陳飛雄 顏君毅 王鐵軍 劉毅

摘要：按《動(dòng)車組閘片暫行技術(shù)條件》TJ/CL307-2019中C6程序，對(duì)金屬陶瓷閘片配對(duì)碳陶制動(dòng)盤的摩擦副在1：3臺(tái)架機(jī)上進(jìn)行摩擦磨損試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，金屬陶瓷閘片配對(duì)碳陶制動(dòng)盤的摩擦副具備了基本摩擦學(xué)適配性、制動(dòng)穩(wěn)定性和抗磨性，特別是金屬陶瓷閘片耗量為0.024cm3/MJ，表現(xiàn)出優(yōu)異的耐磨性。

Abstract： According to the C6 program in the "Interim technical conditions for EMU brake pads" TJ /CL307-2019， the friction and wear test of the friction pair of cermet brake pads with carbon ceramic brake disc was carried out on a 1：3 bench. The test results show that the friction pair of cermet brake pad to carbon ceramic brake disc has the basic tribological adaptability， braking stability and wear resistance， especially the cermet brake pad has excellent wear resistance with the consumption of 0.024cm3/MJ.

關(guān)鍵詞：金屬陶瓷閘片;碳陶制動(dòng)盤;摩擦副;1：3臺(tái)架

Key words： cermet brake pad;carbon ceramic brake disc;the friction pair;1：3 bench

中圖分類號(hào)：U271.7 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1674-957X（2021）07-0198-04

0 ?引言

與目前動(dòng)車組列車所用的鑄鋼制動(dòng)盤材料相比，碳陶摩擦材料具有重量輕（比重2.0-2.4g/cm3，僅為鑄鋼制動(dòng)盤材料的約30%）、制動(dòng)效能高、使用壽命長(zhǎng)的顯著優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是發(fā)展400km/h及以上更高速度的新一代高速動(dòng)車組制動(dòng)盤的首選材料。近年來(lái)，我國(guó)和德、法、日等國(guó)家對(duì)于碳陶摩擦制動(dòng)材料的研究已進(jìn)入到實(shí)用化研究階段，在目標(biāo)導(dǎo)向的推動(dòng)下，目前我國(guó)的相關(guān)研究已處于世界前列，已基本具備制造實(shí)用碳陶制動(dòng)盤的能力。鑒于我國(guó)高鐵的工程優(yōu)勢(shì)，在我國(guó)率先實(shí)現(xiàn)碳陶制動(dòng)盤的研制和應(yīng)用是完全可能的。與碳陶制動(dòng)盤摩擦學(xué)匹配的閘片材料是實(shí)現(xiàn)碳陶制動(dòng)盤實(shí)用化的關(guān)鍵。大量的研究實(shí)踐表明，目前國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有的各種銅基粉末冶金閘片，以及一些研究采用的與制動(dòng)盤相同的碳陶材料閘片，與碳陶制動(dòng)盤匹配性較差，配對(duì)閘片要么耐磨性不夠，要么摩擦系數(shù)不符合要求。本文采用新型金屬陶瓷摩擦材料制成的配對(duì)閘片與碳陶制動(dòng)盤匹配成摩擦副，在1：3臺(tái)架機(jī)上進(jìn)行摩擦磨損試驗(yàn)，測(cè)評(píng)了摩擦副的基本摩擦學(xué)適配性、制動(dòng)穩(wěn)定性和抗磨性，為下一步摩擦副1：1臺(tái)架測(cè)試提供了可行性支撐。

1 ?試驗(yàn)方法

碳陶制動(dòng)盤材料為針刺整體氈結(jié)構(gòu)的炭纖維增強(qiáng)炭基、碳化硅基的碳陶（C/C-SiC）摩擦復(fù)合材料，采用CVI（化學(xué)氣相沉積）和RMI（反應(yīng)熔體浸硅）方法生產(chǎn)，密度1.95-2.10g/cm3，由炭相、SiC相、殘余Si相組成，組織形貌見(jiàn)圖1（a）。制成的碳陶制動(dòng)盤直徑500mm，見(jiàn)圖2（a）。金屬陶瓷閘片材料為銅增強(qiáng)陶瓷基摩擦復(fù)合材料，采用PM（粉末冶金）方法生產(chǎn)，密度4.90-5.10g/cm3，組織形貌見(jiàn)圖1（b）。制成的金屬陶瓷閘片見(jiàn)圖2（b），分左、右兩側(cè)，各側(cè)含6件金屬陶瓷閘片，通過(guò)彈簧夾扣和鋼托貼緊在鋼質(zhì)背板上，與碳陶制動(dòng)盤匹配成摩擦副，見(jiàn)圖2（c），制動(dòng)時(shí)，兩側(cè)閘片壓緊制動(dòng)盤實(shí)施摩擦制動(dòng)。

在西安順通機(jī)電應(yīng)用技術(shù)研究所TM-3型1：3臺(tái)架機(jī)上進(jìn)行摩擦磨損試驗(yàn)，有效摩擦半徑160mm，有效摩擦面積10284mm2，配置慣量170kg.m2。按《動(dòng)車組閘片暫行技術(shù)條件》TJ/CL307-2019中的C6程序“燕尾Ⅰ-C型、非燕尾型粉末冶金閘片匹配軸裝制動(dòng)盤制動(dòng)動(dòng)力試驗(yàn)程序”進(jìn)行。先是磨合試驗(yàn)，達(dá)到規(guī)定貼合面積后再進(jìn)行正式停車制動(dòng)試驗(yàn)，包括：干燥工況試驗(yàn)、潮濕工況試驗(yàn)、閘片狀態(tài)恢復(fù)試驗(yàn)、靜摩擦試驗(yàn)、連續(xù)制動(dòng)（拖磨）試驗(yàn)等。停車制動(dòng)共127閘次。

2 ?試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 干燥工況試驗(yàn)平均摩擦系數(shù)

表1為C6程序中的1-32閘次及88-127閘次的干燥工況試驗(yàn)實(shí)測(cè)的平均摩擦系數(shù)。按表1得到圖3所示的平均摩擦系數(shù)隨制動(dòng)初速度的變化曲線（圖3中藍(lán)線所標(biāo)）。圖3中也標(biāo)出了《動(dòng)車組閘片暫行技術(shù)條件》中干燥工況下不同制動(dòng)初速度平均摩擦系數(shù)公差要求的標(biāo)準(zhǔn)上限值（圖3中褐紅線所標(biāo)）和標(biāo)準(zhǔn)下限值（圖3中綠黃線所標(biāo)）。從圖3中可見(jiàn)，干燥工況下測(cè)得的平均摩擦系數(shù)隨制動(dòng)初速度的提高先是增加趨勢(shì)，到200km/h時(shí)達(dá)到最大，為0.507。隨后，隨著制動(dòng)初速度的繼續(xù)提高，平均摩擦系數(shù)轉(zhuǎn)向下降趨勢(shì)，到380km/h時(shí)，降到最低，為0.355。整個(gè)曲線符合標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的變化規(guī)律，且變化拐點(diǎn)都在200km/h時(shí)處。在50-200km/h段，由于制動(dòng)初速度小，摩擦副的接觸以表面微凸起的局部接觸、剪切為主，實(shí)際接觸面積較少，因而摩擦系數(shù)較低。隨著制動(dòng)初速度增加，表面微凸起因剪切而變平整，實(shí)際接觸面積增加，摩擦系數(shù)因此提高，到200km/h時(shí)，達(dá)到最高。隨制動(dòng)初速度提高，摩擦副表面接觸區(qū)逐步連成片，向完整的表面摩擦膜發(fā)展，摩擦膜開(kāi)始起到降摩作用，隨著制動(dòng)初速度達(dá)到更高，熱效應(yīng)的疊加效應(yīng)使降摩作用增強(qiáng)，摩擦系數(shù)進(jìn)一步降低。

由圖3可知，160-250km/h制動(dòng)初速度段的平均摩擦系數(shù)高于標(biāo)準(zhǔn)上限，超出公差要求，其余制動(dòng)初速度段的平均摩擦系數(shù)基本符合公差要求。

2.2 干燥工況試驗(yàn)瞬時(shí)摩擦系數(shù)

從試驗(yàn)結(jié)果看，與上面干燥工況平均摩擦系數(shù)相對(duì)應(yīng)，160-250km/制動(dòng)初速度段的部分瞬時(shí)摩擦系數(shù)超標(biāo)準(zhǔn)上限，50-120km/h和300-380km/h制動(dòng)初速度段的大部分瞬時(shí)摩擦系數(shù)落在上、下限范圍內(nèi)。見(jiàn)圖4、圖5。

2.3 潮濕工況試驗(yàn)平均摩擦系數(shù)

對(duì)應(yīng)C6程序中的48-65閘次的潮濕工況的實(shí)測(cè)平均摩擦系數(shù)如表2所示。按《動(dòng)車組閘片暫行技術(shù)條件》規(guī)定：“最大閘片壓力下平均摩擦系數(shù)宜不低于0.250”。從表2可知，50-80km/h制動(dòng)初速度段的平均摩擦系數(shù)為0.195-0.352，偏低！120-200km/h制動(dòng)初速度段的平均摩擦系數(shù)為0.276-0.479，都高于0.250。最大制動(dòng)壓力0.53MPa下的平均摩擦系數(shù)為0.388-0.479，都高于0.250，符合“最大閘片壓力下平均摩擦系數(shù)宜不低于0.250”的規(guī)定。

2.4 閘片狀態(tài)恢復(fù)試驗(yàn)平均摩擦系數(shù)

對(duì)應(yīng)C6程序中的33-37閘次、66-75閘次、78-87閘次的閘片狀態(tài)恢復(fù)試驗(yàn)的的實(shí)測(cè)平均摩擦系數(shù)如表3所示。按《動(dòng)車組閘片暫行技術(shù)條件》規(guī)定：“閘片狀態(tài)恢復(fù)試驗(yàn)中，每次制動(dòng)的平均摩擦系數(shù)測(cè)試結(jié)果與干燥工況下120km/h最大閘片壓力下平均摩擦系數(shù)的算述平均值相比，不應(yīng)低于該值的80%”。從前面表1可知，干燥工況下120km/h最大閘片壓力0.53MPa下平均摩擦系數(shù)的算述平均值為0.450。即：按規(guī)定要求，每次制動(dòng)的平均摩擦系數(shù)不應(yīng)低于0.360。從表3可知，恢復(fù)試驗(yàn)中，每次制動(dòng)的平均摩擦系數(shù)在0.427-0.510，都高于0.360，符合規(guī)定要求。

2.5 靜摩擦系數(shù)

對(duì)應(yīng)C6程序中的38-42閘次、43-47閘次的靜摩擦試驗(yàn)的實(shí)測(cè)靜摩擦系數(shù)如表4所示。 按《動(dòng)車組閘片暫行技術(shù)條件》規(guī)定：“靜摩擦系數(shù)不應(yīng)低于0.350”。前5閘次的平均靜摩擦系數(shù)為0.418，高于0.350，符合規(guī)定要求。后5閘次的平均靜摩擦系數(shù)為0.320，稍微低于0.350，接近規(guī)定要求。

2.6 持續(xù)制動(dòng)試驗(yàn)的平均摩擦系數(shù)

對(duì)應(yīng)C6程序中的76閘次持續(xù)制動(dòng)（拖磨）試驗(yàn)的平均摩擦系數(shù)為0.493，77閘次不經(jīng)冷卻立即進(jìn)行停車制動(dòng)的平均摩擦系數(shù)為0.380。按《動(dòng)車組閘片暫行技術(shù)條件》規(guī)定：“持續(xù)制動(dòng)2分鐘后直至試驗(yàn)結(jié)束，閘片瞬時(shí)摩擦系數(shù)最小值宜不小于0.250，最大值宜不大于0.500。且瞬時(shí)摩擦系數(shù)每分鐘的波動(dòng)宜不超過(guò)0.050”。測(cè)得76閘次的最小摩擦系數(shù)為0.370，高于0.250，符合規(guī)定要求。測(cè)得76閘次的最大摩擦系數(shù)為0.686，超過(guò)了0.500，不符合規(guī)定要求。測(cè)得77閘次的最小摩擦系數(shù)為0.379，高于0.250，符合規(guī)定要求。測(cè)得77閘次的最大摩擦系數(shù)為0.540，接近0.500，基本符合規(guī)定要求。對(duì)“瞬時(shí)摩擦系數(shù)每分鐘的波動(dòng)宜不超過(guò)0.050”規(guī)定的符合性，由于缺少試驗(yàn)數(shù)據(jù)支撐而不能做出判斷。

2.7 磨耗量

按C6程序共127制動(dòng)閘次試驗(yàn)后的閘片磨耗量測(cè)試數(shù)據(jù)見(jiàn)表5。按《動(dòng)車組閘片暫行技術(shù)條件》規(guī)定：“粉末冶金閘片磨耗量不應(yīng)超過(guò)0.35cm3/MJ”。從表5可知，測(cè)得的閘片磨耗量為0.024cm3/MJ，約為0.35cm3/MJ的十分之一，符合規(guī)定要求。

2.8 試驗(yàn)現(xiàn)象

按《動(dòng)車組閘片暫行技術(shù)條件》規(guī)定：“閘片在試驗(yàn)期間不應(yīng)出現(xiàn)燒痕、隆起、變形、摩擦材料熔化，金屬鑲嵌、掉塊、持續(xù)嘯叫及其它缺陷，制動(dòng)盤摩擦面不應(yīng)出現(xiàn)非正常磨耗。試驗(yàn)期間及結(jié)束后，閘片不應(yīng)因變形而影響正常拆裝”。圖6（a）、圖6（b）分別為試驗(yàn)后的碳陶制動(dòng)盤和金屬陶瓷閘片，盤和閘片的表現(xiàn)狀態(tài)及制動(dòng)狀態(tài)基本符合規(guī)定要求。碳陶盤摩擦面只產(chǎn)生了輕微偏磨，摩擦面上有閘片的轉(zhuǎn)移膜形成。閘片摩擦面產(chǎn)生了輕微熔化和輕微裂紋。

3 ?結(jié)論

采用新型金屬陶瓷摩擦材料制成的金屬陶瓷閘片配對(duì)碳陶制動(dòng)盤的摩擦副，按《動(dòng)車組閘片暫行技術(shù)條件》TJ/CL307-2019中的C6程序經(jīng)1：3臺(tái)架摩擦磨損試驗(yàn)表明，摩擦副具備了基本的摩擦學(xué)適配性、制動(dòng)穩(wěn)定性和抗磨性，特別是與碳陶制動(dòng)盤配對(duì)的金屬陶瓷閘片表現(xiàn)出優(yōu)異的耐磨性。但摩擦系數(shù)與現(xiàn)用標(biāo)準(zhǔn)還有差距，后續(xù)通過(guò)優(yōu)化調(diào)整將摩擦系數(shù)控制到所需要的范圍。

參考文獻(xiàn)：

[1]肖鵬，熊翔，李專.碳陶摩擦材料制備、性能與應(yīng)用[M].北京：科學(xué)出版社，2016：61-84.

[2]陳飛雄，顏君毅，劉毅，王鐵軍.不同摩擦副在MM3000型試驗(yàn)機(jī)和TM-3型臺(tái)架機(jī)上的對(duì)比試驗(yàn)研究[J].內(nèi)燃機(jī)與配件，2020（08）：91-95.

[3]TJ/CL307-2019，動(dòng)車組閘片暫行技術(shù)條件[S].中國(guó)鐵路總公司，2019.