廣州地鐵3號線車輛制動盤與閘片國產化研究

侯品楊

（廣州市地下鐵道總公司，廣東廣州510380）

廣州地鐵3號線車輛制動盤與閘片國產化研究

侯品楊

（廣州市地下鐵道總公司，廣東廣州510380）

通過優化結構設計，選用蠕墨鑄鐵及復合材料，研制出適用于廣州地鐵3號線車輛的制動盤和閘片。經過臺架試驗、裝車試驗及運營驗證，國產制動盤和閘片制動摩擦性能滿足120 km/h地鐵車輛運用要求。

120 km/h；地鐵車輛；制動盤；制動閘片；國產化研究

1　制動盤和閘片結構設計

1.1制動盤結構設計

輪裝制動盤采用環形整體式和分體設計，輪對外側設計使用整體式，內側安裝分體式制動盤，實現制動盤損壞更換不需要拆卸輪對。

制動盤環的外側為摩擦面，內側設有多個寬度相等的條形散熱筋，且沿徑向均勻分布，在散熱筋之間形成徑向的氣流通道。同時制動盤環的內側還設有鑄造凸臺、螺栓凸臺、對中定位臺，散熱筋、鑄造凸臺、螺栓凸臺和對中定位臺，這些結構分別在整個制動盤環的內側循環對稱分布，使制動盤的摩擦面受熱均勻，加快制動盤內側冷卻風的流動速度，提高制動時的冷卻效果，進而減少熱裂紋的產生；另外這種循環對稱結構可減小制動盤剩余不平衡量。

制動盤內側設置6個鍵槽，沿圓周方法每隔60°角設計一個，通過定位銷用于制動盤對中定位及傳遞制動力矩，摩擦環使用12顆徑向排列的螺栓緊固，分體式制動盤，摩擦環設計兩個半環，通過面齒型嚙合連接，分體盤連接齒形槽處的間隙需嚴格控制，保證接合面處的縫隙均勻分布，半環連接處通過螺桿螺母緊固，見圖1。

圖1　制動盤示意圖

1.2制動閘片結構設計

閘片參照UIC 541-3合成閘片通用結構設計，分為左右兩片，呈對稱結構。兩片閘片面積為400 cm2，厚度24 m m，長度和寬度分部為400 m m和140 m m，表面設計散熱排屑槽，背部設計鋼片，與閘片壓裝為一體，尺寸與制動夾鉗燕尾槽實現間隙配合，見圖2。

圖2　制動閘片結構示意圖

2　制動盤與閘片材料選型

2.1制動盤

取140 μL PBS緩沖液（pH 8.0），20 μL藥用植物供試品溶液，15 μL 0.28 U/mL的AChE溶液在微孔里混合，震蕩混勻10 min，4 ℃培養20 min，依次加入10 μL DTNB溶液、10 μL ATCI溶液開始反應，震蕩混勻10 min。37 ℃培養20 min后，405 nm下測量吸光度（A）值。數據分為4組，分別為實驗組、陽性控制組（毒扁豆堿溶液代替供試品溶液），空白組（pH 8.0 PBS緩沖液代替供試品溶液），實驗控制組（pH 8.0 PBS緩沖液代替AChE溶液）。抑制率（I）通過公式計算，所用樣品平行進行3次，取平均值[7-9]。

地鐵車輛制動能力的發揮，主要取決于制動盤承受制動熱負荷的能力。制動盤磨耗的快慢、制動盤形成裂紋與裂紋擴展的速度都與制動盤的溫升有關。在高溫狀態下，制動盤的金相組織、力學性能、制動摩擦性能都有變化。溫升越高，制動盤出現裂紋的速度也越快。對于制動盤的主要設計依據是制動盤的溫度及熱應力，兩者對制動盤熱裂的出現直接產生影響。因此，在制動盤材料選型中摩擦材料應當能承受頻繁的熱變化，即能抗熱疲勞，同時制動盤還應具有相當高的導熱性、熱容量和盡可能小的線脹系數。

進口制動盤材料采用灰鑄鐵，由于工藝上的原因，鑄鐵件的鑄造缺陷難以避免，高溫性能比較差。國產制動盤材料選用要求在高溫工況仍有良好的耐熱疲勞性，即在較高制動功作用下，不允許出現破壞性裂紋。為進一步改善組織結構，提高材料的強度和韌性，國產制動盤材料選用蠕墨鑄鐵，澆注時加入了Cu、M o、Ni、Ti等合金元素，其金相組織中石墨呈蠕蟲狀均勻分布，基體組織為珠光體+鐵素體，熱疲勞性能、抗熱裂性能較好，并且高溫下的熱疲勞性能優于球鐵。

2.2制動閘片

地鐵閘片摩擦塊多數采用有機合成材料。該材料由多組份黏合劑、混雜纖維及特殊填料制成的無石棉高摩擦系數合成閘片。制造地鐵合成閘片的關鍵材料是高分子基體，其性能的好壞直接影響到地鐵合成閘片的各種性能。一般的地鐵合成閘片是由聚合物作為基體粘結其他顆粒或者纖維增強材料，聚合物基復合材料有優越的常溫性能，但在摩擦制動的高溫高速條件下，即便采用耐高溫的高性能樹脂，聚合物材料的耐高溫性能始終不能滿足要求。

為適應120 km/h高速制動閘片在瞬時摩擦系數、制動曲線、耐磨性、導熱性和制動距離等方面的要求，國產制動閘片在配方和材料上進行了深入的研究，改進現有材料性能和引入先進復合材料，特別是纖維增強復合材料以及高分子基體的酚醛樹脂與橡膠的配比、酚醛樹脂的選擇、耐熱補強纖維、填料體系等，最終確定了國產合成閘片的材料和配方。

3　國產制動盤與閘片試制及主要技術參數

為提高鑄造質量，制動盤生產過程中使用了金屬模具鑄造，同時采用樹脂沙機器造型工藝，保證制動盤非加工面的表面粗糙度及散熱筋的完整，提高透氣性。根據制動盤的結構特點，采用封閉式澆注系統，在模具的內部設置環型橫澆道及若干個放射狀內澆道。澆注過程中加入蠕化劑、鈦鐵合金及硅鐵合金，對制動盤進行蠕化處理。為提高鑄件基體組織的珠光體含量，提高強度及硬度，對制動盤進行正火處理。制動盤主要技術參數見表1。

制動閘片采用有機合成摩擦材料生產工藝，原材料經過還原和干燥處理在混料機中混合均勻，壓制成形，并經固化處理。制動閘片的幾何、物理力學性能參數見表2。

按照裝車要求，國產制動盤和閘片的接口尺寸要與原裝車輛保持一致，其主要技術參數也要滿足廣州地鐵3號線車輛制動系統基本技術條件。制動盤和閘片樣品，見圖3、圖4。

表1　國產制動盤主要技術參數

表2　閘片幾何、物理力學性能試驗參數

圖3　國產制動盤產品樣圖

圖4　制動閘片樣品圖

4　1∶1制動動力試驗

國產制動盤與閘片配對的摩擦制動性能能否滿足120 km/h地鐵車輛的制動要求，必須通過1∶1制動動力試驗臺進行驗證試驗。制動動力試驗在鐵道部產品質量監督檢驗中心機車車輛檢驗站的1∶1制動動力試驗臺上進行，分別進行了磨合試驗、一次停車制動試驗、常用制動試驗、坡道連續制動試驗和靜摩擦試驗。試驗時應記錄操作序號、制動初速度、閘片壓力、實制動時間、實制動距離、摩擦因數、閘片磨耗量、制動盤摩擦面的初始溫度和制動過程中制動盤的最高溫度。同時，記錄試驗過程中制動盤摩擦面和閘片有無熱斑或熱斑程度，有無裂紋、剝離凹陷、粘結劑滲出、金屬鑲嵌等缺陷，并記錄噪聲、煙塵、氣味等情況。

臺架試驗數據表明：在各個試驗工況下國產制動盤和閘片摩擦性能穩定；初始速度120 km/h時緊急制動距離均小于427 m；120 km/h的常用制動減速度≥1.07 m/s2；模擬運營試驗數據，最高溫度為261℃；平均靜摩擦系數接近0.5。試驗結束后制動盤與閘片無任何熱斑、裂紋、劃傷及金屬鑲嵌等制動盤損傷現象，1∶1制動試驗后制動盤和閘片的狀況見圖5。

圖5　國產制動盤與閘片試驗后狀況

為了更好掌握國產制動盤和閘片與進口件性能差別，進口制動盤和閘片也以相同的試驗程序在試驗臺上進行了試驗。對比試驗數據如圖6所示，國產制動盤和閘片，摩擦系數曲線平穩，無論是國產化整體制動盤還是國產化分體盤與國產化閘片相配的摩擦副進行試驗的摩擦系數與國外同類產品相近。

圖6　平均摩擦系統對比

5　裝車試驗及運營可靠性驗證

國產制動盤和閘片通過1∶1制動動力臺架試驗，具備了裝車試驗條件。作為替代進口件而研發的國產制動盤與閘片必須通過裝車試驗來驗證摩擦性能與制動系統的匹配性，并且摩擦性能必須滿足列車的運營安全距離要求。裝車試驗完成后，車輛投入運營檢驗制動盤和閘片的可靠性，并統計制動盤和閘片的磨損情況。其中裝車試驗包括：制動初速度分別為40，60，80，120 km/h等級的緊急制動距離和最大常用制動（純空氣）制動距離測試以及列車自動駕駛停車對標精度試驗。

5.1裝車制動距離測試

制動距離是車輛性能的關鍵參數之一，也是車輛制動性能的具體表現。緊急制動距離為純摩擦制動，其中初始速度120 km/h的緊急制動距離是車輛的安全距離，必須滿足。常用制動（純空氣制動）是在切除電制動的條件進行的，驗證電制動失效情況下，空氣制動是否滿足常規制動的要求。制動距離測試一般要求在平直干燥軌道上進行測試，如果沒有符合條件的試驗軌道，選用正線區間坡度較小的軌道進行測試，測試數據可依據E N 13452標準制動距離公式進行修正。

國產制動盤和閘片選用了廣州地鐵3號線029030車作為試驗車，測試記錄制動初速度分別為40，60，80，120 km/h等級的緊急制動距離和最大常用制動（純空氣）制動距離，試驗數據見表3。試驗數據表明，各個速度等級下制動距離均滿足車輛制動系統的技術要求，初始速度120 km/h的緊急制動距離≤427 m，滿足車輛制動安全性能要求。

5.2列車自動駕駛（A T O）停車對標精度試驗

地鐵線路區間短，停站次數多，車站安裝了屏蔽門，列車進站停車要保證車門與屏蔽門對中，及時疏導乘客。因此，列車自動駕駛對停車精度要求較高，A T O停車對標精度檢驗了制動系統低速摩擦性能，對標精度越高，說明摩擦制動與A T O曲線越吻合。A T O對標精度試驗，要求列車停站時測量車門門頁中間點與屏蔽門門頁中間點位置偏差，精度標準為±30 cm。此項測試在廣州地鐵3號線天河客運站至番禺廣場站上下行16個車站開展，試驗結果表明，安裝了國產制動盤和閘片的車輛A T O停車對標精度滿足運營要求，平均負偏差為-8 m m，正偏差為+4 m m，最大偏差為-20 cm。各站對標精度數據統計見圖7。

5.3運營可靠性驗證及磨耗統計

國產制動盤和閘片制動距離和正線對標精度滿足要求后，列車投入正線載客運營服務，運營考核不少于6個月，運營里程不少于10萬km。每月定期車輛并記錄制動盤和閘片厚度，檢查制動盤、閘片狀況，跟蹤統計制動盤和閘片的磨耗情況。廣州地鐵3號線車輛全為動車，采用架控制動控制，制動力實施平均分配，磨耗統計試驗中，A車第一轉向架保留進口制動盤及閘片，便于與國產件比較。2930車運營9個月，運用里程14萬 km，磨耗對比數據見表4。

表3　制動距離測試數據

圖7　對標精度數據統計

表4　制動盤磨耗率對比　（mm·（萬km）-1）

通過磨耗統計和比較分析，國產制動盤磨耗率僅為進口件的20%，國產閘片磨耗率為進口閘片的62.4%。國產制動盤和閘片磨耗率均優于進口制動盤和閘片磨耗率。運營跟蹤期間，制動盤和閘片安全可靠，沒有發生裂紋和熱斑等不良現象。

6　結束語

國產制動盤結構設計充分考慮運用維護方便，設計了分體式制動盤。制動盤材料選用蠕墨鑄鐵，制動閘片加入高性能復合材料，提高了制動盤和閘片的性能。研究試驗表明，國產制動盤和閘片摩擦性能穩定，安裝了國產制動盤和閘片的列車制動距離符合列車制動技術參數要求，A T O停車精度符合運營載客條件。運營考核過程中制動盤和閘片沒有產生裂紋和熱斑等不良現象，磨耗率優于進口產品，國產制動盤和閘片完全滿足廣州地鐵3號線車輛制動系統性能要求。

［1］ 巫紅波.盤形裝置在廣州地鐵車輛上的應用［J］.鐵道機車車輛，2010，30（5）：57-60.

［2］ 錢坤才.高速動車組用制動盤研究［J］.鐵道車輛，2009，47（4）：18-21.

Research for Home-made Train Brake Disc and Pad of Guangzhou Metro Line 3

H O U Pinyang
（Guangzhou M etro Corporation，Guangzhou 510380 Guangdong，China）

By Structure design optimization and using vermicular castiron，ho me-made train brake disc and pad of Guangzhou metro line 3 are developed.Through test and verification，the brake friction performance of ho me-made brake disc and pad fully meet the requirement of 120 km/h metro vehicles.

120 km/h；metro train；brake disc；brake pad；ho me-made research

U239.5

A

10.3969/j.issn.1008-7842.2015.05.20

1008-7842（2015）05-0087-04

侯品楊（1982—）男，工程師（2015-05-14）