鐵道貨車合成閘瓦國內外標準對比解析

(1. 中國鐵道科學研究院 研究生部, 北京 100081; 2. 中國鐵道科學研究院集團有限公司 金屬及化學研究所, 北京 100081)

目前我國鐵道貨車的制動方式為踏面制動，制動部件主要為高摩擦因數合成閘瓦。合成閘瓦通過緊貼車輪踏面產生摩擦力實現車輛制動，因此摩擦磨損性能是合成閘瓦最重要的性能之一。制動性能關系著鐵道貨車的運行安全，合成閘瓦作為制動力傳遞終端[1]，其質量直接影響著列車的制動性能。我國鐵道貨車合成閘瓦現行標準TB/T 2403-2010《鐵道貨車用合成閘瓦》規定了合成閘瓦的物理力學性能和摩擦磨損性能，該標準自實施以來對國內合成閘瓦質量水平的整體提高起到指導和促進作用。近年來，國產合成閘瓦雖然現場使用效果良好，但認證、抽檢的合格率卻非常低，這就需要在提高合成閘瓦制造技術的同時，進一步完善相關標準和評價方法。通過對比國內外鐵道貨車合成閘瓦標準對合成閘瓦數量、測試程序及要求、摩擦性能及數據處理等方面的要求，以期找到國內外標準關注的側重點和科學原理，為我國標準的完善提供借鑒。

1 國內外標準制定情況

1.1 國內標準

我國于1993年首次制定了鐵道貨車合成閘瓦標準，包括高摩擦因數合成閘瓦標準和低摩擦因數合成閘瓦標準兩部分[2]。其中，TB/T 2403-1993《貨車高摩擦系數合成閘瓦》由鐵科院金化所、機輛所起草，四方車輛研究所歸口，主要起草人為張玉心、汪志洋等；TB/T 2404-1993《鐵道車輛用低摩擦系數合成閘瓦技術條件》由鐵科院金化所、標準所起草，鐵科院標準所歸口，主要起草人為梁志才、汪志洋等。1999年國家對TB/T 2404-1993進行了第一次修訂，非等效采用了國際鐵路聯盟(UIC)發布的UIC 541-4:1990中的理化特性及摩擦性能，并吸收了日本標準JIS E4309-1980中物理、力學性能檢驗項目及具體指標值等。2002年，原鐵道部科技司會同鐵科院金化所、標準所以及有關車輛廠、閘瓦廠、鐵路局等共同制定了運裝貨車[2002]11號文件《鐵路貨車高摩擦系數合成閘瓦技術條件(暫行)》，該文件在TB/T 2403-1993的基礎上參考了美國鐵路協會AAR M 926標準，提高了瞬時摩擦因數和評價摩擦因數的基準值及偏差范圍。2010年由鐵科院金化所、機輛所等單位起草、標準所歸口,將TB/T 2403-1993和運裝貨車[2002] 11號文件合并，形成現行標準TB/T 2403-2010。該標準增加了紅外光譜分析和熱重分析，補充和明確了部分力學性能和摩擦性能的測試條件，刪除了對吸水性和吸油性的要求，主要起草人為王京波、裴頂峰等。

1.2 國外標準

國際鐵路聯盟于1977年發布了鐵道貨車合成閘瓦標準UIC 541-4,已于2010年出版了第4版(最新版)UIC 541-4:2010Brakes-BrakeswithCompositeBrakeBlocks-GeneralConditionsforCertificationofCompositeBrakeBlocks，其中詳細規定了合成閘瓦的特性、驗收條件、試驗程序、現場試驗條件等。目前，包括法國、德國等在內的UIC成員國均在使用該標準。美國鐵路協會(AAR)發布了AAR M-926，對閘瓦制造、認證、年檢等方面提出了明確要求。該標準第一版于1965年制訂，此后每兩年修訂一次，最新版于2006年生效并在2010年出版，即AAR M-926:2006BrakeShoes,HighFrictionCompositionorMetalType。日本發布了JIS E 4309，其中規定了閘瓦的力學性能、摩擦磨損性能、試驗程序等。該標準于1980年頒布并于2001年第3次修訂后沿用至今[2]，即JIS E4309：2001CompositionBrakeShoesforRailwayRollingStock-QualityRequirements。俄羅斯鐵道貨車合成閘瓦采用純橡膠做黏合劑，對摩擦因數要求較低，且不用鋼背加強，這與我國合成閘瓦的配方體系和使用條件差異較大。

由于歐洲鐵道貨車發展側重于高速，美國鐵道貨車發展側重于重載，我國鐵道貨車發展兼顧高速與重載，因此筆者重點將我國標準TB/T 2403-2010與國際標準UIC 541-4: 2010、美國標準AAR M-926: 2006進行了對比分析。由于日本合成閘瓦標準是我國標準的引標，因而不進行比較。

2 標準對比分析

鐵道貨車合成閘瓦標準包括術語、總體要求、使用要求、外觀及尺寸、物理力學性能和摩擦磨損性能等方面。其中，各標準在術語、總體要求、使用要求、外觀及尺寸等方面的要求基本相同，如均規定合成閘瓦不應含有鉛、鋅、石棉等有害成分，不應有氣泡、疏松等缺陷，不應損傷車輪等。在物理力學性能方面，UIC 541-4: 2010和AAR M-926: 2006規定的項點較少，部分僅要求做備案，而TB/T 2403-2010對合成閘瓦提出了全面要求，且規定了各項點上限或下限值。在摩擦磨損性能方面，由于摩擦副作用機理復雜且影響因素較多，因此各標準對該性能的要求差異較大。下面分別從樣品數量、測試程序、數據處理方式和金屬鑲嵌判定方式等方面進行對比分析。

2.1 樣品數量

對于鐵道貨車合成閘瓦的摩擦磨損性能，國內外標準均要求在1∶1試驗臺上進行臺架試驗，但各標準對臺架試驗的樣品數量要求不同，如表1所示。

表1 各標準對臺架試驗樣品數量的要求Tab.1 Requirements for the quantity of samples on bench test in each standard

由表1可以看出：TB/T 2403-2010要求臺架試驗的樣品數量為2塊，1塊用于臺架試驗，1塊備用，在實際認證檢驗過程中進行臺架試驗的樣品的摩擦磨損性能共有9個項點(4個A類、5個B類)，若有1個A類項點不合格或有2個B類項點不合格，則應加倍進行復檢，若復檢仍不合格，則認證失敗；UIC 541-4:2010要求臺架試驗的樣品數量為1塊，僅合格的測試結果適用于其他合成閘瓦，最終由UIC技術委員會判定樣品是否合格;AAR M-926:2006要求臺架試驗的樣品數量為3塊，且3塊均進行臺架試驗，若3塊樣品測試結果的平均值不符合要求，則認證失敗，廠家對試驗結果如有異議，可在30 d內要求復檢。

2.2 測試程序及要求

摩擦因數不是摩擦材料的固有屬性，而是其工程屬性，受到對偶件狀態、載荷、溫度、濕度、潤滑方式等外界因素的綜合影響[3]。因此，測試摩擦磨損性能前應明確對基本測試程序(如1∶1試驗臺的試驗條件和環境)及突發因素(如測試中斷)的要求，確保測試結果具有可重復性。

2.2.1 基本測試程序

各標準對1∶1試驗臺的試驗條件和環境提出了不同要求，如車輪形狀、升壓時間、臺架試驗順序、試驗起始溫度等，具體要求如表2所示。

表2 各標準對基本測試程序的要求Tab.2 Requirements for basic test procedures in each standard

由表2可以看出：TB/T 2403-2010和UIC 541-4:2010使用1∶1的實際車輪進行臺架試驗，AAR M-926:2006的測試車輪為實際車輪鏇修而成的圓柱形車輪，其踏面無傾角，有利于閘瓦與車輪貼合；3個標準的升壓時間均規定達到最大閘瓦推力的95%(或96%)后開始計算制動距離，UIC 541-4:2010明確了不同測試條件下的升壓時間，AAR M-926:2006要求升壓時間不超過5 s，TB/T 2403-2010未要求升壓時間。其中，閘瓦制動推力又分為氣動和液壓，氣動升壓很快，液壓升壓較慢，而升壓時間過長會延長制動距離，導致計算得到的閘瓦摩擦因數偏低。在測試程序方面，TB/T 2403-2010的測試程序較簡單，對測試條件的要求不多，僅要求磨合試驗起始溫度不高于100 ℃，一次制動試驗起始溫度不高于50 ℃；一次制動有5個速度級，按低速→高速→低速的順序進行3次制動共15次試驗(15個試驗結果不平均，未考慮上一速度級對下一次試驗結果的影響)。UIC 541-4:2010的測試程序非常復雜，每塊閘瓦都要在不同推力、軸重、初速度、干濕條件下分別進行制動試驗，且測試條件的控制非常嚴格，除了磨合之外，其他條件下起始溫度的溫差均控制在10 ℃以內。同時，每組試驗的環境條件也在備注中說明，這極大地減小了試驗條件誤差。AAR M-926:2006的測試程序較簡單，與TB/T 2403-2010不同的是，AAR M-926:2006在每個推力下只設置兩個速度級，每個速度級測試3次，3塊閘瓦重復試驗共得到9個數據，為后期的數據處理做準備。

2.2.2 測試過程中的其他要求

合成閘瓦具有高分子基復合材料典型的時間-溫度等效特性，即升高測試溫度與延長觀察時間對分子運動的影響是等效的，因此其摩擦磨損性能同時受測試溫度和恢復時間影響。臺架試驗周期較長，試驗過程中常會因意外導致測試中斷，此后隨著溫度的降低，在熱恢復的過程中，不同配方體系材料的閘瓦熱恢復程度不同，由此造成摩擦性能改變程度不同，并會影響后續測試結果。不同標準對測試中斷節點及時間的要求如表3所示。

表3 各標準對測試中斷節點及持續時間的要求Tab.3 Requirements for interrupt nodes and duration in each standard

由表3可見：TB/T 2403-2010對中斷節點及時間沒有要求；AAR M-926:2006要求測試開始后應不間斷地進行直到測試完成，不應發生可程控的中斷；UIC 541-4:2010對中斷節點及時間的要求最為嚴格，不僅明確規定可以中斷的試驗序號，還要求測試重新開始前應額外重復中斷前的試驗，有時還需記錄、對比兩次試驗結果，以消除材料熱恢復的影響，具有科學性和嚴謹性。

2.3 摩擦性能及數據處理

各標準對摩擦性能規定的內容包括平均摩擦因數及數據處理、摩擦因數允許范圍、摩擦過程的溫升、金屬鑲嵌等方面，下面從這幾方面分別對比3個標準。

2.3.1 平均摩擦因數計算方式及數據處理

TB/T 2403-2010和UIC 541-4:2010均采用瞬時摩擦因數對制動距離積分的方法計算平均摩擦因數。AAR M-926:2006使用低通濾波器以一定頻率采集瞬時摩擦因數后，通過計算瞬時摩擦因數在制動距離上的平均值來計算平均摩擦因數。雖然后者的計算方式與前兩者不同，但原理相同。各標準對平均摩擦因數的數據處理方式如表4所示。

由表4可見:UIC 541-4:2010對平均摩擦因數不進行處理，直接與該因數的允許范圍比較，這是因為該標準在測試過程中嚴格控制了起始溫度、壓力、升壓時間、接觸面積、熱恢復時間、對偶件狀態等試驗條件，減少或消除了偶然誤差及試驗臺固有誤差；AAR M-926:2006通過對同一速度級下的9個數據計算得到算數平均值作為判定依據，這是因為其測試條件較為簡單，未考慮溫度、熱恢復時間等因素的影響，通過取平均值可以減少誤差;TB/T 2403-2010按照低速→高速→低速的順序進行15次制動試驗，未考慮上一個速度級對下一次試驗結果的影響，且對15個平均摩擦因數結果不做處理直接與允許范圍比較，并將這15個數值作為1個A類項點，若某一個數值不在范圍內則該項點不合格，從而判定此次測試不合格。由于該標準規定的測試條件并不嚴格，試驗臺固有誤差以及手動制動產生的初速度誤差和偶然誤差都會影響測試結果，極易造成誤判。

表4 各標準對平均摩擦因數數據處理方式的要求Tab.4 Requirements for data handling method of the average friction coefficient in each standard

2.3.2 摩擦帶數值及寬度

摩擦帶寬度為平均摩擦因數允許范圍(簡稱為摩擦帶數值)的上限與下限的差值，是判定合成閘瓦摩擦性能是否合格的重要依據之一。由于各標準規定的閘瓦推力不同，選取閘瓦推力為20 kN條件下，比較各標準在不同摩擦帶制動初速度(v)下對摩擦帶寬度的要求，見表5。

由表5可知：TB/T 2403-2010中低速和高速下的摩擦帶寬度相差不大。由于其摩擦帶寬度較窄，容易出現因試驗誤差造成個別平均摩擦因數超出允許范圍，從而最終導致測試不合格的情況；UIC 541-4:2010未規定平均摩擦因數允許范圍的具體數值，只通過摩擦帶寬度限制平均摩擦因數，試驗條件較嚴格，試驗重復性較好，摩擦帶在低速下寬而在高速下窄，呈典型的喇叭形，與實際測試過程中瞬時摩擦因數曲線的分布規律相符[4];AAR M-926:2006在重推力(26.8 kN)制動條件下只有兩個較高的制動初速度(95,125 km·h-1),其中，在125 km·h-1下摩擦帶寬度為0.15，在95 km·h-1下的摩擦帶寬度為0.14，摩擦帶較寬。

表5 各標準對摩擦帶制動初速度及寬度的要求Tab.5 Requirements for initial speed of braking and width of friction band in each standard

擦帶較寬。

2.3.3 金屬鑲嵌的判定

車輛在潮濕狀態下制動時合成閘瓦的摩擦因數會降低[5]，且在閘瓦摩擦面上容易出現金屬鑲嵌現象。大的鑲嵌物會使車輪踏面產生犁痕狀、環形溝槽狀等異狀磨耗，嚴重時還會影響車輛的制動性能，因此各標準都制定了金屬鑲嵌的判定規則，如表6所示。

由表6可見：UIC 541-4:2010嚴格規定了不同測試程序下的灑水開始溫度、灑水方式和灑水量，排除了由于人為因素導致合成閘瓦出現金屬鑲嵌的可能性，并對不同時期金屬鑲嵌物的面積做出定量要求；AAR M-926:2006不要求進行灑水試驗，且對金屬鑲嵌沒有定量要求，而美國在2001年修訂的《紐約市地鐵車輛用合成閘瓦技術條件》將AAR M-926列為引用標準的同時，增加了對金屬鑲嵌物的定量規定：“如果鑲嵌物不累積或每塊閘瓦上留存的質量不超過1.0 oz(即28.35 g)，則閘瓦表面出現凹坑是允許的。”UIC 541-4:2010和AAR M-926:2006均允許金屬鑲嵌現象的存在，只是限定了其程度；TB/T 2403-2010中灑水試驗的試驗條件較粗放，對灑水開始溫度、灑水方式均無要求，只限定在不同制動初速度下采用相同灑水量，但對金屬鑲嵌現象的判定很嚴格，規定在試驗過程中產生目測可見的金屬鑲嵌物則判定樣品不合格。

表6 各標準對金屬鑲嵌的判定規則Tab.6 Rules of judgment of metallic inclusions in each standard

目前，行業推廣使用的高摩擦因數合成閘瓦可以滿足制動性能優良、不損害車輪和使用壽命長等要求，但其摩擦因數高、彈性模量低、磨耗量低等特點均導致其更易出現金屬鑲嵌現象，對于金屬鑲嵌程度、鑲嵌物是否有害還需要進一步討論。從摩擦學角度來看，一對摩擦副相互作用必然會產生磨擦磨損，磨屑的去向不是散逸就是轉移[6]，從摩擦副表面脫落的顆粒會轉移到軟質材料表面，成為金屬鑲嵌的來源。因此，合成閘瓦通常會出現不同程度的金屬鑲嵌。有些鑲嵌物面積小、厚度薄，在閘瓦磨耗過程中容易被磨掉，對車輪沒有傷害或傷害很小；有些鑲嵌物在“冷焊”作用下持續長大，使車輪產生異狀磨耗甚至出現制動火花，影響行車安全。有研究者對合成閘瓦產生金屬鑲嵌物的原因進行了探究[7]，認為金屬鑲嵌物的產生主要與非正常制動如手制動機不緩解、抱閘等有關。另外，筆者在昆明鐵路局長期調研發現，合成閘瓦出現金屬鑲嵌現象均由磨耗超限造成閘瓦鋼背與車輪直接接觸所致，由于閘瓦摩擦體自身原因產生金屬鑲嵌的情況目前尚未發現。因此，建議TB/T 2403-2010修訂時參考UIC 541-4:2010標準，固定試驗條件，并對金屬鑲嵌物進行分類判定，允許面積不大、危害不高的金屬鑲嵌物存在。

3 結論

由上述分析可知，UIC 541-4:2010和AAR M-926:2006均有特定的試驗程序和判定準則，其體系已經很成熟，可以很好地指導合成閘瓦的生產和使用，對TB/T 2403-2010的完善具有以下借鑒意義：

(1) 國內外標準的規定不盡相同，實際操作過程中國內標準可以適當借鑒國外標準。

(2) TB/T 2403-2010對測試程序的條件控制不嚴格，僅對起始溫度有要求；UIC 541-4:2010的測試程序更詳細，對起始溫度、制動過程最高溫度、壓力、軸重、風冷速度等試驗條件的控制非常嚴格；AAR M-926:2006對測試程序的控制也不嚴格。建議TB/T 2403-2010修訂時參考與其測試程序較接近的AAR M-926:2006，對同一速度級的數據進行取平均值處理，并作為5個A類項點進行判定。

(3) TB/T 2403-2010對中斷節點和中斷時間未做要求；UIC 541-4:2010對中斷節點和中斷時間要求嚴格。建議TB/T 2403-2010修訂時參考UIC 541-4:2010，明確測試中斷節點和最長中斷時間，不同樣品之間的測試不得交叉進行，以保證試驗的連續性。

(4) TB/T 2403-2010中對灑水試驗的測試條件無要求而金屬鑲嵌判定規則過于嚴格，建議TB/T 2403-2010參考UIC 541-4:2010標準，固定試驗條件，并對金屬鑲嵌物進行分類判定。