潮濕工況影響高速動車組制動摩擦性能試驗研究*

陳澍軍，王東星，秦佳穎，劉中華，陳 磊，李繼山

（1 中國北車集團 唐山軌道客車有限責任公司，河北唐山063035；2 中國鐵道科學研究院 機車車輛研究所，北京100081）

潮濕工況影響高速動車組制動摩擦性能試驗研究*

陳澍軍1，王東星1，秦佳穎1，劉中華1，陳 磊1，李繼山2

（1 中國北車集團 唐山軌道客車有限責任公司，河北唐山063035；2 中國鐵道科學研究院 機車車輛研究所，北京100081）

高速動車組制動摩擦副的摩擦因數在雨天或濕潤的環境下存在衰退的問題，直接影響到軌道車輛的運行安全。隨著我國廣泛開行速度超過300 km/h的動車組，潮濕工況下制動盤的性能研究越來越受到人們的重視?，F首先采用1∶1制動動力試驗臺對高速動車組制動盤潮濕工況下的摩擦性能進行了測試研究，比較了干燥和濕潤兩類工況下制動盤摩擦性能的異同。潮濕工況對制動盤的摩擦性能的影響較為復雜：潮濕工況下平均摩擦系數存在著明顯的下降且波動更加明顯；制動壓力對于平均摩擦系數的影響有限，但在較高制動初速度和潮濕工況下，較低的制動壓力卻可以有較高的平均摩擦系數。最后分析了潮濕工況的各種影響因素，并提出了潮濕工況下制動系統的控制策略。

制動盤；平均摩擦系數；潮濕工況；摩擦性能

隨著列車運行速度的不斷提高，對基礎制動裝置以及制動材料提出了更加苛刻的需求。粉末冶金摩擦材料由于其平均摩擦系數高，耐磨性好而被廣泛運用于高速列車［1］。在高速動車組施加制動時，常因環境條件的不同，表現出不同的性能，如線路條件改變，輪軌黏著條件變化，或者在有雨、雪的天氣行車，表現出不同的制動性能。由于摩擦磨損性能不是材料的內在屬性，而與摩擦條件密切相關［2］。而現有高速制動盤的研究和試驗大都在干燥工況下進行研究，因此有必要研究潮濕工況下制動盤摩擦副的摩擦性能，進而能夠評估動車組在雨、雪、濃霧等潮濕環境下制動性能。

以高速動車組用制動盤和粉末冶金閘片構成的摩擦副為研究對象，在1∶1制動動力試驗臺上測試了在不同摩擦壓力分別在干燥、濕潤工況下，材料的平均摩擦系數和制動盤溫度的變化情況。通過試驗數據結合理論分析，找出摩擦性能變化的原因，可為高速動車組在雨、雪等潮濕天氣的制動控制研究提供試驗依據。

1 試驗臺和試驗方法

試驗在中國鐵道科學研究院的試驗臺進行，該試驗臺可以進行最高試驗速度為550 km/h的1∶1動力試驗，可以根據軸重的不同，調節軸重和負載，能夠模擬風、雨雪、冰凍、潮濕等各種工況，能夠采集到溫度、加速度、平均摩擦系數、噪聲等各種參數［3］。試驗樣件采用與高速動車組現車一致的制動盤和閘片，試驗樣件和試驗設備見圖1。

依據UIC 541－3，并根據我國高速動車組運營技術條件編制了高速制動盤潮濕工況試驗大綱，其中潮濕工況的噴水條件與UIC 541－3保持一致，灑水量為25 dm3/h。由于UIC 541－3中對動車組的制動閘片潮濕工況摩擦性能試驗測試只在50～200 km/h的試驗速度范圍有規定，對于超過200 km/h的試驗速度沒有具體要求。因此現行標準對于運營速度超過300 km/h的高速動車組用制動盤潮濕工況下摩擦性能沒有專門規定，本次試驗評價標準僅參考了UIC 541－3中有關潮濕工況摩擦性能的要求但不做強制要求，屬研究性探索性試驗。

試驗首先進行了輪盤的制動試驗，軸重負載為7.9 t，與現車一致。試驗首先按照UIC 541－3的要求，對制動盤和閘片進行了磨合。磨合完成后，分別進行了3個不同制動壓力下，制動初速度為50，80，120，160，200，250，280，300，320，350，380 km/h等11個不同等級的摩擦性能試驗。并根據實車控制方式，對于200 km/h以上的制動試驗采用壓力分級制動方式，分級制動壓力分別為最大常用制動壓力17/28 k N、緊急制動壓力21/35 k N、常用制動9/18 k N（速度高時采用較低壓力），即當制動盤速度減速至200 km/h時，制動壓力切換至較高的壓力。試驗采用了對比研究，分別研究了干燥工況、噴水工況和濕潤工況（噴水試驗后進行的試驗）3輪共計105次試驗。

圖1 高速制動盤潮濕工況摩擦試驗部件和試驗設備

軸盤試驗與輪盤試驗的區別在于其軸重負載為5 t，與現車一致。試驗測試制動初速度與輪盤一致，不同之處在于分級壓力切換點為300 km/h，分級制動壓力分別為最大常用制動壓力19/24 k N、緊急制動壓力24/30 k N、常用制動15/18 k N，壓力轉換意義與輪盤相同。同樣進行了干燥工況、噴水工況和濕潤工況3輪共計105次試驗。

3種工況中，噴水工況和濕潤工況均可認為是潮濕工況，能夠對制動盤暴露在雨水、冰雪周圍以及濕熱潮濕天氣等實際環境工況進行反應。試驗記錄了制動過程中的平均摩擦系數和瞬時溫度，在試驗報告中提供了單次試驗的平均摩擦系數和最高溫度，以下將對上述試驗數據進行分析。

2 試驗結果和討論

2.1 平均摩擦系數的影響分析

圖2所示為不同工況下，平均摩擦系數隨制動初速度的變化。

由圖2（a）可以看到，干燥工況下，平均摩擦系數在不同制動壓力下，隨著制動初速度增加的變化趨勢較為一致，呈現出先下降后增加再下降的“S”形變化，平均摩擦系數存在較大的波動，但均在0.35±15%的變化范圍之內；不同制動壓力對平均摩擦系數的影響有限，平均摩擦系數對制動壓力的變化不敏感，試驗結果顯示較高的制動壓力不一定獲得較高的平均摩擦系數。制動摩擦副在較高初速下制動時，這種現象更加明顯。這可能是因為在制動初速度較高時，制動壓力增大，則導致制動盤溫升較快，材料高溫下軟化，力學性能下降，綜合以上分析可知，較高初速制動時，居中的制動壓力可以獲得較為理想的平均摩擦系數。

圖2（b）所示，噴水工況下，制動摩擦副的平均摩擦系數波動較大，已經超出了0.35±15%的變化范圍；制動壓力較小時，平均摩擦系數的波動較劇烈；隨著制動初速度增加的變化呈現出先下降后增加的變化趨勢，即在中低速區域100～200 km/h，測得平均摩擦系數較低，僅能滿足UIC 541－3規定的潮濕工況下，平均摩擦系數≥0.25的最低要求。在超過250 km/h的高速區域，最大常用制動和緊急制動的平均摩擦系數較為接近，輪盤摩擦副的常用制動壓力測得平均摩擦系數波動下降嚴重，而軸盤摩擦副測得摩擦系數較高。

圖2（c）所示，可以認為經歷過噴水試驗后，潮濕環境下，平均摩擦系數隨著制動初速的變化趨勢與干燥工況下一致，區別在于，較低的制動壓力和較高的制動壓力獲得平均摩擦系數的差異性更加明顯，且較低的制動壓力獲得較高的平均摩擦系數。

綜合圖2，可以看出，無論輪盤還是軸盤摩擦副，在壓力分級的制動初速時（輪盤200 km/h，軸盤300 km/h，圖中虛線標志），平均摩擦系數波動不明顯，進一步說明了制動壓力對平均摩擦系數的影響有限。

圖2 不同工況和制動壓力下，平均摩擦系數隨制動初速度的變化

為了進一步說明潮濕工況對制動盤摩擦副平均摩擦系數的影響，分析對比同一種制動壓力下，干燥工況、噴水工況和濕潤工況平均摩擦系數的變化，如圖3所示。圖3（a）和（b）所示，輪盤和軸盤均在緊急制動壓力和最大常用制動壓力下的平均摩擦系數的變化。可以明顯看出，平均摩擦系數的波動趨勢類似但差異明顯，干燥工況下在各種制動初速度下的平均摩擦系數最高，其次是濕潤工況；噴水工況時制動盤的摩擦系數明顯下降，特別是在中速區域（100～200 km/h），下降最為明顯；在高速區域（≥300 km/h），干燥工況下平均摩擦系數最為理想，噴水工況和濕潤工況獲得平均摩擦系數較低，且比較接近。這可能是因為在高速區域，制動盤迅速升溫，噴水工況噴灑的水很快蒸發消失；濕潤工況時，制動盤摩擦副中的水分也容易蒸干，此時兩者在相同的制動壓力下，獲得了較為一致的平均摩擦系數。

在制動壓力較小時，如圖3（c）所示，干燥工況和濕潤工況所得到的平均摩擦系數變化趨勢一致，且數值較為接近，特別是輪盤摩擦副；噴水工況則波動較大，其中輪盤摩擦副平均摩擦系數呈下降上升再下降的“N”形變化趨勢，且兩次下降均低于干燥工況的平均摩擦系數的下限；軸盤摩擦副的平均摩擦系數變化呈下降后，有持續上升的趨勢，在較低制動初速度（100～200 km/h）時，平均摩擦系數較低，低于干燥工況的平均摩擦系數的下限。

綜合以上分析，可以得出以下結論：

（1）該型高速動車組制動盤摩擦副的平均摩擦系數對制動壓力不敏感，但受環境因素影響較大；

（2）在中低速區（100～200 km/h）的平均摩擦系數無論何種工況和制動壓力下均較低；

（3）潮濕工況下（含噴水工況和濕潤工況）的平均摩擦系數偏小，在制動盤表面噴水時，平均摩擦系數的衰退嚴重，特別是在中低速區，平均摩擦系數降低到可以接受的下限。制動盤摩擦副的制動性能下降較為明顯，且不穩定性增大，可能出現影響制動系統安全的問題。

（4）在低速時，因制動時間短，潮濕工況和干燥工況的區分不明顯；在高速時，由于制動盤溫度上升，潮濕工況對制動盤的影響有限。

上述試驗可以說明該型制動盤和閘片的開發為了適合高速動車組的使用工況專門做了優化，在干燥工況和濕潤工況均能夠保證良好的摩擦性能。

圖3 不同工況下，相同制動壓力，平均摩擦系數隨制動初速度的變化

2.2 制動摩擦副溫度變化的影響分析

為了研究潮濕工況下制動盤溫度的變化，評估在該工況下的制動盤的耐熱疲勞能力，針對不同速度下、不同制動壓力和工況下的制動盤最高溫度進行對比分析。

圖4 不同工況和不同制動壓力下，制動盤溫度隨制動初速度的變化

圖4是不同工況和不同制動壓力下，溫度隨制動初速的變化曲線?？梢钥闯?，無論何種工況，隨著制動初速的上升，制動盤的溫度與制動初速大致呈線性上升關系；制動壓力較大，制動盤溫度也較高。在較低制動初速時無論何種工況制動盤的溫升較為接近；在壓力分級位置，其中輪盤在壓力變化之后，制動盤溫度隨制動壓力不同的區分較為明顯；在制動初速較高時，溫度差異性拉大，低約100～200℃，詳見圖4（a）～（c）輪盤溫度變化；而軸盤由于壓力分級點速度較高，即使出現壓力變動，也未觀察到明顯的變化。在中高速的范圍內，噴水工況下制動盤溫度波動較大，詳見圖4（b），說明在此速度等級范圍內，制動盤溫度變化較為復雜。

圖5 相同制動壓力，不同工況下，制動盤溫度隨制動初速度的變化

不同制動工況對制動盤溫升影響有所不同，如圖5所示。圖5試驗曲線表明，干燥和濕潤工況表現出來的制動盤溫度變化趨勢和大小基本一致，說明浸過水或潮濕的環境對于制動盤摩擦副制動過程溫升影響有限；而噴水工況下的制動盤溫度明顯偏低，特別是在中低速區間，溫度差異更加明顯，說明噴水能夠顯著降低制動盤摩擦面的溫度，同時波動加大，如圖5（b）軸盤所示，可能是因為平均摩擦系數波動，導致發熱溫度波動。

綜合以上試驗分析，可以得出以下結論：

（1）該型制動盤摩擦副的溫度變化與制動壓力、制動初速度近似線性關系；

（2）壓力分級點不會對溫度的變化有較大的影響，說明制動初速度是影響溫度的主要因素；

（3）噴水工況能夠顯著降低制動盤表面溫度，并在中低速時（100～200 km/h）的制動盤溫度變化較為復雜。

綜合以上分析，潮濕工況對于高速動車組制動盤摩擦副的溫度變化影響不大，甚至是有利于制動盤的冷卻和降溫降低制動盤的熱裂紋傾向。然而對于制動盤摩擦副的平均摩擦系數影響較大，特別是噴水工況下的平均摩擦系數下降較為嚴重，此時試驗中觀測到制動減速度下降嚴重，導致制動距離變長。因此在雨、雪等潮濕天氣，在中低速運營速度時，隨著輪軌黏著下降，制動盤摩擦系數也會下降且不穩定，極易發生打滑現象，有發生安全問題隱患。

3 結 論

對高速動車組制動摩擦副潮濕工況的摩擦性能進行了測試，通過對試驗結果分析。得出以下結論：

（1）該型高速動車組制動盤摩擦副的平均摩擦系數對制動壓力不敏感，但受環境因素影響較大，在中低速區（100～200 km/h）的平均摩擦系數無論何種工況和制動壓力下均較低。

（2）制動盤摩擦副的溫度變化與制動壓力、制動初速度近似線性關系，制動初速度是影響溫度的主要因素。

（3）潮濕工況下，制動盤摩擦性能下降，特別是在噴水的工況下，平均摩擦系數衰退嚴重，特別是在中低速區，平均摩擦系數降低到可以接受的下限，且不穩定性增大，此時可能出現影響制動系統安全問題。

（4）潮濕工況下，制動盤溫度降低，特別是噴水工況下能夠顯著降低制動盤表面溫度，并在中低速時（100～200 km/h）制動盤溫度變化較為復雜。

（5）噴水工況主要是通過水的冷卻作用和動力潤滑作用影響制動盤摩擦副的制動性能，并在制動盤中低速區間能夠發揮作用，在低速和高速階段對制動盤的影響較小。

根據對高速動車組潮濕工況下制動盤摩擦副摩擦性能的試驗研究，在雨、雪等潮濕天氣，以及冰雪天氣，高速動車組施加制動時，盡可能地施加最大常用制動而不施加緊急制動，可能產生更好的制動效果。

［1］ 周繼承，黃伯云.列車制動摩擦材料的進展［J］.材料科學與工程，1999，17（2）：91-93.

［2］ 溫詩鑄，黃 平.摩擦學原理［M］.北京：清華大學出版社，2008.

［3］ 丁福焰，李和平，焦標強，等.高速動車組盤形制動裝置的性能試驗方法［J］.鐵道機車車輛，2011，31（5）：148-150.

［4］ 李繼山，李和平，丁福焰.1∶1動力制動試驗臺原理及應用［J］.鐵道機車車輛，2013，33（3）：18-20.

［5］ 高 飛，牟 超，宋寶韞，等.銅復合材料干濕潤條件下的摩擦學行為［J］.復合材料學報.2010，27（1）：80-83.

［6］ 王仁廣，劉昭度，馬岳峰，等.環境濕度和噴水對制動器材料摩擦性能影響分析［J］.農機化研究，2006，（7）：199-200，204.

Test Study on Wet Conditions Affecting Frictional Performance of Brake Disc for High Speed EMU

CHEN Shujun1，WANG Dongxing1，QIN Jiaying1，LIU Zhonghua1，CHEN Lei1，LI Jishan2
（1 CNR Tangshan Railway Vehicle Co.，Ltd.，Tangshan 063035 Hebei，China；2 Locomotive＆Car Research Institute，China Academy of Railway Science，Beijing 100081，China）

The reduction in the friction coefficient for frictional brake disc of high speed EMU applications in a rainy and humidly environment is considered as a serious problem as it affects the safety of the railway vehicle.However，relevant research should be more and more attention through there is a lot of high speed EMU which speed over 300 km/h.The change of friction properties under different work conditions was tested through dynamometer tester，and the similarities and differences between wet and dry friction mode were companied.It is shown that water has a complex effect on the properties of friction materials，as a kind of cooling medium and lubricant.The causes of friction performance change at different conditions and friction layer function and the braking system control strategy were also presented.

brake disc；friction coefficient；wet condition；frictional performance

U266.2

A

10.3969/j.issn.1008－7842.2014.04.03

1008－7842（2014）04－0014－06

鐵道部科技研究開發計劃（2012J003－C）；唐車公司研究開發項目（2013TCY022）

0—）男，工程師（

2014－01－01）