不同摩擦副在MM3000型試驗機和TM-3型臺架機上的對比試驗研究

陳飛雄 顏君毅 劉毅 王鐵軍

摘要：在MM3000型試驗機和TM-3型臺架機上，在0.40-0.50MP制動壓力、80-200km/h制動速度下，對比了不同摩擦副干態工況條件的平均摩擦系數與磨損量。結果表明：克諾爾銅基摩擦材料配對鋼制動盤的摩擦副在MM3000試驗機上的摩擦系數高于在TM-3臺架機上的摩擦系數。相反，克諾爾銅基摩擦材料和金屬陶瓷摩擦材料配對碳陶制動盤的摩擦副在MM3000試驗機上的摩擦系數都低于在TM-3臺架機上的摩擦系數。另外，不論是MM3000試驗機，還是TM-3臺架機，克諾爾銅基摩擦材料配對碳陶制動盤時的磨損量最大，克諾爾銅基摩擦材料配對鋼制動盤時的磨損量居中，金屬陶瓷摩擦材料配對碳陶制動盤時的磨損量最小。

Abstract： On MM3000 and TM-3 testing machines， the average friction coefficient and wear amount of different friction pairs under dry condition were compared under 0.40-0.50MPa brake pressure and 80-200km/h brake speed. The results show that the friction coefficient of the friction pair composed of the steel brake disc matched with the Knorr copper based friction material on MM3000 testing machine is higher than that on TM-3 testing machine. On the contrary， the friction coefficient of the friction pair composed of the carbon ceramic brake disc matched witch the Knorr copper base friction material or the cermet friction material on MM3000 testing machine is lower than that on TM-3 testing machine. In addition， whether it is MM3000 testing machine or TM-3 testing machine， the wear amount of knorr copper-based friction material matched with carbon ceramic brake disc is the largest， that of knorr copper-based friction material matched with steel brake disc is the middle， and that of cermet friction material matched with carbon ceramic brake disc is the smallest.

關鍵詞：摩擦副;擦系數;磨損量;MM3000試驗機;TM-3臺架機

Key words： friction pair;friction coefficient;wear amount;MM3000 testing machine;TM-3 testing machine

0? 引言

近十年來，我國軌道交通，特別是高鐵獲得快速發展，己建成全球規模最大的高鐵網，擁有世界運營速度最快的時速350公里的“復興號”中國標準動車組高鐵。基礎制動摩擦幅做為高鐵的核心技術和關鍵零部件，關乎高鐵的運行安全和成本，對助推高鐵發展起到積極推動作用。在摩擦副研制開發中，摩擦制動試驗檢測裝備和技木起到關鍵保障作用。西安順通機電應用技術研究所（簡稱“機電所”）作為我國軌道交通領域摩擦制動試驗檢測裝備的專業設計和生產單位，近年來不僅為軌道交通行業提供了專業的摩擦制動試驗檢測裝備，助推了我國制動閘片、制動盤的國產化，而且還積極對外開放自己的摩擦制動試驗檢測平臺，幫助企業、高校、院所研制開發高鐵摩擦幅產品。本文依托機電所開放的檢測平臺，在MM3000型摩擦試驗機上開展了不同摩擦副的材料工藝選型試驗（圖1），在TM-3型1：3臺架摩擦試驗臺上開展了不同摩擦副產品工藝試驗（圖2），對不同摩擦副的對比試驗結果進行了總結分析。

1? 試驗方法

1.1 摩擦副結構設計

根據1：1臺架試驗規范，按照單位面積吸收功（J/cm2）、摩擦半徑線速度（km/h）、單位閘片面積上的承載力（MPa）相等的原則來模擬計算，確定MM3000型摩擦試驗機、TM-3型1：3摩擦試驗臺架機的摩擦副結構設計。

用于MM3000試驗機的摩擦副由制動盤與三塊120O對稱分布的摩擦塊配對而成。見圖3。制動盤直徑160mm，摩擦塊摩擦面尺寸20*15mm。

用于TM-3臺架機的摩擦副由制動盤與兩側閘片配對而成。見圖4。制動盤直徑500mm，兩側閘片各含6塊閘片，閘片摩擦面為帶直徑12mm中心孔的邊長27mm等邊六邊形面。

1.2 摩擦制動試驗

MM3000試驗機的有效摩擦半徑32mm，有效摩擦面積900mm2，制動慣量0.85kg·m2。先在100km/h制動速度、0.50MPa制動壓力下進行磨合，保證摩擦副貼合面積達到80%以上。然后，按0.50MPa制動壓力，分別在80、120、160、200km/h等制動速度下進行干態工況下的制動試驗各10次、測試不同制動速度下的平均摩擦系數和整個磨合和制動試驗完成后的摩擦塊平均單片磨損量（以磨損高度計）。

TM-3臺架機的有效摩擦半徑165mm，有效摩擦面積9228mm2，制動慣量170kg·m2。先在120km/h制動速度、0.50MPa制動壓力下進行磨合，保證摩擦副貼合面積達到80%以上。然后按表1程序進行干態工況的制動試驗。測得80、120、160、200km/h等制動速度下的平均摩擦系數，及整個磨合和制動試驗完成后的閘片總磨損量（以磨損重量計）。

1.3 摩擦副材料

MM3000試驗機、TM-3臺架機用摩擦副見表2。制動盤有30CrMo鋼、碳陶復合材料兩種。配對制動盤的摩擦副對偶有進口克諾爾銅基摩擦材料和金屬陶瓷摩擦材料兩種。

2? 試驗結果與討論

2.1 MM3000試驗機的摩擦系數與磨損量

從表3可知，在MM3000試驗中，在0.5MPa制動壓力、80-200km/h制動速度的干態工況制動條件下，克諾爾銅基摩擦塊/鋼制動盤摩擦副的平均摩擦系數最低，為0.411-0.440，波動幅度小，為0.029。制動盤由鋼材料換成碳陶材料后，克諾爾銅基摩擦塊/碳陶制動盤摩擦副的平均摩擦系數整體上升，為0.462-00.482，波動幅度也小，為0.020。摩擦塊由克諾爾銅基材料換成金屬陶瓷材料，制動盤由鋼材料換成碳陶材料后，金屬陶瓷摩擦塊/碳陶制動盤摩擦副的平均摩擦系數也整體上升，為0.404-0.521，波動幅度有較大增加，為0.117。進一步由圖5可以看出，克諾爾銅基摩擦塊/鋼制動盤摩擦副的摩擦系數隨制動速度的變化平穩，呈先下降后上升的趨勢，拐點出現在120km/h的0.411。克諾爾銅基摩擦塊/碳陶制動盤摩擦副的摩擦系數隨制動速度的變化也平穩，但呈先上升而下降的趨勢，拐點出現在160km/h的0.482。而金屬陶瓷摩擦塊/碳陶制動盤摩擦副的摩擦系數隨制動速度的變化幅度大，整體呈線性下降趨勢，從80km/h的0.521降至200km/h的0.404。另外，從表3可知，克諾爾銅基摩擦塊配對鋼制動盤時，摩擦塊平均磨損高度為1.1mm。克諾爾銅基摩擦塊配對碳陶制動盤時，摩擦塊平均磨損高度增加，為1.5mm。金屬陶瓷摩擦塊配對碳陶制動盤時，摩擦塊平均磨損高度減少，為0.6mm。

克諾爾銅基摩擦塊配對鋼制動盤的摩擦學匹配性好，摩擦塊的磨損量適中。當制動盤換成碳陶材料時，由于碳陶材料是不同于鋼材料的一種碳纖維增強碳基、碳化硅基的摩擦復合材料[1]，材料中的碳化硅陶瓷增加了耐磨性、同時也提高了摩擦系數，而碳基、碳纖維又能起到減摩作用，綜合作用的結果使得克諾爾銅基摩擦塊配對碳陶制動盤仍有較好的摩擦學匹配性，但摩擦系數整體有所提高，摩擦塊的磨損高度也有所增加。當制動盤、摩擦塊分別都換成碳陶材料、金屬陶瓷材料后，由于金屬陶瓷材料是不同于克諾爾銅基材料的一種以陶瓷為主體相，以金屬為強化相的粉末冶金摩擦材料[2]，材料中的主體陶瓷相提高了材料硬度和耐磨性，因此也改變了材料的摩擦磨損性能，使得金屬陶瓷摩擦塊配對碳陶制動盤的摩擦副也具備了一定的摩擦學匹配性，摩擦塊的磨損高度明顯減小，說明耐磨性改善了。但摩擦系數隨制動速度的變化幅度也增大了。

圖6-圖8為不同摩擦副的摩擦表面形貌。可見，克諾爾銅基摩擦塊配對鋼制動盤、碳陶制動盤時，摩擦副表面都比較光滑，制動盤磨損不明顯。見圖6、圖7。相對而言，金屬陶瓷摩擦塊配對碳陶制動時，摩擦副表面更光滑，制動盤與摩擦塊的相互保護性很好。見圖8。這說明，摩擦副在制動時，摩擦表面沒有出現明顯的磨粒磨損和粘著磨損，因而制動也較平穩，沒有出現嘯叫和火花，說明摩擦塊與制動盤的摩擦學適配性較好。

2.2 TM-3臺架機的摩擦系數與磨損量

從表4可知，在TM-3臺架機試驗中，在0.4MPa制動壓力、80-200km/h制動速度的干態工況制動條件下，克諾爾銅基閘片/鋼制動盤摩擦副的平均摩擦系數最低，為0.376-0.388，波動幅度很小，為0.012。制動盤由鋼材料換成碳陶材料后，克諾爾銅基閘片/碳陶制動盤摩擦副的平均摩擦系數整體上升明顯，為0.557-00.629，波動幅度也加大，為0.072。閘片由克諾爾銅基材料換成金屬陶瓷材料，制動盤由鋼材料換成碳陶材料后，金屬陶瓷閘片/碳陶制動盤摩擦副的平均摩擦系數也整體上升，但上升程度小于克諾爾銅基閘片/碳陶制動盤摩擦副，為0.514-0.560，波動幅度也增加，但也小于克諾爾銅基閘片/碳陶制動盤摩擦副，為0.046。進一步由圖9可以看出，克諾爾銅基閘片/鋼制動盤摩擦副的摩擦系數隨制動速度的變化很平穩，但與MM3000試驗機上克諾爾銅基摩擦塊/鋼制動盤摩擦副一樣，仍能看出摩擦系數先降后升的趨勢，拐點出現在120km/h的0.376。克諾爾銅基閘片/碳陶制動盤摩擦副的摩擦系數隨制動速度的變化也是表現出與MM3000試驗機上克諾爾銅基摩擦塊/碳陶制動盤摩擦副完全相同的特征，呈先上升而下降的趨勢，拐點出現在160km/h的0.620。而金屬陶瓷閘片/碳陶制動盤摩擦副的摩擦系數隨制動速度的變化則表現出與MM3000試驗機上金屬陶瓷摩擦塊/碳陶制動盤摩擦副完全相反的特征，整體呈線性上升趨勢，從80km/h的0.514升至200km/h的0.560。此外，從表4可知，克諾爾銅基閘片配對鋼制動盤時，閘片整體磨損量為6.4g。克諾爾銅基閘片配對碳陶制動盤時，閘片整體磨損量加大到8.3g。金屬陶瓷閘片配對碳陶制動盤時，閘片整體磨損量下降，與克諾爾銅基閘片配對鋼制動盤時的水平接近，為6.6g。說明金屬陶瓷材料做為摩擦對偶閘片與碳陶制動盤配對，閘片的抗磨損能力提高了。

圖10-圖12為不同摩擦副的摩擦表面形貌。可見，克諾爾銅基閘片配對鋼制動盤、碳陶制動盤時，摩擦副表面都比較光滑，制動盤磨損不明顯。見圖10、圖11。金屬陶瓷閘片配對碳陶制動時，摩擦副表面也較光滑，制動盤無明顯磨損，金屬陶瓷閘片摩擦面比克諾爾銅基閘片摩擦面更光滑、更細膩。見圖12。這說明，摩擦副在制動時，摩擦表面沒有出現明顯的磨粒磨損和粘著磨損，因而制動平穩，沒有出現嘯叫和火花，說明閘片與制動盤的摩擦學適配性也較好。

2.3 不同摩擦副在MM3000試驗機和TM-3臺架機上的摩擦系數對比

從表5可知，克諾爾銅基摩擦材料配對鋼制動盤的摩擦副（分別為克諾爾銅基摩擦塊/鋼制動盤和克諾爾銅基閘片/鋼制動盤），在MM3000試驗機上的摩擦系數（0.411-0.440）整體高于在TM-3臺架機上的摩擦系數（0.376-0.388），摩擦系數隨制動速度提升都呈現出先降后升的整體變化趨勢，拐點都出現在120km/h，此點的摩擦系數最低，分別為0.411和0.376，見圖13所示。克諾爾銅基摩擦材料配對碳陶制動盤的摩擦副（分別為克諾爾銅基摩擦塊/碳陶制動盤和克諾爾銅基閘片/碳陶制動盤）在MM3000試驗機上的摩擦系數（0.462-0.482）整體低于在TM-3臺架機上的摩擦系數（0.557-0.629），見表5所示。由圖14可以看出，摩擦系數隨制動速度提升都呈現出先升后降的整體變化趨勢，拐點都出現在160km/h，此點的摩擦系數最高，分別為0.482和0.629。由表5可知，金屬陶瓷摩擦材料配對碳陶制動盤的摩擦副（分別為金屬陶瓷摩擦塊/碳陶制動盤和金屬陶瓷閘片/碳陶制動盤）在MM3000試驗機上的摩擦系數（0.404-0.521）也整體低于在TM-3臺架機上的摩擦系數（0.514-0.560）。但從圖15可以看出，摩擦系數隨制動速度提升而變化的趨勢在MM3000試驗機和TM-3臺架機上呈現出完全相反的特征，在MM3000試驗機上，摩擦系數隨制動速度提升而線性下降，而在TM-3臺架機上，摩擦系數隨制動速度提升而線性上升。這說明，克諾爾銅基摩擦材料做摩擦副對偶配對碳陶材料制動盤和鋼材料制動盤時，在MM3000試驗機和TM-3臺架機上的摩擦系數都表現出好的關聯性，具有相同的變化趨勢，而金屬陶瓷摩擦材料做摩擦副對偶配對碳陶材料制動盤時，在MM3000試驗機和TM-3臺架機上的摩擦系數表現出差的關聯性，具有相反的變化趨勢。這與金屬陶瓷摩擦材料、克諾爾銅基摩擦材料不同的組織性能有關。

3? 結論

采用鋼制動盤、碳陶制動盤，選用克諾爾銅基摩擦材料、金屬陶瓷摩擦材料配對制動盤做摩擦副對偶組成不同的摩擦副，分別在MM3000試驗機和TM-3臺架機上，按0.40-0.50MPa制動壓力和80-200km/h制動速度進行干態工況條件摩擦制動試驗，對比測試平均摩擦系數和磨損量，得出如下結論：

①克諾爾銅基摩擦材料配對鋼制動盤的摩擦副，在MM3000試驗機上的摩擦系數整體高于在TM-3臺架機上的摩擦系數。而克諾爾銅基摩擦材料、金屬陶瓷摩擦材料配對碳陶制動盤的摩擦副，在MM3000試驗機上的摩擦系數都整體低于在TM-3臺架機上的摩擦系數。②克諾爾銅基摩擦材料配對鋼制動盤的摩擦副，在MM3000試驗機和TM-3臺架機上的摩擦系數隨制動速度提升都呈現出先降后升的整體變化趨勢，拐點都出現在120km/h。克諾爾銅基摩擦材料配對碳陶制動盤的摩擦副，在MM3000試驗機和TM-3臺架機上的摩擦系數隨制動速度提升都呈現出先升后降的整體變化趨勢，拐點都出現在160km/h。金屬陶瓷摩擦材料配對碳陶制動盤的摩擦副，在MM3000試驗機和TM-3臺架機上的摩擦系數隨制動速度提升呈現出相反的線性變化趨勢，前者是線性下降，后者是線性上升。③不論在MM3000試驗機上，還是在TM-3臺架機上，金屬陶瓷摩擦材料配對碳陶制動盤的磨損量都較小，顯示出碳陶制動盤/金屬陶瓷閘片做為摩擦副的抗磨性優勢。

參考文獻：

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