高速動力車制動盤設(shè)計研究

于海航　魏宏圖

摘要：對于高速動力車來說，其制動盤的設(shè)計具有非常重要的作用，作為高速動車最重要的組成部分之一，其設(shè)計材料的選擇對列車的正常制動性能具有直接的影響。在當(dāng)前我國的高速動力車制動盤設(shè)計中，對制動盤的材料選擇具有非常嚴(yán)格的要求，從而提高列車運行過程中的安全性。在本文中，對當(dāng)前高速動力車的制動盤設(shè)計進行了簡單分析，并對制動盤的未來發(fā)展材料選擇等進行了簡單的分析。

關(guān)鍵詞：制動盤；制動閘片；材料

隨著高速動力車的性能逐漸提高，其在人們?nèi)粘Ｉ钪械膽?yīng)用也在逐漸增多，而為了保證高速列車的制動安全，國際鐵路對高速動力車的制動性能進行了嚴(yán)格的規(guī)定，其必須要在制動失效的情況下能夠通過有效的機械摩擦來實現(xiàn)高速列車在規(guī)定的制動距離內(nèi)通過有效的摩擦實現(xiàn)停車，這樣才能保證高速動力車運行的安全性。為此，如何提高高速動力車的制動性能是當(dāng)前國內(nèi)外鐵路建設(shè)單位需要重點解決的問題。在本文中，對當(dāng)前高速動力車中的制動盤設(shè)計進行了簡單的分析，同時提出了其在動力車應(yīng)用中的重要作用。

1基礎(chǔ)制動裝置的組成內(nèi)容及其結(jié)構(gòu)設(shè)計

對于高速動力車，其基礎(chǔ)的制動系統(tǒng)主要有制動盤和制動盤閘片等構(gòu)成，這些組成結(jié)構(gòu)的綜合作用使得其能夠保證高速動車的制動效果。在高速動車運行的過程中，由于其會受到轉(zhuǎn)向架下部空間結(jié)構(gòu)限制，因此，在進行制動的過程中需要空氣制動缸和停車用的儲能制動缸等各部分之間協(xié)作一致才能實現(xiàn)高速動車的制動效果。對于制動缸，大部分是安裝在制定橫梁的下部，然后將制動杠桿安裝在驅(qū)動制動橫梁上，這樣能夠保證制動盤和制動閘片等保持正確的運行情況。

在制動裝置的外空心軸位置上，其還存在著兩個不通風(fēng)的耐熱合金鍛鋼制動盤，這一制動盤采用的是粉末冶金閘片制作而成，其能夠應(yīng)對當(dāng)前的大部分惡劣環(huán)境，且由于其導(dǎo)熱性能較好，能夠?qū)⒏咚賱恿囍苿舆^程中產(chǎn)生的大量熱量進行快速的傳遞，從而保證高速動力車的正常運行。此外，為了保證摩擦制動過程中不會出現(xiàn)脫軌等問題，需要通過微機處理系統(tǒng)對列車進行防滑保護。對于整個基礎(chǔ)制動裝置，其是高速動力車驅(qū)動控制系統(tǒng)的重要組成部分，為了減少高速動力車的驅(qū)動系統(tǒng)重量，需要通過改變基礎(chǔ)制動系統(tǒng)的重量來降低轉(zhuǎn)向架的重量，這對運行速度非常快的高速動力車來說具有非常重要的意義，能夠減少高速動力車在運行過程中的摩擦力。

2制動盤材料和結(jié)構(gòu)的設(shè)計

對于高速動力車，其在進行高速制動時，產(chǎn)生的能量是非常大的，若不能通過將這些能量進行快速的轉(zhuǎn)移，往往會使得制動盤受到較大的能量沖擊，從而造成制動盤的損傷，影響制動盤的使用壽命。一般情況下，對于重量在60t左右的高速動力車，其運行速度達到270km/h時，若將所有制動產(chǎn)生的能量全部承接在-制動盤上，制動盤承受的能量大約為1.7×10焦耳能量，這些能量能夠?qū)χ苿颖P的性能產(chǎn)生嚴(yán)重的影響。

為了保證制動盤的正常運行，一般情況下需要將這些能量進行快速傳遞，保證制動盤使用性能，降低高速動力車的制動盤維護費用。

隨著高速動力車制動盤技術(shù)的發(fā)展，其單純的盤形結(jié)構(gòu)設(shè)計已經(jīng)不再能夠滿足其使用需求，為了能夠更好地保證高速動力車運行過程中的制動效果，當(dāng)前各國正在研究使用復(fù)合制動模式，這種制動方法是將微機處理系統(tǒng)添加到制動系統(tǒng)中，通過計算機對制動盤以及電氣動力制動等進行控制，通過多種制動結(jié)果的協(xié)作工作來實現(xiàn)高速動力車的制動性能，在這一制動模式中，最主要的是電氣動力制動系統(tǒng)，其起著主導(dǎo)作用。

隨著高速動力車的性能逐漸提高，制動盤的應(yīng)用也在逐漸增加，而制動盤的材料設(shè)計一直是制動盤發(fā)展的關(guān)鍵性技術(shù)，像日本的高速動力車，其制動盤的材料更新速度非常快，其制動性能不斷提升。像在東海道新干線中，其制動盤采用的是Ni Cr-Mo合金材料制成，這種材料具有非常好的抗熱裂性能在使用的過程中能夠很好地避免因制動盤能量傳遞速度較快而導(dǎo)致制動盤能量累積而產(chǎn)生的高熱情況，保證制動盤的使用性能，這一材料設(shè)計是將一些合金元素添加到正常使用的普通制動盤中。通過大量的實踐得知，這種新型的制動盤材料在使用時能夠降低制動過程中造成的磨損，但其使用壽命一直是影響這一新型制動盤使用的主要問題，為了能夠解決這一問題，如何降低材料成本是主要的研究內(nèi)容，但由于并沒有找到新型的耐熱材料。這一問題一直沒有得到有效解決。而伴隨著高速動力車的速度不斷提升，改善制動盤的使用性能是當(dāng)前各國高速動力車發(fā)展中需要重點解決的問題。在當(dāng)前，一些發(fā)達國家正在研究將一些碳纖維等融入到制動盤中，以提高制動盤的使用性能，像美國F1飛機中的制動盤材料，其選擇的材料是具有質(zhì)量輕和耐熱性能較好等特點，具有較好的發(fā)展前景。而在最近，德國已經(jīng)研制出了具有高性能的陶瓷鋁合金制動盤，這一材料的應(yīng)用大大減少了制動盤本身的重量，增加了制動盤的使用壽命，這是由于該種材料中含有一些陶瓷顆粒，其在使用的過程中能夠很好地預(yù)防由于鋁材熱穩(wěn)定性不足造成制動盤使用性能問題，從而提高制動盤的彈性極限等。此外，陶瓷本身在硬度和耐磨性等方面具有較好的效果，目前，這種材料已經(jīng)被廣泛應(yīng)用在德國的各種高速動力車中，并取得了非常好的效果。通過實踐研究得知，這一材料的應(yīng)用使得高速動力車在運行過程中的制動盤能夠承載更多的機械負(fù)荷和熱能負(fù)荷，保證高速動力車的正常制動功能。

隨著世界各國對高速列車的制動盤研究不斷深入，都逐漸從傳統(tǒng)的制動盤材料中脫離出來，各種新型材料的研發(fā)和應(yīng)用使得高速動力車的制動性能不斷提升，制動盤的使用壽命以及穩(wěn)定性也在逐漸提高。在我國的高速動力車制動盤設(shè)計中，其借鑒德國高速動力車制動盤的材料性能等研究出了耐熱合金鍛鋼，而為了保證制動盤使用過程中不會出現(xiàn)溫度過高問題，在制動盤內(nèi)還添加了一條冷卻風(fēng)道，這樣能夠有效地減少制動過程中的熱量積累。對于我國當(dāng)前的高速動力車制動系統(tǒng)設(shè)計，其采用的是640mm直徑的制動盤，在高速動力車運行的過程中，其能夠?qū)Ξa(chǎn)生的熱量進行全部吸收，然后通過冷卻風(fēng)道等將其中的44%的熱量消散掉，摩擦面中存儲的熱量僅有13.4%，對于這種制動模式，其在高速動力車的速度達到250km/h時，冷卻風(fēng)道的作用卻會受到較大的影響，為了降低這些損失，發(fā)達國家研究出了應(yīng)對的整體鍛鋼制動盤，其重量大幅度減小，而我國首次應(yīng)用在高速動力車上的卻是不通風(fēng)的合金鍛鋼制動盤，

3制動閘片材料和結(jié)構(gòu)設(shè)計

對于制動閘片，其主要分為三種，即鑄鐵閘片和合成閘片等，各種閘片的使用時間和性能等之間存在著較大的差異，像鑄鐵制動閘片，其具有耐用和成本低等優(yōu)點，但其在高速動力車中的使用性能大大降低，像摩擦系數(shù)下降和磨損嚴(yán)重等。而合成閘片是由多種材料的粘合制成，這種材料的使用性能相對較高，且其在使用的過程中還能夠通過調(diào)整不同材料之間的配比實現(xiàn)性能的改善，提高制動閘片的使用壽命。對于當(dāng)前各國的制動閘片材料，其大部分采用的是粉末冶金閘片，這種閘片是通過壓力將金屬粉末進行壓縮，然后通過高溫煅燒使其成為一個整體，這種煅燒工藝能夠增強材料的耐熱裂性能，從而保證制動閘片的摩擦和耐磨性能。

4結(jié)語

綜上所述，隨著高速動力車的發(fā)展，其制動盤作為重要的組成部分，對高速動力車的正常運行具有非常重要的影響，特別是制動盤的熱傳導(dǎo)性能以及抗磨損等能力的提升，能夠大幅度增強制動盤的使用壽命，保證高速動力車的正常運行。