賈潞

（中國(guó)鐵路北京局集團(tuán)有限公司，北京 100860）

高速列車制動(dòng)技術(shù)關(guān)系著列車運(yùn)營(yíng)的安全性、平穩(wěn)性和舒適性，是決定列車行駛速度與緊急制動(dòng)能力，確保列車運(yùn)行安全的關(guān)鍵技術(shù)。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展與戰(zhàn)略規(guī)劃需求，我國(guó)高速鐵路的運(yùn)營(yíng)速度也不斷提高，這對(duì)列車的基礎(chǔ)制動(dòng)系統(tǒng)，特別是閘片的性能提出了更高要求［1-4］。當(dāng)列車電制動(dòng)故障或者施加緊急制動(dòng)時(shí)，機(jī)械摩擦制動(dòng)必須保證高速列車在規(guī)定的制動(dòng)距離內(nèi)停車，以確保列車運(yùn)行安全［5-6］。由于列車制動(dòng)能量與速度呈二次方正比關(guān)系，因此列車速度越高，制動(dòng)時(shí)閘片承受的能量越大，摩擦材料的溫升越高［7-8］。

高速列車上普遍使用的閘片為銅基粉末冶金閘片。閘片的摩擦塊由摩擦體、粘接層和背板3 部分組成，其中摩擦體是閘片制動(dòng)性能的主體來(lái)源，背板作為增強(qiáng)支撐結(jié)構(gòu)通過(guò)粘接層材料與摩擦體燒結(jié)在一起［9-11］。這種異質(zhì)件連接結(jié)構(gòu)的界面處通常強(qiáng)度較低，在實(shí)際車輛運(yùn)營(yíng)中偶有摩擦體材料脫落現(xiàn)象發(fā)生，造成了一定安全隱患。

目前，鮮有針對(duì)閘片使用過(guò)程中摩擦體材料脫落原因的分析研究。文中通過(guò)制備不同厚度的摩擦塊，模擬了車輛運(yùn)營(yíng)過(guò)程中不同磨耗程度的閘片狀態(tài)。以制動(dòng)溫度對(duì)材料性能的影響為出發(fā)點(diǎn)，進(jìn)行不同速度等級(jí)1∶1 制動(dòng)動(dòng)力試驗(yàn)。通過(guò)測(cè)試不同厚度摩擦塊溫度數(shù)據(jù)，分析制動(dòng)溫升對(duì)摩擦材料粘接層微觀形貌和力學(xué)強(qiáng)度的影響。

1 試驗(yàn)過(guò)程

1.1 試驗(yàn)原料與樣品制備

銅基閘片采用粉末冶金方法制備，摩擦體的主要原料有電解銅粉、還原鐵粉、鉻鐵顆粒、石墨和碳化硅顆粒。粘接層的材料為電解銅粉，背板材料為鍍銅的45#鋼。粉末原料在V 型混粉器中混合2 h，之后在400 MPa 壓力下壓制成型。背板放在壓制生坯上，在高純氫氣氣氛中進(jìn)行熱壓燒結(jié)，燒結(jié)溫度為950 ℃，壓力為3 MPa，保溫時(shí)間為2 h。

1.2 試驗(yàn)方法及數(shù)據(jù)記錄

將燒結(jié)后的摩擦塊按厚度分成3檔，采用燕尾型粉末冶金閘片裝配方式進(jìn)行裝配，得到摩擦塊厚度分別為21、15、9 mm的閘片各1 副。閘片在進(jìn)行1∶1 制動(dòng)動(dòng)力試驗(yàn)前，在不同位置的摩擦塊上打孔，如圖1 所示。打孔位置涵蓋了摩擦半徑的內(nèi)、中、外位置，在打孔位置處安裝熱電偶，對(duì)制動(dòng)過(guò)程中摩擦塊粘接層進(jìn)行溫度測(cè)試，熱電偶安裝方式如圖2 所示。

圖2 熱電偶安裝位置圖示

閘片按照TJ/CL 307-2019《動(dòng)車組閘片暫行技術(shù)條件》中的C.6 程序在1∶1 制動(dòng)動(dòng)力試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行測(cè)試，試驗(yàn)過(guò)程中記錄單個(gè)摩擦塊的溫度—時(shí)間曲線和最高溫度值，以及閘片所有摩擦塊測(cè)點(diǎn)平均溫度最高值和打孔摩擦塊的溫度最高值。

采用ZEISS-EVO 18 掃描電子顯微鏡觀察摩擦材料和粘接層的微觀形貌，采用MTS 材料試驗(yàn)機(jī)檢測(cè)摩擦塊粘接面的剪切強(qiáng)度。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 相同制動(dòng)工況下不同厚度摩擦塊溫度分析

不同厚度摩擦塊制動(dòng)溫度分布情況如圖3 所示，圖3 中的柱狀圖標(biāo)高度表示制動(dòng)的初速度，柱狀圖標(biāo)顏色代表不同的制動(dòng)壓力。圖中代表9 mm厚度摩擦塊的黃色星標(biāo)溫度在各制動(dòng)工況下始終高于15 mm 和21 mm 厚度的摩擦塊。當(dāng)制動(dòng)初速度和制動(dòng)壓力都較低時(shí)，15 mm 和21 mm 摩擦塊的最高平均溫度較為接近。隨著制動(dòng)初速度和制動(dòng)壓力的提高，15 mm 和21 mm 摩擦塊最高平均溫度的差值也逐漸加大，在300 km/h 及以上的制動(dòng)速度時(shí)形成顯著的梯度分布。試驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明，摩擦塊厚度越薄，摩擦塊粘接面處的溫度越高。

在速度350 km/h、壓力32 kN的制動(dòng)工況下，摩擦塊厚度為9、15、21 mm的閘片最高平均溫度分別為815、751、679 ℃，見(jiàn)表1。將摩擦塊厚度差值和溫度差值進(jìn)行對(duì)比，在摩擦塊厚度差值均為6 mm的情況下，21 mm 厚度摩 擦塊與15 mm 厚 度摩擦塊的最高平均溫度差值為72 ℃，比15 mm 厚度摩擦塊與9 mm 厚度摩擦塊的最高平均溫度差值高了8 ℃。以上結(jié)果說(shuō)明，制動(dòng)時(shí)摩擦塊粘接層位置的溫度隨摩擦塊厚度的變化呈非線性趨勢(shì)。閘片厚度減薄后，隨著制動(dòng)溫度的提高，閘片厚度方向上的熱阻減小，散熱速率更快，使厚度較薄的摩擦塊粘接層溫升減緩。

表1 摩擦塊厚度差值與溫度差值對(duì)比

2.2 制動(dòng)壓力對(duì)溫度增長(zhǎng)系數(shù)的影響分析

將相同制動(dòng)條件下制動(dòng)過(guò)程中閘片的平均溫度以及不同位置摩擦塊的最高溫度進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，得到溫度增長(zhǎng)系數(shù)，即制動(dòng)初速度每增加1 km/h 時(shí)的溫度增加值。不同厚度閘片上不同位置摩擦塊在相同制動(dòng)速度和不同制動(dòng)壓力下的溫度增長(zhǎng)系數(shù)分布如圖4 所示，溫度增長(zhǎng)系數(shù)值見(jiàn)表2。從圖4 中可看出，當(dāng)摩擦塊厚度為15 mm 與21 mm時(shí)，閘片在各個(gè)制動(dòng)壓力下溫度增長(zhǎng)系數(shù)的均值小于摩擦塊厚度為9 mm的閘片。在32 kN 大壓力工況下，摩擦塊厚度為9 mm的閘片平均溫度的溫度增長(zhǎng)系數(shù)高達(dá)2.5 ℃/（km?h-1），即初始制動(dòng)速度每增加100 km/h，閘片平均溫度將上升250 ℃，該溫度增長(zhǎng)系數(shù)值約為同種工況下摩擦塊厚度15 mm和21 mm 閘片的1.25 倍。

表2 不同厚度摩擦塊閘片在不同制動(dòng)壓力下的溫度增長(zhǎng)系數(shù) 單位：℃/(km·h-1)

圖4 制動(dòng)過(guò)程中閘片溫度增長(zhǎng)系數(shù)分布

結(jié)合圖4 和表2 數(shù)據(jù)可知，當(dāng)摩擦塊厚度9 mm時(shí)，所有測(cè)點(diǎn)粘接面溫度增長(zhǎng)系數(shù)的平均值在各個(gè)制動(dòng)壓力下都是最高的，但閘片上不同測(cè)點(diǎn)位置摩擦塊的溫度增長(zhǎng)系數(shù)最大差值僅在制動(dòng)壓力為14 kN 和23 kN 時(shí)最高。其中，9 mm 厚度摩擦塊在14 kN 制動(dòng)壓力下的溫度增長(zhǎng)系數(shù)最大差值分別是15 mm 和21 mm 厚度摩擦塊的3.3 倍和2.6倍。這是因?yàn)楫?dāng)制動(dòng)壓力較小時(shí)，閘片浮動(dòng)結(jié)構(gòu)調(diào)整將導(dǎo)致摩擦塊與制動(dòng)盤(pán)貼合面不穩(wěn)定，閘片上不同位置摩擦塊與制動(dòng)盤(pán)的接觸力值不同，制動(dòng)能量和溫升速度也不同。而較薄的摩擦塊因?yàn)闇厣俣瓤於糯罅诉@一特征，導(dǎo)致不同位置摩擦塊的溫度增長(zhǎng)系數(shù)差值較大。以上結(jié)論表明，9 mm 厚度的摩擦塊在小壓力制動(dòng)時(shí)也存在局部溫升明顯的情況，摩擦塊的厚度對(duì)粘接面的溫度值影響顯著。

2.3 溫度對(duì)摩擦體脫落機(jī)理的影響分析

摩擦塊由背板、粘接層和摩擦體3 部分組成，如圖5 所示。其中，背板是鍍銅的沖壓金屬件，粘接層由純銅組成，摩擦體是銅基半金屬壓形件。在熱壓燒結(jié)過(guò)程中，摩擦塊背板、粘接層及摩擦體三者之間通過(guò)銅的相互擴(kuò)散作用產(chǎn)生結(jié)合，這種相互擴(kuò)散作用為本征擴(kuò)散，主要依賴于熱缺陷進(jìn)行。摩擦塊背板、粘接層及摩擦體3 種介質(zhì)的致密度各不相同，表現(xiàn)為高溫條件下具有不同濃度的熱點(diǎn)缺陷。在高溫高壓作用下，銅原子會(huì)從熱缺陷濃度低的介質(zhì)向熱缺陷濃度高的介質(zhì)中擴(kuò)散，填充點(diǎn)缺陷，使3 種介質(zhì)在視覺(jué)上成為一體，達(dá)到如圖6 所示的界面狀態(tài)。

圖5 摩擦塊結(jié)構(gòu)圖

圖6 燒結(jié)后摩擦塊粘接面的微觀形貌

使用掃描電鏡分別對(duì)制動(dòng)試驗(yàn)后的不同厚度摩擦塊粘接界面進(jìn)行微觀形貌分析，如圖7 所示。厚度為21 mm 和15 mm的摩擦塊經(jīng)過(guò)制動(dòng)試驗(yàn)后，粘接面及臨近區(qū)域組織結(jié)合良好，如圖7（a）和圖7（b）所示。厚度為9 mm的摩擦塊經(jīng)過(guò)制動(dòng)試驗(yàn)后，在摩擦體距粘接層約200～300 μm 位置處出現(xiàn)了長(zhǎng)約1 mm的細(xì)長(zhǎng)裂紋，如圖7（c）所示。

摩擦塊在每次制動(dòng)過(guò)程中都經(jīng)歷快速升溫和降溫的過(guò)程，背板、粘接層和摩擦體受溫度影響發(fā)生膨脹和收縮。背板鍍銅層和粘接層材料均為純銅，熱膨脹系數(shù)相近。而粘接層與摩擦體的組分差異較大，制動(dòng)和冷卻過(guò)程中的熱膨脹系數(shù)不匹配，在反復(fù)的熱應(yīng)力作用下容易引發(fā)熱疲勞裂紋。摩擦體材料為半金屬?gòu)?fù)合材料，其強(qiáng)度明顯低于由純金屬組成的粘接層。因此，熱疲勞裂紋首先出現(xiàn)在粘接層與摩擦體結(jié)合界面靠近摩擦體內(nèi)的一側(cè)。厚度為9 mm的摩擦塊粘接面處在制動(dòng)時(shí)的溫度最高且溫升最快，在熱應(yīng)力作用下最先出現(xiàn)疲勞裂紋。分別對(duì)制動(dòng)試驗(yàn)后不同厚度的摩擦塊進(jìn)行粘接面剪切強(qiáng)度測(cè)試，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 粘接面剪切強(qiáng)度測(cè)試數(shù)據(jù)

表3 中數(shù)據(jù)表明，制動(dòng)試驗(yàn)后摩擦塊粘接面的剪切強(qiáng)度隨摩擦塊厚度的減小而降低，厚度為9 mm的摩擦塊粘接面剪切強(qiáng)度僅為厚度21 mm的摩擦塊的一半，在車輛運(yùn)行的過(guò)程中更容易發(fā)生脫落。

3 結(jié)論

（1）因材料熱膨脹系數(shù)不匹配而產(chǎn)生的熱應(yīng)力是導(dǎo)致銅基粉末冶金摩擦材料粘接層失效的主要原因。

（2）閘片摩擦塊的厚度越薄，制動(dòng)時(shí)粘接層位置的溫度越高且溫升越快，在粘接面附近產(chǎn)生熱疲勞裂紋導(dǎo)致摩擦塊粘接層的剪切強(qiáng)度降低。

（3）閘片服役過(guò)程中，接近磨耗到限的摩擦塊更容易出現(xiàn)摩擦體脫落現(xiàn)象，應(yīng)著重關(guān)注此類閘片狀態(tài)的跟蹤維護(hù)。