地铁车辆用合成闸瓦国产化研究.pdf

文章编号:1 0 0 2-7 6 0 2(2 0 2 3)0 4-0 0 7 3-0 4地铁车辆用合成闸瓦国产化研究宫象亮(青岛永贵科技有限公司,山东 青岛 2 6 6 1 1 4)摘 要:针对国产化闸瓦普遍存在裂纹、掉块、磨耗量大、制动噪声大、金属镶嵌、车轮踏面热损伤及严重波浪犁沟状磨耗等问题,而进口闸瓦存在采购价格高、周期长等问题,文章对地铁车辆用合成闸瓦国产化进行了研究,包括原材料选择及配比、制备工艺、物理及力学性能试验、11台架制动试验及运用考核,并与进口闸瓦进行了比较。结果表明,研制的闸瓦制动过程运行平稳,磨耗量及噪声低,无贯穿裂纹、掉块、金属镶嵌,对车轮热损伤很小,无严重波浪犁沟状磨耗等问题,各项性能均达到或超过进口闸瓦,且使用成本优势明显,可满足替代进口闸瓦的要求。关键词:地铁车辆;合成闸瓦;国产化;运用考核;性能;使用成本中图分类号:U 2 7 0.1 3+8 文献标志码:B d o i:1 0.3 9 6 9/j.i s s n.1 0 0 2-7 6 0 2.2 0 2 3.0 4.0 1 4收稿日期:2 0 2 1-0 9-0 9;修回时期:2 0 2 3-0 3-2 6第一作者:宫象亮(1 9 8 1),男,硕士,工程师。S t u d y o n L o c a l i z a t i o n o f C o m p o s i t e B r a k e S h o e s f o r S u b w a y V e h i c l eGONG X i a n g l i a n g(Q i n g d a o Y o n g g u i T e c h n o l o g y C o.,L t d.,Q i n g d a o 2 6 6 1 1 4,C h i n a)A b s t r a c t:T h e d o m e s t i c a l l y p r o d u c e d b r a k e s h o e s g e n e r a l l y h a v e c o mm o n d i s a d v a n t a g e s,s u c h a s c r a c k s,f a l l i n g b l o c k s,l a r g e w e a r,b r a k i n g n o i s e,m e t a l i n l a y,t h e r m a l d a m a g e t o w h e e l t r e a d s a n d s e r i o u s w a v e f u r r o w w e a r,w h i l e t h e d i s a d v a n t a g e s o f i m p o r t e d b r a k e s h o e s a r e h i g h p u r c h a s e p r i c e a n d l o n g w a i t i n g p e r i o d.I n v i e w o f t h e a b o v e p r o b l e m s,t h e p a p e r s t u d i e s t h e l o c a l i z a t i o n o f c o m p o s i t e b r a k e s h o e f o r s u b w a y v e h i c l e,i n c l u d i n g t h e s e l e c t i o n a n d p r o p o r t i o n i n g o f r a w m a t e r i a l s,p r e p a r a t i o n p r o c e s s,p h y s i c a l a n d m e c h a n i c a l p r o p e r t i e s t e s t,11 b e n c h b r a k e t e s t a n d a p p l i c a t i o n a s s e s s m e n t,a n d c o m p a r e s t h e l o c a l i z e d a n d i m p o r t e d b r a k e s h o e s f o r a n a l y s i s.T h e r e s u l t s s h o w t h a t t h e b r a k i n g p r o c e s s o f t h e d o m e s t i c a l l y d e v e l o p e d b r a k e s h o e s o p e r a t e s m o o t h l y,w i t h l o w w e a r a n d n o i s e,n o p e n e t r a t i n g c r a c k s,n o f a l l i n g b l o c k s,n o m e t a l i n l a y i n g,m i n i m a l t h e r m a l d a m a g e t o w h e e l s o r n o s e r i o u s w a v e f u r r o w w e a r.A l l p e r f o r m a n c e o f t h e d e v e l o p e d b r a k e s h o e r e a c h o r e x c e e d t h o s e o f t h e i m p o r t e d b r a k e s h o e w i t h o b v i o u s a d v a n t a g e s i n u s e c o s t.T h e r e f o r e,t h e d o m e s t i c a l l y d e v e l o p e d b r a k e s h o e c a n m e e t t h e r e q u i r e m e n t s o f r e p l a c i n g i m p o r t e d c o u n t e r p a r t s.K e y w o r d s:s u b w a y v e h i c l e;c o m p o s i t e b r a k e s h o e;l o c a l i z a t i o n;a p p l i c a t i o n a s s e s s m e n t;p e r f o r m a n c e;u s e c o s t 近年来,随着我国城市轨道交通的迅速发展,地铁车辆用合成闸瓦的需求量大幅增长。闸瓦属易耗件,需要根据磨耗情况及时更换,年消耗量较大。目前应用在地铁车辆上的国产化闸瓦与进口闸瓦相比,普遍存在裂纹、掉块、磨耗量大、摩擦性能不稳定、制动噪声大、金属镶嵌、车轮踏面热损伤及严重波浪犁沟状磨耗等问题。而进口闸瓦存在采购价格高、周期长等问题,很大程度上影响了车辆运营维护成本。因此,研制出可解决以上问题的能够替代进口闸瓦的国产化产品,具有非常重要的意义。1 合成闸瓦的研制1.1 原材料选择1.1.1 瓦背闸瓦由瓦背与摩擦体经过热压粘结而成,通过瓦背鼻固定在车辆制动系统的瓦托上。瓦背需要有较高37 研究与设计铁道车辆 第6 1卷第4期2 0 2 3年8月 的承受载荷的能力及尺寸精度。瓦背选材及尺寸精度非常重要,若选材不合适或者瓦背弧度及瓦鼻尺寸超差,安装后瓦鼻与瓦托、闸瓦摩擦面与车轮踏面则不能紧密贴合,极易出现晃动、闸瓦折断等故障1。本闸瓦瓦背由厚度为4 mm的Q 2 3 5-A型热轧钢板冲压制成,瓦鼻两侧与标准样板四点接触,瓦背弧面与标准样板之间的间隙不大于1 mm,符合标准要求。1.1.2 摩擦体摩擦体是由粘结剂、增强纤维、填料三大组分经混合均匀、热压成型、热处理等工序制备而成,可通过各组分的选择和配比来改进优化闸瓦的摩擦磨损、物理及力学性能。粘结剂的作用是通过其熔融固化作用将增强纤维、填料等粘结形成致密的有一定强度的整体。本文采用经腰果壳油改性增韧的酚醛树脂作为粘结剂,并在树脂中加入相容性较好的丁腈橡胶进行共混。经腰果壳油改性后的酚醛树脂可提高闸瓦的耐热性、强度、制动稳定性,降低磨耗量,提高使用寿命2。树脂与丁腈橡胶共混后可得到互为补强的粘接体系,起到调节制品硬度、降低硬脆性、提高冲击强度及降低制动噪声的作用3-4。增强纤维的作用是使摩擦体保持一定的机械强度和韧性,避免制品在使用过程中产生形变和破损。本文采用强度及耐热性高的钢纤维和矿物纤维(海泡石绒、碳酸钙晶须)作为增强纤维。钢纤维可有效提高闸瓦的导热性和摩擦性能,但加入过多易加剧金属镶嵌的形成5,加入的矿物纤维可起到与钢纤维共同增强的作用。此外,加入的碳酸钙晶须经过硅烷偶联剂表面处理后,可以更好地改善纤维在粘接剂中的分散性和相容性,可显著提高制品的摩擦磨损性能6-7。填料的作用主要是调节和改善制品的摩擦磨损性能、物理性能、机械强度、制动噪声,提高尺寸稳定性,降低生产成本等。根据各填料的性能,本文优选了几种填料,如氧化铝作为增摩剂,石墨作为减摩润滑剂,还原铁粉作为摩擦性能调节剂,沉淀硫酸钡作为降本增重剂等。此外,特别加入了膨胀蛭石和摩擦粉。研究表明,若添加对噪声有抑制缓冲作用的材料,可有效抑制制动噪声的产生8。由于膨胀蛭石内部具有很多细小的空气隔层,因此具有很强的吸声性能,且硬度低,可以调节闸瓦的硬度和吸声系数,从而保护制动对偶,抑制噪声的产生;摩擦粉是一种由热固性树脂、石墨和金属氧化物混合制成的疏松颗粒,疏松物的存在可以吸收一定波长的噪声,从而减少制动噪声。另外,摩擦粉是一种有机和无机的共生物,可以使闸瓦与车轮踏面较好地贴合,减少异常磨耗和对车轮的损伤。1.1.3 原材料配比经试验优选出摩擦体原材料(均为市售)的质量配比。(1)粘结剂:酚醛树脂(流动度:2 54 0 mm,聚速:4 06 5 s,2 0 0目)占1 2%,丁腈橡胶(丙烯腈含量:3 04 0%)占1 0%,橡胶助剂占2.2%。(2)增强纤维:钢纤维(长径比1 07 5)占1 2%,碳酸钙晶须(长径比2 03 0,长度3 04 0 um)占1 0%,海泡石绒(纤维束径0.27 um,长径比6 01 0 0)占8%。(3)填料:氧化铝(3 2 5目)占1.5%,还 原铁粉(1 0 0目)占8%,沉淀硫酸钡(3 2 5目)占1 2%,鳞片石墨1 8 5(固定碳含量8 5%,1 0 0目)占2.8%,膨胀蛭石(松散比重:1 3 0 1 6 0 k g/m3)占4.5%,摩擦粉(2 06 0目)占4%,其余填料占1 3%。1.2 合成闸瓦制备工艺本文采用在摩擦材料生产中广泛应用的干法模压生产工艺,该工艺下粉料流动性好,可均匀填充在腔中,制品致密度好,性能稳定。制备工艺如下:(1)配料。按照原料配比准确称取物料。(2)混料。混料分两步进行,先用密炼机混合原料丁腈橡胶和橡胶助剂,用立式混料机混合其他物料,然后将立式混料机混好的物料加入到密炼机中与橡胶共混,分步混料的作用是使各种原料可以混合更均匀。(3)烘料。混合料放在8 09 0 烘箱中烘2 h,检测含水率1%。烘干的混合料存放在4 0 烘箱内备用。(4)热压成型。模具内倒入称量准确的物料,然后将瓦背轻压在物料上,按照设定的参数压制。经加压排气(加压时间2 0 s,排气时间1 0 s,循环8次)后进行热压成型,直至程序完成。热压参数为压力6 MP a,压制温度1 6 0,保压时间1 1 0 0 s。(5)热处理。将成型后的闸瓦放在固化炉中,按照设定的热处理曲线程序进行热处理。程序运行1 2 h结束,随炉自然冷却至5 0 以下即制得闸瓦成品。热处理的作用是使树脂彻底固化,消除热压成型后的热应力,减少热膨胀防止出现翘曲,保证制品外观质量和性能稳定9。闸瓦热处理温度-时间曲线如图1所示。图1 闸瓦热处理温度-时间曲线47铁道车辆 第6 1卷第4期2 0 2 3年8月 2 试验2.1 物理及力学性能试验参照T B/T 3 1 9 62 0 1 5 机车用合成闸瓦 标准对本闸瓦进行物理及力学性能试验,并与某进口闸瓦进行比较,结果如表1所示。由表1可知,本闸瓦的各项物理及力学性能均符合性能指标要求,指标达到或超过进口闸瓦。表1 物理及力学性能比较检测项目性能指标本闸瓦进口闸瓦洛氏硬度/HR R5 51 0 07 28 5压缩强度/MP a2 54 53 5压缩模量/MP a1 5 0 07 4 09 0 0冲击强度/(k Jm-2)1.87.13.3磨耗量/(c m3M J-1)1.00.20.32.2 11台架制动试验对本闸瓦进行11台架制动试验,测试不同模拟工况下的摩擦因数,并与进口闸瓦进行比较,结果如表2表4所示。其中,表2的试验条件为:轮径8 4 0 mm,轴重1 4 t,闸瓦推力2 8 k N;表3的试验条件为:轮径8 4 0 mm,轴重1 4 t,闸瓦推力2 8 k N,加湿;表4的试验条件为:轮径8 4 0 mm,轴重1 4 t,闸瓦推力2 8 k N,速度8 0 k m/h,重复2 0次。表2 不同车速下平均摩擦因数比较车速/(k mh-1)本闸瓦进口闸瓦2 00.3 40.3 34 00.3 40.3 26 00.3 30.3 28 00.3 20.2 91 0 00.3 00.2 7表3 不同车速及加湿条件下平均摩擦因数比较车速/(k mh-1)本闸瓦进口闸瓦2 00.3 20.3 14 00.3 20.3 06 00.3 10.3 08 00.3 00.2 81 0 00.2 90.2 6表4 平均摩擦因数稳定性比较试验次数1234567891 0本闸瓦0.3 10.3 00.2 90.2 80.2 90.2 90.3 00.3 10.3 00.3 1进口闸瓦0.2 90.2 70.2 70.2 70.2 80.2 80.2 80.2 70.2 70.2 7试验次数1 11 21 31 41 51 61 71 81 92 0本闸瓦0.3 30.3 20.3 10.3 20.3 10.3 20.3 20.3 20.3 10.3 2进口闸瓦0.2 70.2 70.2 60.2 60.2 60.2 60.2 50.2 70.2 80.2 7 从表2、表3可知,本闸瓦与进口闸瓦在不同车速及加湿条件下的平均摩擦因数基本接近。从表4可知,经过2 0次重复测试,本闸瓦摩擦因数在0.2 80.3 2之间波动(极差为0.0 5),进口闸瓦摩擦因数在0.2 50.2 9之间波动(极差为0.0 4),二者稳定性接近。因此,本闸瓦摩擦因数可保证闸瓦摩擦制动性能的可靠性。2.3 运用考核将本闸瓦安装在天津地铁3号线车辆上进行运用考核。运用相关参数及要求如表5所示。考核监测项点包括:空载(AW 0)状态下不同速度时常用制动距离和紧急制动距离、自动驾驶模式下正线各站停车精度、万 k m磨耗量、制动噪声、温升、闸瓦及车轮踏面有无异常、运行平稳性等,并与进口闸瓦进行比较,结果如表6、表7所示。表5 运用相关参数及要求 车辆轴重/t1 4运行速度/(k mh-1)8 0轮径/mm8 4 0紧急制动闸瓦推力/k N3 5常用制动闸瓦推力/k N2 8噪声测量位置距离转向架横向中心线1 m,高0.4 m温升测量将测温试纸贴于车轮与闸瓦的侧面,读取达到的最高温升由表6、表7可知,本闸瓦各监测项点均符合指标要求。尤其是万 k m磨耗量明显低于进口闸瓦,使用寿命较进口闸瓦提升了2 4%;制动噪声平均为7 2 d B,57 地铁车辆用合成闸瓦国产化研究 宫象亮低于进口闸瓦(8 2 d B),人耳舒适性得到很大提升。表6 制动距离(均值)比较m制动初速度/(k mh-1)常用制动距离指标本闸瓦进口闸瓦紧急制动距离指标本闸瓦进口闸瓦8 02 4 82 2 12 1 82 0 41 8 51 8 06 01 4 41 3 41 3 21 2 01 1 11 1 24 06 86 06 15 74 84 52 02 01 71 81 71 51 5表7 其他项点监测结果(均值)比较监测项点指标本闸瓦进口闸瓦万 k m磨耗量/mm5.03.44.5制动噪声/d B8 37 28 2温升/3 9 02 9 82 9 4各站停车精度/mm5 0 03 5 03 6 0 检查闸瓦及车轮踏面,闸瓦表面平整,无贯穿裂纹、掉块、金属镶嵌等现象,车轮踏面无热斑、热裂纹、热剥离及严重波浪犁沟状磨耗等损伤,整个过程运行平稳,无持续刺耳噪声。3 经济性分析本闸瓦单价为2 0 0元左右,某进口闸瓦为5 0 0元左右,且本闸瓦万 k m磨耗量低于进口闸瓦,使用寿命长,对车轮踏面损伤低。综合比较,本闸瓦性价比较高,使用成本优势明显。4 结论通过对试验数据分析研究,结果表明,本文研制的地铁车辆用合成闸瓦的摩擦磨损性能、物理及力学性能、使用寿命等均达到或超过了进口闸瓦,且较进口闸瓦性价比高,具备了替代进口闸瓦的条件。参考文献:1 李广刚.国产闸瓦在南京地铁的扩大应用J.现代城市轨道交通,2 0 1 2(4):1 8-2 0.L I G u a n g g a n g.W i d e u s e o f C h i n a-m a d e b r a k e s h o e i n N a n j i 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