250 km_h动车组用闸片制动摩擦及噪声特性.pdf

2024.1,4（1）|材料装备技术与应用250 km/h动车组用闸片制动摩擦及噪声特性龙波1，陈刚2，3，余程巍1，程景琳1，王林波1，张鹏2，3，章林2，3，秦明礼2，3，曲选辉2，3（1.北京天宜上佳高新材料股份有限公司，北京 102402；2.北京科技大学新材料技术研究院，北京 100083；3.北京科技大学北京材料基因工程高精尖创新中心，北京 100083）摘要：利用 1 1台架试验探究了 250 km/h 城际动车组闸片盘紧急制动过程中的摩擦及噪声特性。结果表明当速度为 50250 km/h 时，摩擦系数受制动速度增长影响较小，而制动压力的增加仅在250 km/h时诱导摩擦系数下降，表明该型闸片具有优异的摩擦系数稳定性。对于噪声特征，5000 Hz以下的噪声占主导地位，而更高频噪声只出现在某些特定的频率段。制动速度的增加会增加制动初期的噪声强度和频率范围，而压力提高则带来相反的抑制作用。高制动压力会促使制动后期高频啸叫的产生。因此，在制动时采用先高压力后低压力的变压力制动方式可能是降低高频制动噪声的方法。关键词：动车组闸片；制动条件；摩擦；噪声Tribological and noise characteristics of brake pads used in highspeed train with a speed grade of 250 km/hLONG Bo1,CHEN Gang2,3,YU Chengwei1,CHENG Jinglin1,WANG Linbo1,ZHANG Peng2,3,ZHANG Lin2,3,QIN Mingli2,3,QU Xuanhui2,3（1.Beijing Tianyishangjia New Material Co.，Ltd.，Beijing，102402，China；2.Institute for Advanced Materials and Technology，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China；3.Beijing Advanced Innovation Center for Materials Genome Engineering，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China）Abstract：This work explores the tribological and noise characteristics of the brake pad-disc braking process of the intercity EMU at a speed grade of 250 km/h on a full-scale dynamometer.The results show that within the range of 50250 km/h，the friction coefficient is less affected by the increase of braking speed.However，the braking pressure only promotes a decrease in the friction coefficient at a speed of 250 km/h，indicating that this type of brake pad has excellent friction coefficient stability.In terms of noise，noise with frequencies below 5000 Hz dominates，while higher frequency noise only occurs in certain specific frequency bands.The increase in braking speed increases the noise intensity and frequency range in the early stages of braking，while the increase in pressure has the opposite inhibitory effect.High braking pressure will promote the generation of high-frequency squeal in the later stages of 中图分类号:U260.35 文献标志码:A 文章编号：2097-017X（2024）01-0066-09DOI:10.3969/j.issn.2097-017X.2024.01.008收稿日期：2023-11-22基金项目：国家自然科学基金资助项目（52204369）。第一作者简介：龙 波（1987），男，学士。研究方向：动车组制动闸片材料。通讯作者简介：张 鹏（1993），男，博士，副研究员。研究方向：粉末冶金铜基复合材料。66250 km/h动车组用闸片制动摩擦及噪声特性 龙波 等braking.Therefore，using a variable pressure braking method with high pressure followed by low pressure during braking may be a method to reduce high-frequency braking noise.Key words：brake pads；braking conditions；friction；noise引 言160250 km/h 城际动车组是为满足我国区域经济快速发展和城市群崛起对城际轨道交通的需求而研制的一种新型运输工具。作为高速铁路和城市轨道交通的纽带，具有运能大、起停速度快、乘降方便快速、疏通迅捷有效、乘坐舒适、安全可靠、节能环保的特点。制动系统是保障动车组运营安全的重要部件之一，其一般由控制系统、风源装置、防滑装置、基础制动装置、辅助装置等组成1-2。在电制动故障和紧急情况下，采用纯空气制动的方式依靠闸片和制动盘相接触进行摩擦产生摩擦阻力，消耗动能并生成其他形式的能量而耗散，从而实现车辆的减速3-4。然而，城际动车组使用场景决定了其运营站间距短，制动频繁，且制动初速度高，制动减速度大等特点。摩擦性能是体现制动系统安全稳定的重要参数之一，而制动噪声在频繁制动过程中也影响人们出行的舒适性。按照声源振动频率的大小，把运载工具在制动过程中产生的噪声分为振动频率在几十到几百赫兹之间的低频制动噪声和振动频率在几百到几万赫兹的中高频制动噪声，而由高频振动激发的啸叫是列车制动过程中影响最大的噪声5，其声压甚至能达到110 dB以上，不仅使列车制动效果降低，还会损害人的身体健康。Faulkne等6研究表明，居住在交通频率高、噪声水平超过 65 dB 的地域附近，人患缺血性心脏病风险会增加。噪声的形成过程非常复杂，涉及闸片的成分和结构设计、制动条件、使用环境等，不同因素引起接触表面结构和性质的剧烈改变，如接触表面刚度、接触面积和接触压力分布7-9，这些表面特征又与闸片的具体成分相联系。因此，有必要对城际动车组在多工况下的摩擦性能以及噪声行为进行分析。本文通过在 1 1台架上进行紧急制动实验，研究了不同制动速度、不同制动压力和干燥/潮湿工况对噪声特性的影响，探索噪声激发频率的规律，为研发静音制动闸片的成分优化提供参考。1实验部分1.1材料制备本文是通过 1 1台架实验研究铜基制动闸片与合金钢盘对磨时产生的摩擦制动行为。1 1台架实验能够充分可靠地模拟动车组所经历的各种制动条件及环境，比如其能够使得闸片所经受的能量输入密度与真实动车组紧急制动时所经历的相等，这种手段是检测闸片及制动盘性能的必备实验。1 1 台架的宏观形貌如图 1（a）所示，其中直接用于闸片-盘紧急制动试验测试的装置如图 1（b）所示。本文制备的铜基制动闸片材料化学成分如表 1所示，原料粉末包括电解铜粉末（纯度 99.7%，约 45 m）、还原铁粉末（纯度 98%，74 m），片状石墨粉（纯度 95%，270400 m），粒状石墨粉（纯度 95%，180250 m），高碳 CrFe 粉（纯 度 95%，150 m），Cr 粉（纯 度95%，74 m）和其他粉末。以前的研究已经证实，粒状石墨（表 1中的 G）具有更高的强度，能更加持久地存在于摩擦表面，而片状石墨（表 1中的 F）可以提供更强的润滑10。闸片材料利用传统的粉末冶金工艺制备，包括混粉，冷压成形以及热压烧结等步骤。原料粉末按照表 1称取后，在机械旋转混合器中混合10 h。随后将均匀混合的粉末在 400 MPa的压力下冷压成压坯。烧结在氢气气氛中进行。烧结压力为2 MPa，温度为950，保温时间为2 h。闸片的致密度和布氏硬度分别为4.9 g/cm3和20 HBW，其宏观形貌及微观组织的背散射电子像（BSE）如图 1（c）和（d）所示，所制备单个闸片摩擦面积为1 560 mm2，每副闸片组由 18块完全相同的闸片按照一定的方式组合在钢背上，总的面积为280.8 cm2。1.2测试方法本 工 作 所 有 的 制 动 测 试 均 在 11 台 架（Link 3600，美国）上完成，实验程序按照 动车组闸片暂行技术条件（标准性技术文件编号：TJ/CL 3072019）中的 C.3 试验大纲进行。该实验大纲用于表 1铜基制动闸片的成分组成Tab.1Chemical compositions of copperbased brake padw（Cu）/%52w（Graphite）/%15（G F=2 1）w（Fe）/%18w（CrFe）/%5w（Cr）/%4其他6 67CRH1 和 CRH5 动车组用闸片组（200250 km/h）的性能检测。为加速实验，选取大纲中的第 19-22，25-26，29-30，57-61，91-93，100-102 次制动，共 19 次制动作为研究对象，覆盖了该大纲中所有速度等级、大中小压力、干燥/潮湿制动，具体制动次序及条件参数如表 2所示。潮湿条件下制动时喷水速度为 25 L/h。麦克风放置在离制动盘表面约 45 mm、离制动盘轴线中心约 70 mm、离地面约 190 mm 的位置，以记录测试过程中产生的噪声信号，这确保了良好的噪声测量质量，同时防止磨损碎屑侵入麦克风。时间信号由数据 采 集 系 统 自 动 采 集。噪 声 的 大 小 用 声 压 级（Sound Pressure Level，SPL）表示。制动过程中的温度由插入制动盘中的热电偶测量。2结果与讨论2.1摩擦及噪声特性闸片性能的优劣由制动过程中的摩擦及噪声特性反映。整个制动过程中的平均摩擦系数，盘表面出现的最高温度以及峰值 SPL 情况如图 2所示。在干燥条件下，平均摩擦系数为 0.360.42（如图 2（a）所示），符合 TJ/CL 3072019 中 B.2 的规定。除低速（120 km/h）及中压（11.5 kN）条件外，制动速度的提高会导致平均摩擦系数下降，这主要是由于低速下闸片-盘以微凸体接触为主，摩擦阻力大。随着速度提高，摩擦表面微凸体损伤引发平台的表面，生成的氧化膜也会导致速度的持续提高对平均摩擦系数大小没有显著的影响，这表明摩擦表面趋于动态稳定所致11-12。高的制动压力则导致较低的摩擦系数，这在 16 kN 的制动压力下尤为显著，原因同样是基于摩擦表面的平整性13。潮湿的制动环境对摩擦系数有显著的降低作用。在较低的制动速度范围内，制动速度的提高能够带动水膜充分覆盖摩擦表面，从而使得平均摩擦系数随制动速度升高（5080 km/h）而下降。当制动速度超过 120 km/h，制动速度提高导致离心力增加，接触界面上水量降低，使得平均摩擦系数随着制动速度升高而升高，这也表表 21 1台架实验的制动速度、单侧制动压力和环境条件Tab.2Braking speeds，clamping force and environmental conditions制动次序19222526293057619193100102制动速度/（kmh1）50，80，120，160120，160120，16050，80，120，160，200200250单侧制动压力/kN11.571611.511.5，7，1611.5，7，16干燥/潮湿干燥干燥干燥潮湿干燥干燥图 1闸片组织及 1 1台架实验设备Fig.1Microstructure of brake pads and the device for the full-scale braking tests 68250 km/h动车组用闸片制动摩擦及噪声特性 龙波 等明在较高的制动速度下水对摩擦接触界面的作用正在降低。不同制动条件下盘表面最高温度如图 2（b）所示。温度的升高主要是由于制动速度提高所致，几乎与制动速度呈现出线性关系，这表明动能的转化是决定制动界面温度的主要因素。压力增加也能使摩擦界面温度略有升高，这是高压下摩擦接触界面面积增加所致14。潮湿条件也会显著的降低摩擦界面的温度。制动噪声的大小用 SPL 来评估，不同制动条件下出现的峰值 SPL 如图 2（c）所示。峰值 SPL 随制动速度增大的变化规律不显著，在一定的范围内波动，这主要受接触界面的动态变化所影响，在潮湿条件下更加显著。速度较低时水膜润滑作用较好，降低了摩擦界面间的噪声。而随着制动速度升高，摩擦界面水量降低使得噪声变大，甚至超过了同等条件下干摩擦产生的噪声。此外，制动压力的增大会显著增加峰值 SPL，11.5 kN 下 SPL 普遍在 110 dB以上，这与摩擦系数的变化情况不一致。文献 15-16 表明较高的摩擦系数通常引发大的噪声，来自于垂直的振动产生高频噪声，而切向振动产生低频噪声17。因此，该速度等级闸片的噪声产生可能主要受垂直方向振动的影响。下面将分别研究制动速度、压力以及潮湿条件的影响。2.2制动速度的影响不同制动速度下瞬时摩擦系数随制动时间的变化如图 3（a）所示。瞬时摩擦系数在初始较为平稳，维持一段时间后出现显著的“翘尾”现象18。随着制动速度升高，稳定阶段的时间逐渐延长，翘尾程度逐渐降低。在 250 km/h时，摩擦系数上升情况完全消失，在 65 s左右，瞬时摩擦系数出现先下降后上升的阶段，这表明出现摩擦系数衰退行为19。温度则是先上升后维持相对稳定。在制动后期由于转速下降，散热能力超过产热能力，会导致温度出现略微下降，如图 3（b）所示。较强噪声的频率以 5000 Hz 以下为主，随着频率升高噪声强度逐渐下降，但是在8000 Hz 和 16000 Hz 左右出现异常的高频尖叫，如图 3（c）所示。速度的提高带来两方面影响：（1）提高最大声压级。这主要是在制动初始阶段制动盘转速较高，接触时产生的摩擦界面失稳振动较大；（2）高频噪声的频率降低。这可能与更大制动速度促使摩擦界面平整化有关。图 4 给出了更加具体的 SPL-时间-频率分布关系。当制动速度为 50 km/h 时，主要噪声产生频率在 4000 Hz 左右，其大概从制动开始 1 s 时开始产图 2不同制动条件下闸片制动摩擦及噪声特性Fig.2Tribological and noise performance when braking under different conditions 69图 3不同制动速度下闸片制动摩擦及噪声特性Fig.3Tribological and noise performance when braking under different braking speeds图 4不同制动速度下 SPL随时间和频率的分布Fig.4The distribution of SPL as the change of time and frequency 70250 km/h动车组用闸片制动摩擦及噪声特性 龙波 等生，贯穿整个制动过程，这与台架本身的噪声有关，在其他制动速度下也发现了相似的噪声特征。在制动后半段（比如图 4（a）中的 10 s 以后），在 8000，9000及 16000 Hz频率段也会产生高强度噪声，该频率段噪声强度会随着制动速度的升高逐渐减弱，推测这与瞬时摩擦系数的拖尾现象有关。制动速度升高带来的另一个影响则是在制动初期噪声强度增加，并且频率也逐渐从低频向高频转变，这表明高频噪声的产生与初期制动盘转速较高有关，摩擦面接触时会引发更大的接触不稳定。2.3制动压力的影响制动压力也是影响闸片与对偶盘之间的摩擦及噪音产生倾向的重要因素之一。图 5（a）和 5（b）表明压力增大使得摩擦系数下降，但是所需的制动时间更短，这是由于摩擦力为摩擦系数与正压力的乘积20。高压力下产生更大的摩擦阻力从而导致较短的停车时间。另外，高压力同样使得摩擦界面间的温升作用更加显著，具体原因已经在图 2中阐述。峰值 SPL值随频率的变化（如图 5（c）所示）与图 3一致，但是压力增大对峰值 SPL 频率的影响并不显著，主要提升峰值 SPL的强度。压力增大易导致摩擦表面的平台结构发生破坏，进而引发整个基础制动系统的振荡，导致高频噪声的产生21。更加详细的噪声频谱分布如图 6所示，其表明在低压下（如图 6（b）所示），噪声主要产生在制动初期，且频率较高，16000 Hz也有显著的高 SPL 噪声分布。随着压力增大，制动初期噪声发生的频率范围变小，但是在制动中后期逐渐出现显著的高频噪声，大概分布在 8000，12000及 16000 Hz频率范围。压力增大带来的噪声频谱变化与制动速度增大的效应相反，这可能是由于较大的压力能够抑制制动初期突然接触带来的垂直振动。2.4潮湿制动条件的影响在闸片服役过程中，除经历波动的压力和速度之外还需要适应潮湿摩擦条件，其性能表现如图 7所示。图 7（a）中瞬时摩擦系数的变化趋势与干燥条件下没有显著区别，均为制动初期接触后摩擦系数上升至一个稳定值后保持相对稳定，并在制动后期出现摩擦系数的翘尾现象。差异主要体现在潮湿条件下瞬时摩擦系数更加稳定，没有出现异常的波动，这主要是由于界面水膜的润滑作用所致。喷水的降温作用也使得盘表面温度较干燥条件下低（如图 7（b）所示）。然而，图 7（c）表明，潮湿条件下最大噪声的产生及不同速度下峰值 SPL 在不同频率的分布与图 3（c）相比没有显著改变，尤其是在高图 5不同制动压力下闸片在 250 km/h时的制动摩擦及噪声特性Fig.5Tribological and noise performance when braking under different clamping force at 250 km/h 71图 7潮湿条件下闸片制动摩擦及噪声特性Fig.7Tribological and noise performance when braking under wet conditions图 6不同制动压力下 SPL随时间和频率的分布Fig.6The distribution of SPL as the change of time and frequency under different clamping force 72250 km/h动车组用闸片制动摩擦及噪声特性 龙波 等速制动条件下，这是由于制动界面水膜随制动速度的变化所致。图 8显示在潮湿条件下 SPL 在不同时间和频率上的分布也与干摩擦一致，某些频率的噪声出现在各个制动速度下，比如在4000，8000及16000 Hz频率附近。随着制动速度增加到 160 km/h，制动速度增加对制动初期噪声的促进作用逐渐显著，表明水膜的润滑作用正在逐步减弱，摩擦界面回归到干摩擦状态。3结论本工作利用 1 1 台架实验，揭示了不同制动条件下城际列车的摩擦性能及噪声特性，相关结论如下：（1）在 50250 km/h 的速度范围内，闸片的平均摩擦系数为 0.360.42，未出现异常的波动和衰退。即使在潮湿条件下摩擦系数也不低于 0.32，表明该型闸片显示出优异的摩擦性能。（2）制动速度增大对制动盘最高温度的提升较大，二者呈线性关系，而压力增大仅有略微的提升作用，各制动条件下最高温度不超过 350。单次制动过程中，温度先在制动初期快速上升，然后长时间维持相对稳定。（3）依据频率和时间，噪声分为两个典型区域：制动初期频率分布范围较广的噪声和制动后期某些特定高频率出现的噪声。制动速度的增加会强化制动初期的噪声强度和频率范围，压力的提高则带来抑制作用。高制动压力也会促使制动后期高频啸叫的产生。潮湿环境仅在低速下对摩擦和噪声性能影响较大，而高速下接近于干摩擦条件下的情况。该型闸片的最大噪声能达到 120 dB，需要进一步提升噪声表现。参考文献：1 巩伟.高速列车直肋型制动盘内部通道传热特性研究 D.兰州：兰州理工大学，2020.2 Wu S C，Zhang S Q，Xu Z W.Thermal crack 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