制動過程中閘片材料與制動盤溫度關系試驗研究

周高偉 段軍軍 史月昆 馮書銳

(1.中車工業研究有限公司 北京 100160；2.北京縱橫機電科技有限公司 北京 100081；3.北京軌道交通技術裝備集團有限公司 北京 100070)

隨著列車時速的提升，對車輛輕量化提出了更高的要求，而降低制動盤質量是實現車輛輕量化的一個可能措施。碳/碳、碳/陶復合材料的密度低、耐高溫、耐腐蝕[1-3]，作為制動材料具有其他材料不具備的質量密度低和能量密度高的優點。因此，隨著時速350 km/h及以上的高速列車的應用，人們開始重視碳/碳、碳/陶復合材料在軌道車輛方面的應用研究[4-6]。如果采用碳/陶復合材料制造摩擦副，就涉及到碳/陶復合材料與鋼盤摩擦副的關系，以及碳/陶復合材料的摩擦性能控制。為此，研究人員針對碳/碳、碳/陶復合材料的制動性能做了大量的工作。針對C/C-SiC復合材料與30CrMoSiVA合金鋼構成的摩擦副，文獻[7-9]研究了碳纖維含量與摩擦因數、磨損率的關系，發現隨碳纖維含量增加，摩擦因數和磨損率隨速度的增加而增加。此外，為改進C/C-SiC復合材料的摩擦性能，文獻[10]通過調控材料中的FeSi75，發現FeSi75合金具有改進摩擦因數穩定性的作用。對于碳/陶復合材料與H13鍛鋼組成的摩擦副，文獻[11]的研究表明，摩擦因數隨摩擦壓力的增加而提高，隨速度的提高而降低。對于C/C復合材料，文獻[12]通過調整材料中的樹脂含量，提高了材料的密度，也提高了制動過程中摩擦因數的穩定性。

上述研究成果都為掌握碳/陶復合材料制動摩擦性能，以及其工程應用提供了基礎數據。然而，由于列車制動工況的復雜性，在采用新型材料以減少制動盤質量時，必須考慮這些新型材料對摩擦性能穩定性的影響。而摩擦性能的穩定性不僅取決于制動材料本身的性質，還取決于閘片與制動盤兩者材料結構和性能之間的匹配性。與制動盤相匹配的閘片，目前采用的材料主要為銅基和鐵基制動摩擦材料[13-14]。因此，選擇與碳/陶復合材料制動盤配合的閘片主要有3種，即碳/陶復合閘片、銅基粉末冶金閘片、鐵基粉末冶金閘片。3種不同材料的閘片與碳/陶復合材料制動盤相配合，存在匹配性和使用壽命的問題。尤其是碳/陶復合材料制動盤耐熱性能好，與金屬基閘片匹配時，制動盤的溫度場有何差異？與制動條件的相關性如何？針對這方面的問題，目前研究鮮有涉及。本文作者研究碳/陶制動盤與3種閘片匹配時制動盤面各點的瞬時溫度、最高溫度、閘片溫度及其與制動工況的關系。

1 試驗方法及材料

試驗制動盤材料為C/SiC復合材料，制動盤直徑255 mm，厚度25 mm。閘片選取銅基粉末冶金材料、鐵基粉末冶金材料和C/SiC復合材料，閘片面積為2 600 mm2。

制動試驗采用TM-I型軌道列車縮比試驗機，溫度測試使用DIAS熱像儀，制動初速度分別為60、140和200 km/h，制動壓力分別為0.4、0.55和0.75 MPa。試驗的3對摩擦副為：碳/陶制動盤-碳/陶閘片，碳/陶制動盤-銅基粉末冶金閘片，碳/陶制動盤-鐵基粉末冶金閘片。

2 試驗結果和討論

2.1 制動過程中制動盤溫度的變化分析

圖1示出了試驗速度為200 km/h時，不同制動壓力下碳/陶制動盤-碳/陶閘片摩擦副在制動過程中的溫度變化。從壓力對盤面溫度的上升速率影響來看，制動壓力為0.4 MPa時，從制動開始到制動接近終止，盤面溫度一直隨制動時間的增加而增加；當壓力超過0.55 MPa時，盤面溫度主要在30 s制動期間內達到最高值，其后趨近于均勻化的過程。從壓力對盤面最高溫度的影響來看，壓力為0.4 MPa時的最高溫度為480 ℃左右，壓力為0.75 MPa時的最高溫度為600 ℃左右。分析可知，制動壓力是影響盤面溫度演化的一個重要因素，壓力的升高，一方面加快了溫度的集中程度，另一方面提高了制動過程的最高溫度。在制動過程中，盤面溫度一直處于增加的狀態，這可能與碳陶復合材料的導熱能力有關。

圖1 碳/陶制動盤-碳/陶閘片摩擦副在制動過程中的溫度變化(200 km/h)

圖2示出了試驗速度為200 km/h，不同制動壓力下碳/陶制動盤-銅基粉末冶金閘片摩擦副在制動過程中的溫度變化?？芍撃Σ粮钡闹苿訒r長均超過100 s。在制動壓力為0.4 MPa時，制動期間溫度一直呈上升狀態；當制動壓力為0.55 MPa時，制動時間超過100 s后盤面溫度開始下降；在制動壓力為0.75 MPa時，制動時間為80 s左右溫度就達到最高值，其后盤面溫度下降。這說明，在制動時間較長的情況下，增加制動壓力，減少了達到最高溫度的時間，同時也為制動后期留下了降溫時間。原因在于較高的壓力可使制動能量主要消耗在制動初期，制動后期的制動能量小于散熱能力而使盤面溫度有所降低。

圖2 碳/陶制動盤-銅基粉末冶金閘片摩擦副在制動過程中的溫度變化(200 km/h)

圖3示出了試驗速度為200 km/h，不同制動壓力下碳/陶制動盤-鐵基粉末閘片摩擦副在制動過程中溫度的變化情況?？芍?，當制動壓力較低時，制動過程中盤面溫度隨制動時間的增加而增加；當制動壓力較高時，盤面溫度在制動前期增加，在制動后期減小。這表明，制動壓力影響了制動能量在制動過程的分布形態，制動過程的能量在制動過程中分配的不均勻性隨制動壓力的增加而增加。

圖3 碳/陶制動盤-鐵基粉末冶金閘片摩擦副在制動過程中的溫度變化(200 km/h)

2.2 制動盤盤面各點平均溫度與制動速度和壓力的關系

圖4示出了碳/陶制動盤-碳/陶閘片摩擦副平均溫度隨制動速度和壓力的變化?？芍谥苿訅毫?.4 MPa時，盤面溫度分布比較均勻，溫度隨速度的增加變化不明顯；在制動壓力為0.55 MPa時，速度超過140 km/h后，盤面各點平均溫度分布呈現盤中部偏高的形態；在制動壓力為0.75 MPa時，隨速度增加，最高平均溫度由150 ℃(60 km/h)進一步增加到390 ℃(140 km/h)和511 ℃(200 km/h)，最高平均溫度與其他區域的溫度偏差有所增加，但高溫區域的位置變化不明顯。這表明，制動壓力對盤面各點平均溫度的影響與制動能量有關。制動能量較低時，壓力的增加對盤面各點平均溫度及溫度分布的影響不明顯；當制動能量較高時，增加制動壓力會明顯提高盤面溫度，并加劇各點溫度分布的不均勻性，這對改善盤的使用壽命是不利的。

圖5示出了碳/陶制動盤-銅基粉末冶金閘片摩擦副平均溫度分布隨制動速度和壓力的關系?？芍?，在制動速度為60 km/h條件下，盤面各點的溫度變化不明顯，但隨壓力由0.4 MPa增加到0.75 MPa，最高平均溫度上升了50 ℃左右。在140 km/h條件下，盤面各點的溫度隨壓力的增加而增加，在壓力為0.55 MPa時，最高平均溫度上升到320 ℃，最低平均溫度為260 ℃；在壓力為0.75 MPa時，最高平均溫度上升到390 ℃，最低平均溫度為340 ℃。當制動速度為200 km/h時，0.4 MPa壓力下最高平均溫度為400 ℃，出現在盤半徑為100～120 mm區間；制動壓力增加到0.55、0.75 MPa時，高溫區均向盤半徑減小方向移動，最高平均溫度都超過了500 ℃，最低平均溫度超過400 ℃。這說明對于碳/陶制動盤-銅基粉末冶金閘片摩擦副，隨制動能量的增加，壓力的增加能明顯增加盤面溫度，但對盤面各點的溫度梯度影響不明顯。這可能與銅基粉末冶金閘片良好的導熱性有關[15]，表明閘片的良好導熱性能對改善盤的使用壽命是有利的。

圖4 碳/陶制動盤-碳/陶閘片摩擦副平均溫度隨制動速度和壓力的變化

圖5 碳/陶制動盤-銅基粉末冶金閘片摩擦副平均溫度分布隨制動速度和壓力的關系

圖6示出了碳/陶制動盤-鐵基粉末冶金閘片摩擦副平均溫度隨制動速度和壓力的變化?？芍?，在制動速度為60 km/h，壓力為0.4～0.75 MPa時，盤面各點的平均溫度均沒有超過100 ℃；制動速度為140 km/h時，隨壓力的增加，盤面的最高平均溫度由160 ℃增加到220 ℃；當制動速度為200 km/h、壓力為0.4 MPa時，最高平均溫度為290 ℃，制動壓力增加到0.55、0.75 MPa時，最高平均溫度都在400 ℃以下。這說明，對于碳/陶制動盤-鐵基粉末冶金閘片摩擦副，隨制動壓力和速度的增加，盤面各點的平均溫度差值沒有顯著的變化，最高平均溫度增加的幅度也較低。這可能與鐵基粉末冶金閘片與碳/陶制動盤的匹配性有關，表明閘片材料的物理性能對盤的溫度是有影響的。

圖6 碳/陶制動盤-鐵基粉末冶金閘片摩擦副平均溫度隨制動速度和壓力的變化

2.3 閘片溫度和摩擦因數在制動過程中的變化分析

圖7示出了制動速度為200 km/h時，3種閘片的瞬時摩擦因數、溫度在制動過程的變化。

圖7 3種閘片的瞬時摩擦因數、溫度在制動過程的變化(200 km/h)

由圖7可知，3種閘片都表現為隨制動壓力提高，溫度增加和制動時間減少。但影響溫度變化和制動時間的重要因素是摩擦因數的分布形態。對于碳/陶閘片，起始摩擦因數是其他2種閘片的一倍以上，制動起始階段也是制動能量最高階段。這個階段的摩擦因數高，也就意味著制動功率高，因此，最高溫度比其他2種閘片高20%，相應的制動時間減少了50%左右。對于銅基粉末冶金閘片和鐵基粉末冶金閘片，雖然兩者的起始摩擦因數相差不大，但兩者摩擦因數的變化形態存在明顯不同。對于銅基粉末冶金閘片，摩擦因數在前20 s左右處于增加形態，超過20 s后，摩擦因數維持在0.4～0.5范圍。而對于鐵基粉末冶金閘片，從制動開始到結束，摩擦因數處于一種連續上升形態。從摩擦因數2種不同的形態看，對最高溫度的影響程度有限，但對制動時間的影響更顯著。由此可見，在制動過程中，初始摩擦因數可明顯改變制動功率，從而影響到制動溫度和制動時間，后期的摩擦因數分布形態對制動時間有影響。

2.4 3種摩擦副峰值時刻盤面溫度分布與制動速度及壓力的關系

圖8、9分別示出了制動速度為60、200 km/h時，3種摩擦副峰值溫度時刻盤面溫度分布與壓力的關系。可知，閘片材料對碳/陶制動盤溫度分布有影響，其影響程度與制動速度和壓力有關。在低速情況下，由于碳/陶材料導熱性差和起始摩擦因數高，峰值溫度和溫度梯度均隨壓力的增加而明顯增加；當制動速度較高時，由于較高的制動能量的高擴散能力，導致溫度梯度并沒有隨壓力的增加而增加。對于銅基和鐵基粉末材料，由于金屬材料良好的導熱性，以及由于起始摩擦因數低、制動時間長，制動功率分布平穩，導致溫度分布較均勻，且隨制動壓力的提高，溫度變化不明顯。

圖8 3種摩擦副峰值溫度時刻盤面溫度分布與壓力的關系(60 km/h)

圖9 3種摩擦副峰值溫度時刻盤面溫度分布與壓力的關系(200 km/h)

3 結論

(1)3種摩擦副盤面的最高溫度在制動過程中出現的時間有所不同，其中碳/陶制動盤-碳/陶閘片摩擦副盤面最高溫度在不同壓力條件下都出現在制動結束，碳/陶制動盤-銅基粉末冶金閘片摩擦副和碳/陶制動盤鐵基粉末冶金閘片摩擦副的盤面最高溫度出現的時間隨壓力的增加而減小。原因在于碳/陶材料與金屬材料導熱性和制動時間的差別，導致盤面溫度分布形態不同。

(2)碳/陶制動盤-碳/陶閘片摩擦副盤面溫度梯度隨制動速度和壓力的增加有所增加，碳/陶制動盤-銅基粉末冶金閘片摩擦副和碳/陶制動盤鐵基粉末冶金閘片摩擦副盤面溫度梯度隨制動速度和壓力的增加變化不明顯，表明金屬材料的導熱能力有利于提高盤面溫度的均勻性。

(3)相對于銅基和鐵基粉末冶金閘片，碳/陶閘片的溫度高、制動時間短。原因在于碳/陶閘片的起始摩擦因數明顯高于銅基和鐵基粉末冶金閘片，起始摩擦因數高，提高了制動功率，從而影響到制動溫度和制動時間。

(4)碳/陶制動盤-碳/陶閘片摩擦副峰值時刻盤面溫差與制動速度和壓力有關，在低速情況下，由于碳陶材料導熱性差和起始摩擦因數高，溫度梯度均隨壓力的增加而明顯增加；當制動速度較高時，由于較高的制動能量的高擴散能力，導致溫度梯度并沒有隨壓力的增加而增加。對于銅基和鐵基粉末閘片，隨制動速度和壓力的提高，峰值時刻盤面溫度梯度變化不明顯。