減量處于可接受范圍，可以滿足電動車組在長大坡道地區(qū)的正常使用需求。高負(fù)荷(75 kW)坡道制動試驗試驗數(shù)據(jù)參見表4。

表3 1∶1制動動力試驗數(shù)據(jù)(160 km/h連續(xù)緊急制動)

表4 1∶1制動動力試驗數(shù)據(jù)(高負(fù)荷坡道制動)

5 1∶1制動動力試驗臺疲勞試驗

為考核制動盤長期服役的安全可靠性，在1∶1制動動力試驗臺上進(jìn)行了共計1 000次以上制動疲勞試驗。疲勞試驗均在干燥條件、盤載荷9 t工況下進(jìn)行，主要以高制動初速度(140 km/h、160 km/h和180 km/h)緊急制動停車試驗和連續(xù)緊急制動停車試驗為主。被試制動盤在疲勞試驗進(jìn)行前和疲勞試驗完成后的狀態(tài)參見圖18和圖19所示。

圖18 疲勞試驗前狀態(tài)

圖19 疲勞試驗后狀態(tài)

制動疲勞試驗完成后，對被試制動盤的狀態(tài)進(jìn)行了查看，制動盤狀態(tài)良好，緊固件未出現(xiàn)松動及損壞跡象，盤體摩擦面未出現(xiàn)熱裂紋和明顯磨損情況，證明新研制的鑄鋼制動盤完全滿足裝車運(yùn)用條件。

6 現(xiàn)車試驗及運(yùn)用考核

2017年9月12日～2018年1月12日期間，CR200J動力集中電動車組樣車在中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司國家鐵道試驗中心和成都局內(nèi)進(jìn)行了型式試驗和正線綜合運(yùn)行試驗，試驗期間進(jìn)行了包括各速度等級、不同控制模式下的大量制動試驗。

2018年4月13日～2018年7月29日期間，CR200J動力集中電動車組樣車在蘭渝線進(jìn)行了20萬km的運(yùn)用考核。運(yùn)用考核里程累計201 072 km(初始里程為9 901 km)，其中最高速度及(按144 km/h～160 km/h速度范圍統(tǒng)計)考核里程170 440 km，高速比例84.77%；重車(模擬載荷，配重)考核里程125 950 km，重車比例62.64%。

運(yùn)用考核結(jié)束后，對拖車(包括控制車)裝用的鑄鋼制動盤進(jìn)行了狀態(tài)檢查，制動盤連接緊固件未見松動跡象，盤體摩擦面未發(fā)現(xiàn)明顯熱裂紋，也未有明顯磨損，總體表現(xiàn)正常，參見圖20和圖21所示。

圖21 摩擦面磨耗狀態(tài)

7 結(jié)束語

(1)CR200J動力集中電動車組拖車(包括控制車)用鑄鋼制動盤是基于現(xiàn)有25T型客車鑄鐵制動盤成熟結(jié)構(gòu)技術(shù)基礎(chǔ)上進(jìn)行盤體材料鑄鋼化升級研究，制動盤的結(jié)構(gòu)得到了進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計，盤體材料采用了綜合性能優(yōu)異的低碳鎳鉻鉬合金鑄鋼。

(2)經(jīng)有限元仿真計算表明，新研制的鑄鋼制動盤在制動初速度160 km/h緊急制動過程中盤體最高溫度和最大熱應(yīng)力均低于所用材料的相變溫度和屈服強(qiáng)度，并留有較大的安全余量，制動過程中盤體熱變形微小。

(3)經(jīng)1∶1制動動力試驗臺試驗驗證，新研制的鑄鋼制動盤與粉末冶金閘片匹配，其制動摩擦、磨損性能優(yōu)異，并經(jīng)坡度20‰、160 km/h速度持續(xù)40 km距離的高負(fù)荷(75 kW)坡道制動試驗，摩擦副狀態(tài)良好。

(4)經(jīng)1∶1制動動力試驗臺1 000次以上的制動疲勞試驗考核，并經(jīng)現(xiàn)車綜合試驗和20萬km以上運(yùn)用考核，新研制的鑄鋼制動盤整體狀態(tài)良好，盤體摩擦面未發(fā)現(xiàn)明顯熱裂紋，也未有明顯磨損，能夠保證電動車組長期安全、可靠運(yùn)行。