機車制動盤的技術現狀及應用研究

摘要：隨著我國經濟飛速發展，我國機車行業也迎來了發展新高峰，本文根據國內外機車制動盤所用材料和整體構造的不同，來對其剎車制動系統進行詳細分析與探究，結合制動盤一般情況下的應力場以及溫度，進一步利用科學方法來計算解析機動車制動盤的合理制動時長和制動過程。說明安裝輪盤制動和軸盤制動的方法與構造形式，并對制動盤的材料、結構、以及閘片之間的關系來進行制動盤的應用研究，探究最合適的機車制動系統，以求促進我國機車行業的發展。

關鍵詞：機車；制動盤；材料；有限元分析。

目前，我國機車剎車制動系統技術先進，一般上有兩種方式，閘瓦制動以及輪盤制動。國內采用的是傳統踏面制動方式，該制動方式踏面磨損快、使用壽命短，嚴重時會讓踏面熱疲勞甚至剝離，引發事故。而輪盤制動就很好地解決了閘瓦制動的以上缺點，考慮到機車車輪兩側安裝有閘片和制動輪盤，在機車即將停車時，使二者產生摩擦，會加快機車減速直至停車，這也是輪盤制動的原理。同時，因為輪盤制動對車輪腳踏面沒有施加作用力，不會對腳踏面產生損耗，而且可以根據制動時長和時速規定而選取最合適的摩擦力，避免產生較大噪音和劇烈抖動[1]。因此，在“高速重載”運輸的快速發展下，機車功率和速度不斷增大和提高，對高速度機車而言，將制動產生的巨大能量在短時間能排散掉，并且達到制動距離的要求，踏面制動方式難以滿足。綜上所述，由于輪盤制動具有閘瓦制動所不具備的種種優點，成為機車制動裝置的最好選擇。但是隨著技術的不斷改進和完善，機車運行速度持續提升，這也對制動系統提出來更高的要求，如何設計科學合理并且經久耐用的輪盤裝置就成為了一個新的問題。

一、機車制動盤結構

目前，我國各機車制動盤裝置廠商所生產的制動輪盤大同小異，利用單片輪盤，在其內側安裝散熱零件，利于制動時快速散熱，在制動輪盤面上安裝卡槽，來連接定位銷和螺栓孔。而這樣設計的原因，正是因為機車的制動裝置輪盤結構必須滿足三個條件，第一連接要十分牢固，避免零件松動而影響剎車，第二是散熱要好，只有及時降低工作溫度，才能在更大程度上預防事故發生。第三是制動輪盤在轉動過程中所受到的摩擦力應盡可能小，避免產生過大的熱應力影響裝置使用。

二、機車制動盤材料

一般情況下，機車制動盤材料的選擇對裝置的質量有很重要的影響，國內外對機車制動輪盤材料的選擇集中在鑄造鐵和鑄造鋼。其中鑄鐵包括合金灰鑄鐵、蠕墨鑄鐵等，另外根據制動能量高低又有中能量制動盤何高能量制動盤之分。

（一）合金灰鑄鐵

合金灰鑄鐵材料在機車制動盤上使用最為廣泛。它的優點主要是優異的導熱性能，而且鑄造工藝相對成熟，缺點主要是熱疲勞抗力。制動性、耐磨性等比較差。導致其達不到高速機車的應用要求。其抗拉強度大于200 Ra/Mpa，硬度在190～240 HBW，金相組成：A型石墨數量≥75%，石墨長度等級≥3級，珠光體含量≥90%。

（二）蠕墨鑄鐵

蠕墨鑄鐵具有球墨鑄鐵和灰鑄鐵的性質，而且有更高的導熱性、力學性能和抗疲勞性能，是較為理想的機車制動盤的制作材料，但是它的鍛造工藝復雜難控。其抗拉強度大于340Ra/Mpa，斷后伸長率大于2%，硬度180～240 HBW，金相組織：蠕化率≥60%，基體組織為鐵素體和珠光體，珠光體含量≥23%。

（三）合金鑄鋼

當前，為了滿足機車高速化、載重化的發展方向，使用更高強度的合金鑄鐵和抗裂性能更優秀的合金鑄鐵才能符合要求。其主要缺點是價格昂貴，鍛造工藝不成熟。其抗拉強度大于1040 Ra/Mpa，規定塑性延伸強度 大于890Rp0.2/Mpa，斷后伸長率大于6%，硬度大于280 HBW，沖擊吸收能量大于25 J，金相組織：索式體。

三、機車制動盤應用分析

如何選擇合適的機車制動輪盤，要從所用材料，制造成本和該裝置的安全穩定性能等多個方面來考慮，因為機車的運行速度和其軸承重量等都不盡相同，使得制動時的情況也千差萬別，所以應當根據機車的情況選擇合適的制動輪盤。機車制動是通過制動系統讓機車減速進而停止的過程，該過程會產生大量的熱能，導致機車制動盤溫度急劇升高，促使其產生熱應力，會使制動盤斷裂和損壞。因此，研究機車制動盤的因溫度而產生的應力成為機車制動盤應用研究的首要問題。

（一）實驗法

我們在機車制動過程中，使用紅外熱像儀設備對機車制動過程中的三種不同材料制作的制動盤盤面溫度進行測量，總結得出制動盤的溫度場特點：制動盤盤面的溫度梯度是從細窄的帶狀發展成二維的平面狀，進而變成三維的球狀；制動盤盤面的溫度開始快速上升緊接著急速下降再緩慢地下降[2]。

（二）數值模擬法

為了對機車制動片進行有限元數據分析，首先要建立制動盤的三維構造模型，并且將其中不重要的部分結構細節簡單化處理，再選擇合適的模型建立軟件。在本次試驗過程中，我們選擇 ANSYS 有限元分析軟件，在軟件中分別設置材料的相關屬性，獲取制動盤的有限元計算模型。在不同條件下對機車制動盤進行了測試。得到實驗數據后，使用ANSYS在不同的條件下依次對三種不同材料制作的制動盤進行熱機耦合有限元分析。通過對試驗結果的分析我們可以得到，對于制作材質和軸承重量不同的機車制動盤，機車制動過程中制動盤溫度隨時間變化數據，應力隨時間變化數據[1]。

四、結論

隨著機車高速化，對制動盤的要求越來越高，根據實驗結果分析，設計機車制動盤要從材料、構造考慮。為了使制動輪盤能更加安全穩定，在輪盤使用過程中，對于制作材料的選擇應注意其安全系數不得低于1.5。根據實驗數據可以看出，合金灰鑄鐵作為輪盤的制造原材料依然有許多不足之處，用該材料制成的制動輪盤抵抗拉力強度不高，安全系數也低于標準范圍。而蠕墨鑄鐵制成的輪盤其抵抗拉力強度就可以達到標準，安全系數并未超標。但是最優異的材料是合金鑄鋼，因為其制成的機車制動輪盤在任何條件下，安全系數都保持在1.5以上，具有非常好的安全穩定性。

參考文獻：

[1]杜利清，黃彪，方明剛，金文偉.機車制動盤的技術現狀及應用分析.鐵道機車車輛，2016年6月第36卷第3期.

[2]齊斌.高速機車制動盤及其優化設計.機車電傳動，2015年7月第4期.

作者簡介：王志偉（1984），男，畢業于石家莊鐵道大學，助理工程師，研究方向：機械制造及自動化。