高寒動車組粉末冶金閘片研制

■ 李繼山 李和平 韓曉輝 焦標(biāo)強(qiáng) 呂寶佳 顧磊磊 宋躍超 陳德峰

高寒動車組粉末冶金閘片研制

■ 李繼山 李和平 韓曉輝 焦標(biāo)強(qiáng) 呂寶佳 顧磊磊 宋躍超 陳德峰

針對冬季冰雪天氣CRH380B型高寒動車組制動盤易發(fā) 生劃傷的實(shí)際情況，對制動盤異常劃傷原因進(jìn)行研究，優(yōu)化閘片結(jié)構(gòu)，設(shè)計出適用于冬季的大 間隙粉末冶金閘片。干燥及冰雪工況的1∶1制動動力試驗(yàn)結(jié)果顯示，新研制閘片瞬時摩擦系 數(shù)平穩(wěn)、平均摩擦系數(shù)符合既有 車輛要求，與其對偶的制動盤摩擦面狀態(tài)良好；裝有 大間隙粉末冶金閘片的整車緊 急制動試驗(yàn)結(jié)果顯 示，制動初速度200 km/h 純空氣緊急制動距離為1 525 m，小于2 000 m評價指標(biāo)要求，制動初速度300 km/h純空氣緊急制動距離為3 711 m，小于3 800 m評價指標(biāo)要求；正線載客運(yùn)營結(jié)果表明，大間隙粉末冶金閘片對改善高寒地區(qū)冬季動車組運(yùn)營中出現(xiàn)的制動盤異常劃傷問題有較好的效果。

高寒動車組；粉末冶金閘片；制動盤

0 引言

2012年12月，哈大高速鐵路開通，開創(chuàng)世界鐵路在高寒地區(qū)營運(yùn)的新時代。哈大高鐵全長904 km，是世界上第一條在高寒地區(qū)建設(shè)的設(shè)計時速350 km高速鐵路，CRH380B型高速列車設(shè)計最高時速為350 km，實(shí)際持續(xù)運(yùn)營的最高時速為300 km，也是世界上速度最快的高寒列車。哈大高鐵開通伊始，CRH380B型高寒動車組運(yùn)營平穩(wěn)、各項(xiàng)性能指標(biāo)優(yōu)異。隨著哈大線普降暴雪，環(huán)境溫度降至-30 ℃以下，動車組基礎(chǔ)制動問題開始暴露（見圖1—圖3）。尤其是制動盤異常磨耗現(xiàn)象較為嚴(yán)重。截至2013年1月3日，已造成超過100例制動盤異常磨耗案例，制動盤摩擦面劃傷溝槽深度輕則1 mm，重則7 mm（見圖4）。圖5為配對閘片摩擦面狀況。上述現(xiàn)象對列車運(yùn)營造成了一定影響，同時嚴(yán)寒冰雪條件下制動盤異常磨耗現(xiàn)象已嚴(yán)重影響了運(yùn)營單位對動車組的正常維護(hù)工作，增加了運(yùn)營維護(hù)成本。

總結(jié)過去運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)，對此次哈大高鐵CRH380B型高寒動車組出現(xiàn)制動盤嚴(yán)重劃傷和金屬熔融物現(xiàn)象進(jìn)行分析后認(rèn)為，制動盤嚴(yán)重劃傷誘因?yàn)閲?yán)寒冰雪環(huán)境，主要原因?yàn)橥饨缬操|(zhì)顆粒異物夾在制動盤和閘片摩擦面之間引起制動盤劃傷。列車在運(yùn)行過程中，閘片與制動盤相互摩擦，路基中砂粒或外來硬質(zhì)異物混合在冰雪中，并包裹在閘片和制動夾鉗上不易排出。硬質(zhì)異物磨削制動盤，產(chǎn)生金屬磨屑或切削出金屬絲。金屬磨屑或金屬絲與制動盤相比，熱容量小得多，制動時這些小塊金屬溫度比制動盤溫度高很多，冬季寒冷天氣時其冷卻速度比制動盤快很多，因而硬度比制動盤高，制動摩擦?xí)r就容易從較軟的制動盤向較硬的小塊金屬轉(zhuǎn)移。如果遇到下雪天氣，產(chǎn)生的金屬磨屑被冰雪包裹不能及時脫落或金屬磨屑與其他雜物一起卡在閘片孔縫內(nèi)，持續(xù)上述過程，就會加重磨削制動盤，磨削物在閘片表面生成金屬鑲嵌。

圖1 軸盤及夾鉗單元被冰雪包裹

圖2 輪盤及夾鉗單元被冰雪包裹

圖3 制動盤與閘片之間的金屬熔融物

圖4 制動盤異常磨耗情況

圖5 閘片摩擦面上的金屬熔融物

圖6 高寒粉末冶金閘片結(jié)構(gòu)

可見，嚴(yán)寒冰雪天氣是動車組制動盤異常劃傷現(xiàn)象的誘因，而外界硬質(zhì)顆粒異物夾在制動盤和閘片摩擦面之間不能脫落引起制動盤劃痕，由此產(chǎn)生的金屬切削物持續(xù)磨削制動盤表面并導(dǎo)致金屬在閘片表面堆積，進(jìn)而造成對制動盤摩擦表面的異常劃傷。因此，要解決嚴(yán)寒冰雪天氣環(huán)境下制動盤異常劃傷現(xiàn)象，必須對與其配對使用的閘片進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。

1 高寒粉末冶金閘片結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)對原車閘片各摩擦塊之間間隙小導(dǎo)致冰雪不易脫落現(xiàn)象的分析，首先對高寒粉末冶金閘片進(jìn)行表面設(shè)計，如果要使冰雪、磨屑等夾雜物順暢排出，必須加大各摩擦塊之間的間隙。圖6所示為研制的高寒粉末冶金閘片結(jié)構(gòu)，通過加大閘片各摩擦塊之間的間隙，使間隙連續(xù)、流暢，避免出現(xiàn)死角。

2 粉末冶金閘片材料方案

應(yīng)用于動車組上的粉末冶金閘片必須能夠保證摩擦表面不發(fā)生黏結(jié)、具有穩(wěn)定的摩擦系數(shù)值和必需的耐磨性。因此在設(shè)計動車組粉末冶金閘片材料成分時，應(yīng)綜合考慮摩擦特性、閘片磨耗和壽命，以及對制動盤的磨耗等各項(xiàng)性能[1-2]。

（1）選擇合理金屬基體組元，保證閘片有較高的熱綜合性能。對于高寒動車組較大負(fù)荷條件下工作的粉末冶金閘片，金屬基體要有足夠高的熔點(diǎn)、耐熱強(qiáng)度、熱穩(wěn)定性及在工作溫度范圍內(nèi)高的塑性變形抗力。根據(jù)以往運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)，用銅合金為金屬基體，可以保證摩擦材料高的導(dǎo)熱性，同時適當(dāng)加入鐵元素，保證高寒動車組粉末冶金閘片的耐磨性。金屬基體中加入比熱系數(shù)較大的鉬、釩、錳等合金元素，以提高材料比熱容，能夠適應(yīng)高速制動時所釋放的大量制動能量[3]。

（2）調(diào)節(jié)黏結(jié)程度組元，促使摩擦平穩(wěn)、減小表面磨損。在閘片中加入多元硫化物復(fù)合，使摩擦?xí)r生成高溫潤滑膜，減小或完全消除黏結(jié)和卡滯，促使摩擦平穩(wěn)、減小表面磨損，進(jìn)而較好地保證高寒動車組粉末冶金閘片在高寒冰雪環(huán)境下的摩擦磨損性能不會有較大降低。

（3）調(diào)節(jié)機(jī)械相互作用大小的組元，以保護(hù)制動盤不受傷害。調(diào)節(jié)機(jī)械相互作用組元的作用在于補(bǔ)償固體潤滑劑的影響及在不損害摩擦表面的前提下增加滑動阻力，能夠大大降低粉末冶金閘片對制動盤異常傷害的概率。

由于高寒動車組粉末冶金閘片主要運(yùn)用在高寒環(huán)境中，而閘片中的鐵元素與制動盤中的鐵元素具有較強(qiáng)的親和性，因此在保證粉末冶金閘片摩擦磨損性能基礎(chǔ)上，適當(dāng)減少閘片材料中鐵元素的含量而增加銅元素的含量。此外，同時加入最佳數(shù)量的固體添加劑，將會對制動盤和閘片摩擦副在高寒天氣環(huán)境中的工作特性起到良好的作用。

3 1∶1制動動力臺架試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)條件確定

根據(jù)CRH380B型高寒動車組運(yùn)營環(huán)境氣候條件、運(yùn)行速度、軸重、減速度等基本技術(shù)條件[4]及UIC 541-3：2010[5]相關(guān)規(guī)定，對高寒動車組粉末冶金閘片的1∶1制動動力臺架試驗(yàn)參數(shù)確定如下：最高試驗(yàn)速度300 km/h；軸重16 t；試驗(yàn)初始溫度60 ℃、-30 ℃；模擬環(huán)境條件為干燥、暴雨、冰雪；制動狀態(tài)為緊急制動、常用制動。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果

不同速度等級在干燥工況純空氣條件下粉末冶金閘片瞬時摩擦系數(shù)見圖7；初速度為300 km/h連續(xù)2次純空氣緊急制動瞬時摩擦系數(shù)見圖8；300 km/h連續(xù)2次緊急制動第二次制動過程中不同時刻溫度云圖見圖9；模擬冰雪環(huán)境試驗(yàn)見圖10；粉末冶金閘片及其對偶制動盤試驗(yàn)結(jié)束后的摩擦面情況見圖11、圖12。從上述試驗(yàn)結(jié)果可以看出，新開發(fā)的高寒動車組粉末冶金閘片在緊急制動過程中瞬時摩擦系數(shù)平穩(wěn)，平均摩擦系數(shù)均在0．35～0．42，比較一致；緊急制動過程中制動盤摩擦面溫度場分布比較均勻；模擬冰雪環(huán)境及干燥工況試驗(yàn)過程中，制動盤和閘片表面狀態(tài)良好，沒有熱斑、裂紋及掉塊現(xiàn)象。

3.3 線路試驗(yàn)驗(yàn)證

圖7 不同速度等級純空氣緊急制動瞬時摩擦系數(shù)曲線

為了進(jìn)一步驗(yàn)證CRH380B型高寒動車組整列安裝新型閘片的動態(tài)摩擦性能是否滿足制動距離要求，在線路上進(jìn)行了純空氣緊急制動距離試驗(yàn)。

3.3.1 試驗(yàn)條件

試驗(yàn)對象：CRH380B-6248全列換裝新研制的粉末冶金閘片；

試驗(yàn)地點(diǎn)：哈大高鐵大連北—遼陽站區(qū)間；線路情況：近似平直道；

制動類型：純空氣緊急制動；

試驗(yàn)評定：制動初速度200 km/h時緊急制動距離≤2 000 m，制動初速度300 km/h時緊急制動距離≤3 800 m。

3.3.2 試驗(yàn)結(jié)果

線路試驗(yàn)結(jié)果見表1。可見，制動初速度200 km/h純空氣緊急制動平均制動距離為1 525 m，小于2 000 m評價指標(biāo)要求；制動初速度 300 km/h純空氣緊急制動平均制動距離為3 711 m，小于3 800 m評價指標(biāo)要求。

3.3.3 批量運(yùn)用情況

自2013年冬季開始在哈大高鐵運(yùn)營的CRH380B型高寒動車組裝車以來，已有3 000余片批量運(yùn)用，運(yùn)用時間超過2年，運(yùn)營里程超過120萬km，期間經(jīng)歷了東北地區(qū)2個冬季和夏季。批量裝車后正線載客試運(yùn)營結(jié)果表明，所研制的閘片對改善高寒地區(qū)冬季動車組運(yùn)營中出現(xiàn)的制動盤異常劃傷問題有較好的效果。

圖8 干燥工況下300 km/h制動瞬時摩擦系數(shù)曲線

圖9 300 km/h連續(xù)2次緊急制動第二次制動過程中不同時刻溫度云圖

圖10 模擬低溫冰雪試驗(yàn)

圖11 試驗(yàn)結(jié)束后對偶閘片摩擦面情況

圖12 試驗(yàn)結(jié)束后對偶制動盤摩擦面情況

表1 線路試驗(yàn)數(shù)據(jù)

4 結(jié)論

（1）分析既有CRH380B型高寒動車組在極端冰雪天氣制動盤異常劃傷的主要原因是嚴(yán)寒冰雪天氣環(huán)境下外界硬質(zhì)顆粒異物夾在制動盤和閘片摩擦面之間不能脫落引起制動盤劃痕。

（2）根據(jù)表面設(shè)計相關(guān)原理，通過加大閘片各摩擦塊間的間隙，設(shè)計了適用于冬季環(huán)境下高速動車組大間隙粉末冶金閘片。

（3）1∶1制動動力臺架試驗(yàn)結(jié)果顯示：新研制的粉末冶金閘片在緊急制動過程中，瞬時摩擦系數(shù)平穩(wěn)、平均摩擦系數(shù)符合CRH380B型高寒動車組制動系統(tǒng)技術(shù)條件要求。

（4）線路試驗(yàn)結(jié)果表明：適用于高寒動車組的粉末冶金閘片滿足線路制動距離要求。

（5）批量裝車2年并超過120萬km的冬季和夏季正線載客試運(yùn)營結(jié)果表明：該閘片對改善高寒地區(qū)冬季動車組運(yùn)營中出現(xiàn)的制動盤異常劃傷問題有較好的效果。

[1] Raison J．Les Materiaux De Freinage[J]．Revue Generales Des Chemins De Fer，1991(7-8)：27-36．

[2] 高飛，宋寶韞，符蓉．時速300 km高速列車銅基粒子強(qiáng)化閘片的研究[J]．中國鐵道科學(xué)，2007，28(3)：62-67．

[3] 李繼山，胡萬華，焦標(biāo)強(qiáng)．動車組粉末冶金閘片[J]．中國鐵道科學(xué)，2009(3)：141-144．

[4] 喬峰，李和平，楊偉君，等．高寒型動車組制動系統(tǒng)[J]．鐵道機(jī)車車輛，2011，31(5)：108-110．

[5] UIC 541-3：2010 制動裝置—盤形制動裝置及其應(yīng)用閘片許可的一般規(guī)定[S]．

李繼山：中國鐵道科學(xué)研究院機(jī)車車輛研究所/北京縱橫機(jī)電技術(shù)開發(fā)公司，副研究員，北京，100081/ 100094

李和平：中國鐵道科學(xué)研究院機(jī)車車輛研究所/北京縱橫機(jī)電技術(shù)開發(fā)公司，研究員，北京，100081/ 100094

韓曉輝：中國鐵道科學(xué)研究院機(jī)車車輛研究所/北京縱橫機(jī)電技術(shù)開發(fā)公司，研究員，北京，100081/ 100094

焦標(biāo)強(qiáng)：中國鐵道科學(xué)研究院機(jī)車車輛研究所/北京縱橫機(jī)電技術(shù)開發(fā)公司，副研究員，北京，100081/ 100094

呂寶佳：中國鐵道科學(xué)研究院機(jī)車車輛研究所/北京縱橫機(jī)電技術(shù)開發(fā)公司，助理研究員，北京，100081/ 100094

顧磊磊：中國鐵道科學(xué)研究院機(jī)車車輛研究所/北京縱橫機(jī)電技術(shù)開發(fā)公司，助理研究員，北京，100081/ 100094

宋躍超：北京縱橫機(jī)電技術(shù)開發(fā)公司，工程師，北京，100094

陳德峰：北京縱橫機(jī)電技術(shù)開發(fā)公司，工程師，北京，100094

責(zé)任編輯 高紅義

U266.2

A

1672-061X（2015）02-0095-04

科技部科技支撐計劃項(xiàng)目（2009BAG12A05）；中國鐵路總公司科技研究開發(fā)計劃項(xiàng)目（2013J008-B）；中國鐵道科學(xué)研究院科技研究開發(fā)計劃項(xiàng)目（2013YJ022）。

所獲獎項(xiàng)：2014年度中國鐵道科學(xué)研究院科學(xué)技術(shù)獎一等獎。