制動閘片的摩擦磨損概述

[摘要]摩擦制動裝置的工作原理，是利用摩擦副(制動閘片與制動盤)相對運動時接觸表面間所產生的摩擦阻力及制動力來調節相對運動速度或停止運動，從而達到制動的目的。

[關鍵詞]制動閘片 磨損失效形式 國內外研究現狀

[中圖分類號]04 [文獻標識碼]A [文章編號]1009-5489(2007)03-0109-02

一、制動閘片的摩擦磨損原理

摩擦制動裝置的工作原理，是利用摩擦副(制動閘片與制動盤)相對運動時接觸表面間所產生的摩擦阻力及制動力來調節相對運動速度或停止運動，從而達到制動的目的。

二、制動閘片的磨損失效形式

磨損是摩擦學(包括摩擦、磨損和潤滑)三大課題之一。磨損是在機械力的作用下，一個物體(固體，液體)和另一個物體發生接觸和相對運動時，造成表面材料逐漸損失的過程。摩擦是原因，磨損是結果。只要兩個相對運動的零件接觸表面之間存在摩擦力，要克服這些摩擦力產生的運動，就必然產生磨損。磨損是摩擦的必然產物，制動閘片的工作情況復雜，處在高溫、高壓、交變載荷變化的情況下工作，制動閘片與制動盤之間的摩擦屬于固體干摩擦，典型應用于運輸設備的剎車裝置，通過剎車材料固體之間的摩擦力作用而達到改變運輸設備狀態的目的。人們一方面希望剎車裝置能產生合乎要求的摩擦力，同時又希望磨損量盡量小，以延長其使用壽命和提高運行的質量。因此，研究它們之間的磨損機理對于提高制動閘片的耐磨性以及使用壽命有重要的意義。從事摩擦學研究的前輩們通過長期的研究將磨損劃分為粘著磨損、磨粒磨損、表面疲勞磨損、化學磨損以及微動磨損等若干形式，這些磨損形式往往有針對性地發生于不同的應用工況。對于像剎車裝置這樣的應用工況，微動磨損幾乎不存在，化學磨損及表面疲勞磨損發生的程度一般較弱，而粘著磨損和磨粒磨損是主要磨損失效形式。

粘著磨損失效，是指在摩擦過程中，摩擦副材料表面之間由于發生了粘著／剪切效應，使摩擦表面材料發生脫落或向對偶表面轉移而導致的失效。這種磨損失效的主要特征在于發生了摩擦副材料有一個表面向另一個表面或彼此之間的轉移，粘著節點強度越高，剪切強度越深，磨損越嚴重，直到發生膠合磨損。制動閘片與制動盤相互作用的過程中，閘片與制動盤的表面均不光滑，閘片與制動盤表面的接觸從微觀上認為是由許多相似的微凸體接觸構成，由于制動力作用在微凸體表面上，微凸體被磨掉形成粘著磨損，這種失效在列車的制動裝置中，并不罕見，嚴重時會發生制動失靈。

磨粒磨損失效，是指由外界硬顆粒或對偶件表面的硬突起物在摩擦過程中引起的表面材料脫落或塑性變形所導致的失效，其特征在于造成部件失效的磨損來自磨粒對摩擦副材料表面的犁削作用和塑性積壓變形。存在硬質磨粒，并在摩擦表面上產生明顯的磨粒劃傷痕跡，是判斷磨粒磨損失效的必要條件。這種失效形式在制動閘片與制動盤這對摩擦副中，制動閘片是經過加壓、加熱形成的基體，而制動盤是由單一材料形成，二者相對來說，閘片的材料可以認為是一個平滑的軟表面，而制動盤的表面是一個粗糙的硬表面，較硬表面的微凸體的頂部穿人軟表面，在軟表面上形成一定的滑痕，還有摩擦力和制動力的共同作用，加劇這種磨損形式的形成。

基于以上分析，制動閘片與制動盤摩擦副的磨損失效的主要形式是磨粒磨損失效，一般情況下它們的摩擦材料質地較硬，其脆性相應較大，剎車過程中的摩擦磨損具有很強的重復性，因此摩擦面應處于一種均勻磨損的狀態：既摩擦面的表觀形貌在每次摩擦過程中具有相同統計規律。

三、國內外研究現狀

目前，國際上比較先進又比較代表性的高速列車是德國生產的ICE列車和法國的TGV列車以及日本的新干線。他們對制動閘片的研制經歷了合成閘片，鐵基和銅基燒結閘片(粉末冶金摩擦閘片)階段，并已經向鋁合金基復合材料及C／C復合材料閘片方向發展。

1 合成閘片

合成閘片是將樹脂，橡膠，金屬粉，纖維，無機材料等混合后加壓加熱固化而制的材料，它將材料制備工藝和產品生產工序合二為一，成本適中，通過改變配方和成型工藝，能夠調整瞬時摩擦系數的大小，形成性能優良的合成摩擦材料。其瞬時摩擦系數隨制動初速度和摩擦面的溫度變化很小，且使用壽命長，重量輕。制動時無火花，高速區摩擦系數大且不隨列車速度的改變而變化。但也有不足之處，一是導熱性差，翩動熱量難以散發，車輪受天氣影響大，在雨雪天氣制動能力下降。此外，這類閘瓦與車輪踏面反復磨合后，使二者間的粘性降低，合成閘片的使用溫度一般不能超過250度。當制動溫度達250度以后，其磨損率急劇增加。溫度較高時，由于其組分的改變，摩擦系數也將改變。合成閘片的使用范圍在時速160～200km的列車上。

2 粉末冶金制動閘片 粉末冶金制動閘片主要以鐵基和銅基金屬粉末為主，配加無機材料、石磨等經混合，壓制成型，然后在900～1500攝氏度可控高溫中進行燒結而成。粉末冶金摩擦材料在組分的設計和產品的多樣化具有較高的靈活性，且沒有鑄造材料的疏松，縮孔，枝晶偏析，晶粒粗大等缺陷，有助于提高制動材料的各項力學性能。粉末冶金摩擦材料具有較高的摩擦系數，其摩擦系數基本不受列車速度和天氣狀況改變的影響，耐磨性和導熱性都較好。可用于高速，重載車輛。但是粉末冶金制動閘片對制動盤的沖擊性較大，要求制動盤材質為鍛剛盤或高合金鑄剛，成本較高，一般用于熱負荷較大的機車和最高運行速度為250km／h-350km／h的高速客車上。

目前除法國的TGV—A以及日本的新干線等高速列車上已經使用了粉末冶金制動閘片，我國也有單位進行粉末冶金摩擦材料的研究和生產。

3 碳／碳復合材料閘片 由于碳纖維比重小(其密度僅為1.5g／cm3，約為鐵的1／5)、強度高(抗拉強度>2000MPa)、模量大(2.1—7.0×105MPa)、熱膨脹系數小、耐高溫等，最初它作為航天用復合材料而得到大力研究與開發、現在民用飛機和賽車上已得到了廣泛應用。由于列車運行速度的不斷提高，碳／碳復合材料的優異性能受到重視，各國都加強對碳／碳復合材料閘片的研究，它們是高速車上推薦使用的最佳材質體系。法國的TGV高速列車上已經應用這種材料。

四、國內制動閘片的發展概況

我國的經濟基礎比較薄弱，在這方面的研究比較晚。我國開始研制合成閘瓦較世界先進國家落后約二十年，1976年鐵道科學研究院與北京市制動密封材料廠首次主要承擔4—2型低摩擦系數合成閘瓦研制，在借鑒國外鐵路合成閘瓦研制經驗的同時，著手摸索探討適合我國國情和路況的合成閘瓦，于1978年底，通過了部級鑒定，開創了我國研制生產使用合成閘瓦的新紀元，1984年4月完成了蒸汽機車用合成閘瓦，以上兩項獲得了國家科技進步獎，1987年12月完成了電機車低摩擦系數的合成閘瓦，1991年完成了兩摩擦系數合成閘瓦的研制，歷時15年勝利完成了我國蒸汽、內燃、電力機車和車輛的合成閘瓦的研制任務。近幾年來隨著客車的不斷擴編，提速和貨車重載運輸的強化又為新造機車車輛開發研制出相應的新品種如：粉末冶金閘瓦，半金屬閘瓦和閘片等，逐步發展成為能滿足我國鐵路各類型各系列國產機車使用的摩擦材料制動用產品。

在踏面制動裝置中，目前閘瓦使用的摩擦材料有含磷鑄鐵摩擦材料，合成摩擦材料，粉末冶金摩擦材料，其中含磷鑄鐵是使用歷史最長，應用最廣泛的摩擦材料，但是它存在兩大缺點，一是鑄鐵閘瓦的摩擦系數隨行車速度的提高而急劇減小。例如，列車速度在20km／h時，鑄鐵閘瓦的摩擦系數約為0.16，在速度為120km／h時，摩擦系數約為0.085，使其不能充分利用輪軌粘著，低速時制動沖動大；二是鑄鐵閘瓦的耐磨性差，為獲得必要的制動力，不得不提高閘瓦壓力，而試驗表明閘瓦的磨損量與壓力成正比，導致鑄鐵閘瓦的加速磨耗。所以在盤行制動裝置中不使用鑄鐵閘瓦材料做閘片，而性能較高的合成摩擦材料、粉末冶金摩擦材料則在盤行制動裝置中得以延續使用。

[參考文獻]

[1]溫詩鑄：《摩擦學原理》，清華大學出版社1990年版。

[2]劉家浚：《材料磨損原理及其耐磨性》，清華大學出版社1993年版。

[3]楊生榮、劉雛民、薛群基等：《摩擦學學報》，1998年1月。

[4]張劍鋒、周志芳：《摩擦磨損與抗磨技術》，天津科技翻譯出版公司1993年版。