380km／h高速列車輪裝制動(dòng)盤研制＊

李繼山，劉 濤，李和平，焦標(biāo)強(qiáng)，陳德峰，顧磊磊，呂寶佳

（1 中國(guó)鐵道科學(xué)研究院 機(jī)車車輛研究所，北京100081；2 沈陽(yáng)鐵路局，遼寧沈陽(yáng)110002）

制動(dòng)盤其最基本的功能是吸收制動(dòng)動(dòng)能并將之轉(zhuǎn)化為熱能散發(fā)到空氣中，在此過程中，制動(dòng)盤的材料、結(jié)構(gòu)和性能不能被破壞。盤形制動(dòng)是高速列車的關(guān)鍵技術(shù)之一，是確保高速列車安全的重要措施，尤其是在列車其他安全措施出現(xiàn)故障時(shí)，只能靠盤形制動(dòng)作為安全可靠制動(dòng)的最后保障［1］。隨著制動(dòng)速度提高到380 km／h后，緊急制動(dòng)時(shí)制動(dòng)盤將承受巨大的負(fù)荷，因此現(xiàn)有制動(dòng)盤的結(jié)構(gòu)、材料、性能均難以承受。因此，創(chuàng)新和優(yōu)化制動(dòng)盤結(jié)構(gòu)、大幅度提高制動(dòng)盤和材料耐熱性能、抗疲勞性能，是滿足發(fā)展速度380km／h以上高速列車需求的一項(xiàng)不可或缺的重要任務(wù)，也是國(guó)際上該領(lǐng)域的一個(gè)競(jìng)爭(zhēng)熱點(diǎn)。

在高速列車制動(dòng)盤研究和運(yùn)用方面，法、德、日、英等國(guó)在制動(dòng)盤材料領(lǐng)域的研究走在了世界的前沿。上述國(guó)家不僅對(duì)傳統(tǒng)的鑄鐵（鋼）和鍛鋼等摩擦制動(dòng)材料進(jìn)行了一系列的材料改進(jìn)和優(yōu)化工作，同時(shí)還進(jìn)行了新型制動(dòng)材料如顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料和碳、碳復(fù)合材料的研發(fā)工作。鋼質(zhì)制動(dòng)盤從20世紀(jì)80年代開始在高速列車上使用。鍛鋼具有較高的強(qiáng)度（≥800MPa）和韌性，同時(shí)還具有較高的抗熱龜裂性、良好的耐磨性和耐熱疲勞性，使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。隨著鑄造技術(shù)的不斷進(jìn)步，鑄造工藝日趨完善，鑄鋼制動(dòng)盤的性能得到很大提高，又由于鑄鋼制動(dòng)盤有良好的散熱性能，鑄鋼制動(dòng)盤在高速列車上也得到廣泛應(yīng)用。德國(guó)ICE高速列車、中國(guó)CRH2型速度350km／h高速列車和CRH3型速度350km／h高速列車均采用了鑄鋼制動(dòng)盤。然而，在我國(guó)所有高速列車制動(dòng)盤毛坯件目前還依賴進(jìn)口。隨著我國(guó)高速列車的大面積推廣應(yīng)用，有必要通過自主研發(fā)，研制出具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的、適用于速度380km／h高速列車的制動(dòng)盤，這不僅對(duì)我國(guó)發(fā)展380km／h高速列車技術(shù)有著重要的保障作用，同時(shí)對(duì)提升我國(guó)制動(dòng)技術(shù)的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力也有著重要的推動(dòng)作用。因此，研制適用于新一代高速列車的制動(dòng)盤材質(zhì)，大幅度提高制動(dòng)盤耐熱及熱疲勞性能，是發(fā)展速度380km／h以上高速列車的重要任務(wù)之一。

1 制動(dòng)盤材質(zhì)選擇

1.1 高速列車制動(dòng)盤材質(zhì)應(yīng)具有的特性

高速列車緊急制動(dòng)時(shí)，巨大的制動(dòng)熱負(fù)荷使制動(dòng)盤產(chǎn)生很大的溫度梯度，并由此產(chǎn)生熱應(yīng)力并可能導(dǎo)致熱裂紋［2］。國(guó)際鐵路聯(lián)盟的研究報(bào)告表明，制動(dòng)盤裂紋產(chǎn)生遵從W?hler疲勞曲線，溫升越高，制動(dòng)盤出現(xiàn)裂紋的速度也越快［3］；制動(dòng)盤磨耗快慢、制動(dòng)盤裂紋形成以及裂紋擴(kuò)展速度都與制動(dòng)盤的溫升有關(guān)，在高溫狀態(tài)下，制動(dòng)盤的金相組織、力學(xué)性能、制動(dòng)摩擦性能都會(huì)變化。制動(dòng)盤的主要設(shè)計(jì)判據(jù)因素是制動(dòng)盤的溫度及熱應(yīng)力，兩者對(duì)制動(dòng)盤壽命直接產(chǎn)生影響。因此，高速列車制動(dòng)盤材料應(yīng)具有如下物理力學(xué)性能特點(diǎn)：

（1）較強(qiáng)的熱物理性能。制動(dòng)盤材質(zhì)應(yīng)當(dāng)能承受頻繁的溫度變化，有良好的抗熱疲勞性能，各種工況下摩擦副的摩擦系數(shù)平穩(wěn)、磨損率低。高速制動(dòng)時(shí)盤的溫度將超過600℃以上，制動(dòng)盤要有良好的耐熱性，同時(shí)還應(yīng)具有相當(dāng)高的導(dǎo)熱性、熱容和盡可能小的線脹系數(shù)。

（2）良好的機(jī)械性能。制動(dòng)盤材質(zhì)應(yīng)有足夠的機(jī)械強(qiáng)度。在使用過程中制動(dòng)盤無(wú)明顯損傷，磨損率低，高溫工況下變形小。

（3）良好的散熱性能。良好的散熱特性能夠明顯降低制動(dòng)盤的表面溫度，大大提高制動(dòng)盤的使用壽命。

（4）適應(yīng)環(huán)境要求。制動(dòng)盤在潮濕環(huán)境和高低溫環(huán)境下具有足夠的機(jī)械強(qiáng)度和抗腐蝕性。

1.2 高速列車制動(dòng)盤材質(zhì)選擇

目前國(guó)內(nèi)外機(jī)車車輛制動(dòng)盤運(yùn)用較多的材料有鑄鐵、鑄鋼、鍛鋼等［4-6］，鋁質(zhì)材料及碳、碳復(fù)合材料還沒有廣泛應(yīng)用。每種材料由于自身物理力學(xué)性能差異其適用范圍也有不同。灰鐵、蠕鐵、球鐵等鑄鐵材質(zhì)以及鋁質(zhì)材質(zhì)適用于300km／h以下的列車；鍛鋼雖然能夠用于300km／h以上的高速列車，但由于其自身鍛造結(jié)構(gòu)限制和結(jié)構(gòu)散熱性能差，易出現(xiàn)熱裂紋。鑄鋼制動(dòng)盤材料由于在常溫及高溫下的力學(xué)性能、抗熱變形能力和熱穩(wěn)定性能優(yōu)異，韌性、耐磨性和工藝性能好，與粉末冶金閘片組成摩擦副時(shí)其摩擦磨損性能良好。上述特點(diǎn)已在我國(guó)既有200～350km／h高速動(dòng)車組中得到驗(yàn)證。

根據(jù)上述分析，本著安全、可靠的原則，選用低合金鑄鋼作為新一代高速列車基礎(chǔ)制動(dòng)制動(dòng)盤的材質(zhì)。

2 材料性能指標(biāo)確定及工藝分析

2.1 制動(dòng)盤材料基本性能指標(biāo)的確定

根據(jù)我國(guó)制動(dòng)盤多年研發(fā)和運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)，分析國(guó)內(nèi)外高速列車制動(dòng)盤研究成果，確定了高速列車制動(dòng)盤材料的基本力學(xué)性能要求，見表1。

表1 高速列車制動(dòng)盤材料室溫時(shí)基本性能指標(biāo)

2.2 材料化學(xué)成分確定

化學(xué)成分會(huì)影響材料的力學(xué)性能，同時(shí)也是決定基體組織與熱處理結(jié)果的主要因素之一，材質(zhì)中各化學(xué)元素含量不同，制動(dòng)盤熱機(jī)性能將有很大的不同。為進(jìn)一步改善鑄鋼材料的組織結(jié)構(gòu)，提高材料的強(qiáng)度和韌性，澆注時(shí)需要加入適量的Cu、Cr、Mo、Ni、V等合金元素。

經(jīng)過熱處理后得到細(xì)小的索氏體基體組織，該基體不僅組織致密，具有較高的強(qiáng)度，而且具有良好的韌性，可以作為高速列車制動(dòng)盤材質(zhì)。

3 輪裝制動(dòng)盤結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖1為經(jīng)過計(jì)算機(jī)優(yōu)化后輪裝制動(dòng)盤結(jié)構(gòu)。制動(dòng)盤非摩擦面有徑向條狀散熱筋，摩擦環(huán)厚度和散熱肋幾何尺寸的設(shè)計(jì)使制動(dòng)時(shí)制動(dòng)盤摩擦面溫升一致而不會(huì)出現(xiàn)過熱現(xiàn)象，從而使摩擦環(huán)所受到的熱應(yīng)力相等，降低了由熱應(yīng)力梯度原因產(chǎn)生的熱裂紋，提高了制動(dòng)盤的使用壽命。同時(shí)，輪裝制動(dòng)盤散熱筋排列又采用循環(huán)對(duì)稱結(jié)構(gòu)，從而使制動(dòng)盤剩余不平衡量達(dá)到最小，這對(duì)于高速列車來說，能夠最大限度地減少對(duì)車軸等相關(guān)部分的損傷。

與傳統(tǒng)的輪裝式制動(dòng)盤相比，本方案熱交換性能好，有利于熱量通過熱對(duì)流及時(shí)和快速地與周圍冷空氣進(jìn)行熱交換；制動(dòng)時(shí)使摩擦環(huán)溫升一致，降低了由熱應(yīng)力梯度原因產(chǎn)生的熱裂紋，提高了制動(dòng)盤的使用壽命。同時(shí)，循環(huán)對(duì)稱結(jié)構(gòu)大大減小了制造工藝中的動(dòng)平衡試驗(yàn)的工作量，有利于最大限度地減少對(duì)車軸等相關(guān)部分的損傷。

圖1 優(yōu)化后的輪裝制動(dòng)盤結(jié)構(gòu)

4 輪裝制動(dòng)盤熱應(yīng)力仿真分析

為了校核速度380km／h輪裝制動(dòng)盤熱容量，采用有限元熱機(jī)耦合方法對(duì)制動(dòng)盤熱應(yīng)力進(jìn)行仿真計(jì)算，首先對(duì)制動(dòng)盤在初速度為420km／h工況下實(shí)施緊急制動(dòng)的溫度場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算，然后把所計(jì)算的溫度場(chǎng)作為邊界條件進(jìn)行應(yīng)力計(jì)算。計(jì)算結(jié)果顯示制動(dòng)盤摩擦面最高溫度為683℃，最大制動(dòng)盤摩擦面以及筋部等部分關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)處的熱應(yīng)力計(jì)算結(jié)果見圖2。圖2顯示制動(dòng)盤摩擦面節(jié)點(diǎn)應(yīng)力制動(dòng)開始時(shí)急劇上升，盤面最大應(yīng)力出現(xiàn)在55s左右，最大約448MPa，筋部的節(jié)點(diǎn)應(yīng)力最大值約200MPa，均低于材料的抗拉和屈服極限，使盤面具有良好的高溫摩擦性能。

5 1∶1制動(dòng)動(dòng)力臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證

5.1 試驗(yàn)條件

（1）最高運(yùn)行速度：380km／h，最高試驗(yàn)速度420 km／h；

（2）每個(gè)制動(dòng)盤上的制動(dòng)質(zhì)量：8.0t；

（3）輪徑：920mm；

（4）制動(dòng)盤直徑：750mm；

（5）制動(dòng)時(shí)采用分級(jí)壓力，閘片雙側(cè)最大接觸力：33kN；

（6）制動(dòng)盤摩擦半徑：305mm；

（7）初始溫度：除磨合試驗(yàn)外，制動(dòng)盤及片的初始溫度應(yīng)在100℃以下。

圖2 輪裝制動(dòng)盤應(yīng)力場(chǎng)變化曲線

5.2 緊急制動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果分析

對(duì)所研制材料制造的高速列車輪裝制動(dòng)盤進(jìn)行1∶1制動(dòng)臺(tái)架試驗(yàn)。試驗(yàn)所得初速度為420km／h緊急制動(dòng)的瞬時(shí)摩擦系數(shù)—速度曲線見圖3，盤面平均溫度曲線見圖4，盤面溫度分布狀態(tài)見圖5。試驗(yàn)結(jié)果表明其瞬時(shí)摩擦系數(shù)比較穩(wěn)定，制動(dòng)盤表面溫度分布比較均勻，盤面最高溫度為643℃，盤面平均溫度為608℃，均低于材料的相變溫度；制動(dòng)盤摩擦面狀態(tài)比較良好，沒有出現(xiàn)熱斑、熱裂紋等不良狀況。

圖3 420km／h速度—瞬時(shí)摩擦系數(shù)曲線

圖4 420km／h輪盤盤面的平均溫度—速度曲線

圖5 初速度為420km／h緊急制動(dòng)時(shí)盤面溫度分布云圖

5.3 疲勞試驗(yàn)及結(jié)果分析

盡管沒有文獻(xiàn)提及制動(dòng)盤的1∶1制動(dòng)動(dòng)力臺(tái)架疲勞試驗(yàn)，但由于制動(dòng)盤需要反復(fù)承受較高的熱疲勞載荷的沖擊，因此認(rèn)為有必要對(duì)所研制的輪裝制動(dòng)盤進(jìn)行1∶1制動(dòng)動(dòng)力臺(tái)架疲勞試驗(yàn)。根據(jù)我國(guó)列車日常運(yùn)用的實(shí)際情況，試驗(yàn)方法定為1次350km／h緊急制動(dòng)試驗(yàn)及10次300km／h最大常用制動(dòng)試驗(yàn)為一個(gè)循環(huán)，進(jìn)行10個(gè)循環(huán)共1 000次制動(dòng)疲勞試驗(yàn)。試驗(yàn)所得瞬時(shí)摩擦系數(shù)曲線及制動(dòng)盤摩擦面平均溫度分別見圖6和圖7，試驗(yàn)結(jié)束后制動(dòng)盤摩擦面狀況見圖8。試驗(yàn)結(jié)果表明其瞬時(shí)摩擦系數(shù)比較穩(wěn)定，輪裝制動(dòng)盤表面溫度分布比較均勻，且制動(dòng)盤摩擦面沒有出現(xiàn)熱斑及灼傷現(xiàn)象，也沒有出現(xiàn)熱裂紋等不良狀況。

圖6 疲勞試驗(yàn)制動(dòng)摩擦系數(shù)—速度曲線

圖7 疲勞試驗(yàn)時(shí)制動(dòng)摩擦系數(shù)—溫度曲線

圖8 試驗(yàn)結(jié)束后制動(dòng)盤面狀態(tài)

6 結(jié) 論

（1）通過對(duì)國(guó)內(nèi)外制動(dòng)盤材料應(yīng)用現(xiàn)狀及鑄鐵、鑄鋼、鍛鋼等常用制動(dòng)盤材料的使用范圍進(jìn)行分析，選擇以低合金鑄鋼材料作為高速列車制動(dòng)盤研制材料，并確定了最優(yōu)的制動(dòng)盤化學(xué)成分。

（2）采用計(jì)算機(jī)技術(shù)所設(shè)計(jì)的輪裝制動(dòng)盤具有循環(huán)對(duì)稱結(jié)構(gòu)，從而使制動(dòng)盤剩余不平衡量達(dá)到最小，這對(duì)于高速列車來說，能夠最大限度地減少對(duì)車軸等相關(guān)部件的損傷。

（3）對(duì)制動(dòng)盤熱容量進(jìn)行了仿真分析，仿真結(jié)果顯示所設(shè)計(jì)的輪裝制動(dòng)盤緊急制動(dòng)時(shí)盤面最高溫度低于材料相變溫度，制動(dòng)盤熱應(yīng)力小于材料的屈服強(qiáng)度，滿足設(shè)計(jì)要求。

（4）1∶1制動(dòng)臺(tái)架試驗(yàn)及1 000次疲勞試驗(yàn)結(jié)果表明所研制的輪裝制動(dòng)盤高速緊急制動(dòng)時(shí)制動(dòng)盤表面溫度分布比較均勻，且盤面狀態(tài)比較良好，沒有出現(xiàn)熱斑、熱裂紋等不良狀況，能夠滿足我國(guó)380km／h新一代高速動(dòng)車組制動(dòng)盤技術(shù)要求。

［1］李和平，林祜亭.高速列車基礎(chǔ)制動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究［J］，中國(guó)鐵道科學(xué)，2003，（2）：8-13.

［2］Alfred Braun.高速列車的制動(dòng)裝置［A］.國(guó)外高速列車譯文集（制動(dòng)技術(shù)專輯二）［C］.鐵道科學(xué)研究院，1996.

［3］Rowson，D.M.The interfacial surface temperature of a disc brake.Wear［J］，1978，47（2）：2 323-2 328.

［4］宋寶韞，高 飛，陳吉光等.高速列車制動(dòng)盤材料的研究進(jìn)展［J］，中國(guó)鐵道科學(xué)，2004，（8）：11-17.

［5］Alfred W.Otto.鐵道機(jī)車車輛制動(dòng)材料的發(fā)展［A］，國(guó)外高速列車譯文集（制動(dòng)技術(shù)專輯二）［C］.鐵道部科學(xué)研究院，1996.

［6］Zenuer T，StojanovP，SahmPR etc.al.Developing trendsin disc brake technology forrail application［J］.Materails Science and Technology，1998，14（9／10）：857-863.