高鐵列車剎車片的研究現(xiàn)狀與展望

1、成 績(jī)高鐵列車剎車片的研究現(xiàn)狀與展望學(xué)號(hào) ZS10050017 姓名 成鈺龍摘 要：介紹了國內(nèi)外列車剎車片材料的開展歷程和現(xiàn)階段新型剎車片材料的開展?fàn)顩r，并且展望了以碳系復(fù)合材料為主要開展方向的未來高速化鐵路的新型剎車材料概況。關(guān)鍵詞：高速鐵路；剎車片；粉末冶金；C/C復(fù)合摩擦材料；高磨合成材料0 引言在當(dāng)今時(shí)代，火車、汽車、城軌等已毫無例外地成為人類陸地客貨運(yùn)輸無可替代的現(xiàn)代化工具，在社會(huì)生活中發(fā)揮著舉足輕重的作用，并在可以預(yù)見的未來相當(dāng)長的時(shí)間內(nèi)，車輛工業(yè)仍將是國民經(jīng)濟(jì)重要的支柱產(chǎn)業(yè)，人類對(duì)車輛的要求越來越高，如高速、重載、平安可靠、乘坐舒適、操作方便、低能耗、無公害、輕量化等，車輛工業(yè)相

2、應(yīng)呈現(xiàn)出蓬勃的多元開展態(tài)勢(shì)。長期以來，我國列車一直在低速狀態(tài)下運(yùn)行，而鐵路的高速化程度是評(píng)判國家交通興旺與否的一個(gè)重要標(biāo)志，早在20世紀(jì)90年代中期，日、法、德等國就已經(jīng)開通了最高時(shí)速達(dá)300km/h的高速鐵路，而我國從1997年4月1日到2023年4月1日共進(jìn)行了6次大提速，普通動(dòng)車時(shí)速已經(jīng)到達(dá)160200km/h。隨著2023年6月京津城際高鐵的開通，我國高鐵最高時(shí)速已經(jīng)超過350km/h。而今年設(shè)計(jì)時(shí)速380km/h的京滬高鐵的完工標(biāo)志著我國高速鐵路已經(jīng)走在世界的前列，為此國家在“十一五方案綱要中指出，要逐步實(shí)現(xiàn)客運(yùn)專線的高速化，普通動(dòng)車時(shí)速要提高到200300km/h，高速鐵路最，高時(shí)

3、速應(yīng)大于350km/h1。隨著我國高速鐵路的快速開展，其各項(xiàng)性能要求也相應(yīng)的提高，尤其對(duì)制動(dòng)性能提出了更嚴(yán)格的要求，這是因?yàn)榱熊嚨闹苿?dòng)功率與車速呈3次方關(guān)系2，也就是說，列車速度提高1倍，制動(dòng)功率那么需增加8倍。目前列車的緊急制動(dòng)主要是依靠車輛制動(dòng)系統(tǒng)中的制動(dòng)盤和剎車片摩擦副的摩擦實(shí)現(xiàn)的，而制動(dòng)系統(tǒng)中剎車片的性能好壞對(duì)列車制動(dòng)效果有著非常大的影響，因此，對(duì)其性能提出了更加嚴(yán)格的要求。鐵路車輛制動(dòng)系統(tǒng)中剎車片的開展是隨著鐵路的開展而開展的，在其制動(dòng)材料的研究和應(yīng)用方面經(jīng)歷了一個(gè)漫長的開展過程。盤式制動(dòng)器制動(dòng)剎車片經(jīng)歷了合成剎車片到粉末冶金剎車片的開展歷程，隨著鐵路列車向著高速和重載方向的開展，制

4、動(dòng)材料需要同時(shí)滿足以下幾個(gè)方面的性能要求：較高摩擦力及優(yōu)良的耐磨性能；足夠的抗沖擊強(qiáng)度；導(dǎo)熱性好；不受氣候影響、摩擦系數(shù)穩(wěn)定；一定的經(jīng)濟(jì)性；便于成型和實(shí)現(xiàn)輕量化。因此，世界各國的研究人員對(duì)高性能高速鐵路剎車片材料的研究也在不斷的深入，并在碳纖維復(fù)合材料及陶瓷復(fù)合材料等新型材料上取得了一定的成績(jī)。 國內(nèi)外剎車片材料的開展1.1 國外剎車片材料的開展日本是高速鐵路開展最為迅速的國家，日本東海道新干線在1964年10月1日正式開通了世界上第一條高速鐵路，列車運(yùn)行速度到達(dá)了210km/h。目前，日本高鐵穩(wěn)定運(yùn)行速度是300km/h，隨著列車的高速化，其制動(dòng)系統(tǒng)中剎車片材料的研究與應(yīng)用也進(jìn)入了一個(gè)新時(shí)期

5、。日本高鐵的剎車片材料經(jīng)歷了由合成材料，粉末冶金材料到碳纖維材料的過程。合成材料在高鐵早期被廣泛使用，但是合成剎車片在250高溫下，磨損迅速增加的弱點(diǎn)使其只能在180200km/h以下的高鐵上使用3。隨著列車速度的提升，合成剎車片已經(jīng)不能滿足其技術(shù)要求，隨后日本開始開發(fā)粉末冶金剎車材料。由于粉末冶金剎車材料的使用溫度較高，當(dāng)制動(dòng)單元體積溫度到達(dá)500以上，閃點(diǎn)溫度到達(dá)1000左右的時(shí)候，粉末冶金剎車片仍能保持良好的剎車性能，適用溫度比合成材料提高，相應(yīng)的適用速度、沖擊韌性也較合成材料有了一定的提高4-5，因此粉末冶金剎車材料慢慢的替代了合成材料。繼日本之后，歐美各國也競(jìng)相開展高速鐵路，其中法國

6、的TGA，德國的ICE，和西班牙的AVE都是最具代表性的高速鐵路。這些國家的高鐵目前所使用的制動(dòng)閘片主要為粉末冶金剎車片6。但是作為航空業(yè)潛在競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的高速鐵路，人們對(duì)其速度和效率的要求也在不斷提高，在這種情形下，有必要開發(fā)一種耐高溫、質(zhì)量輕的新型剎車材料，而目前各個(gè)興旺國家不斷深入研究的碳纖維復(fù)合材料和陶瓷復(fù)合材料是一種較為理想的高速鐵路剎車材料。1.2 國內(nèi)剎車片材料的開展我國從20世紀(jì)50年代末開始開展電氣化鐵路以來，列車長期處于低速狀態(tài)下運(yùn)營，車輛制動(dòng)器主要采用鑄鐵剎車片踏面制動(dòng)方式。改革開放以來，隨著我國鐵路運(yùn)行速度不斷的提高，剎車片踏面制動(dòng)方式已不能滿足性能要求，在客運(yùn)列車上開始采

7、用盤形制動(dòng)方式，早期在25.5m，空調(diào)雙客和160km/h的準(zhǔn)高速鐵路上采用了盤形制動(dòng)合成剎車片7。1994年，中國第一條準(zhǔn)高速鐵路廣深鐵路建設(shè)成功并投入運(yùn)營，其旅客列車速度為160200km/h，已成為中國鐵路高速化的起點(diǎn)。其最高時(shí)速為210km/h左右，由于合成剎車片磨損量大，機(jī)械強(qiáng)度較低，沖擊韌性較差，并且在運(yùn)行中會(huì)出現(xiàn)微裂紋，特別是在雨季和潮濕地區(qū)，因潮濕而導(dǎo)致摩擦力減小，導(dǎo)致其使用壽命降低8。為了更好的適應(yīng)我國的運(yùn)行環(huán)境，隨后的廣深高鐵采用了導(dǎo)熱性能好、摩擦系數(shù)穩(wěn)定的粉末冶金剎車片，防止了合成剎車片實(shí)際應(yīng)用中的缺陷，使得高鐵的制動(dòng)效率和平安系數(shù)得到很大的提高。但是這一時(shí)期的粉末冶金剎

8、車片還主要依靠進(jìn)口，在一定程度上制約了我國高鐵的開展，為了降低高鐵的制動(dòng)系統(tǒng)本錢，我國開始自主研制高鐵用粉末冶金剎車片。此后，在國內(nèi)京津高鐵上國產(chǎn)粉末冶金剎車片被廣泛應(yīng)用。綜上所述，國內(nèi)外剎車片材料的開展主要經(jīng)歷了金屬材料、合成材料、粉末冶金材料等幾類，表1列出了其主要材料類型及性能指標(biāo)。表 剎車片主要材料類型及性能比擬9工程鑄鐵合成材料粉末冶金摩擦系數(shù)12323濕潤時(shí)摩擦系數(shù)穩(wěn)定不穩(wěn)定稍不穩(wěn)定磨耗量相對(duì)值10.10.1質(zhì)量相對(duì)值11/31/2價(jià)格比156適用車輛電動(dòng)車、客車內(nèi)燃機(jī)車、高速客車特快高鐵隨著科技的進(jìn)步，高速鐵路的速度得到不斷提高，其剎車制動(dòng)裝置的使用條件也越來越苛刻，人們對(duì)其性能

9、要求也在不斷提高，這要求剎車制動(dòng)裝置要在短時(shí)間使得高鐵停下來。這會(huì)使高鐵巨大的動(dòng)能轉(zhuǎn)化成制動(dòng)剎車片的摩擦熱能，摩擦副外表溫度會(huì)急劇上升，這樣會(huì)影響到摩擦材料的摩擦系數(shù)，使得高鐵的平安性、可靠性降低。因此，為了滿足高速鐵路的綜合技術(shù)指標(biāo)，這就需要不斷的探討和開發(fā)出高性能的剎車材料。 新型剎車片材料的研究2.1 復(fù)合型剎車片為了滿足未來高速鐵路的制動(dòng)技術(shù)要求，國內(nèi)外科研工作者都在努力研制開發(fā)高性能剎車片材料，以滿足市場(chǎng)要求。其中C/C復(fù)合材料是近幾年開發(fā)出來的新型制動(dòng)材料，是一種C纖維增強(qiáng)、以C為基體的新型結(jié)構(gòu)材料，它具有質(zhì)量輕、模量高、比強(qiáng)度大、熱膨脹系數(shù)低、耐高溫、耐熱沖擊、耐腐蝕、吸震性好等

10、一系列的優(yōu)良性能10-11，C/C復(fù)合材料的這些獨(dú)特性能使之能同時(shí)完成剎車副的三項(xiàng)功能，即提高摩擦、傳遞機(jī)械載荷、吸收動(dòng)能。從碳纖維增強(qiáng)體的結(jié)構(gòu)來看，其可以分為三種，第一種為單層氈，其由于短纖維未能形成完整的纖維增強(qiáng)體，導(dǎo)致材料力學(xué)性能低，所以該種結(jié)構(gòu)所制，備的剎車片主要用于早期的實(shí)驗(yàn)機(jī)型；第二種為整體氈，其碳布層結(jié)構(gòu)所制的材料因其層剪切強(qiáng)度低，垂直導(dǎo)熱率低等因素的影響，其應(yīng)用的剎車片也是早期機(jī)型；第三種結(jié)構(gòu)為針刺氈結(jié)構(gòu)，非常適宜CVD工藝增密，并且所制的材料具有良好的力學(xué)、熱學(xué)和摩擦磨損性能，已經(jīng)成為目前C/C復(fù)合材料增強(qiáng)體的根本結(jié)構(gòu)，并取得不斷改良。C/C復(fù)合材料制動(dòng)剎車片由于本錢高，主要

11、用于飛機(jī)制動(dòng)器，但是隨著近年來高速鐵路的開展，國內(nèi)外科技工作者開始研制開發(fā)用于高速鐵路的C/C復(fù)合材料制動(dòng)剎車片。德國KnoorBremse公司研制的一種碳纖維復(fù)合材料制動(dòng)器，實(shí)驗(yàn)證明，該制動(dòng)器在時(shí)速高達(dá)250km/h下質(zhì)量尚好。在該公司試驗(yàn)臺(tái)以250km/h試驗(yàn)時(shí)，其吸收的制動(dòng)能高達(dá)100MJ。法國碳工業(yè)公司制造的碳纖維復(fù)合材料的比熱容是鋼的2倍，線脹系數(shù)和彈性模量都比擬小，具有優(yōu)異的耐高溫性能。它能在1000的高溫下工作，件重僅為鋼的1/4，目前已經(jīng)在TGV-A上得到應(yīng)用。日本新干線270km/h電動(dòng)車制動(dòng)系統(tǒng)也采用了碳纖維增強(qiáng)材料12。由此可見，碳纖維復(fù)合材料是一種國際上重點(diǎn)開發(fā)的剎車片

12、材料，我國在C/C復(fù)合材料制動(dòng)剎車片的研發(fā)上也已經(jīng)起步。2.2 合成剎車片合成摩擦材料是將金屬粉末、酚醛樹脂和摩擦調(diào)節(jié)劑等經(jīng)充分混煉后加熱壓制而成，它將材料與制品工序合二為一。所用摩擦調(diào)節(jié)劑，一般是采用腰果殼油制成的顆粒。按形狀與制動(dòng)方式的不同，又分為合成剎車片和合成閘片。合成剎車片與閘片的配方與工藝相同，改變其配比工藝，可獲得不同的摩擦系數(shù)。我國目前研制的合成剎車片分低摩擦系數(shù)合成剎車片和高摩擦系數(shù)合成剎車片。合成摩擦材料具有如下明顯的特色：可通過改變材質(zhì)配方和工藝在一定范圍內(nèi)可調(diào)整其物理機(jī)械性能，耐磨性好，使用壽命可達(dá)鑄鐵剎車片/閘片的四倍以上，制動(dòng)時(shí)無火花，重量輕，高速區(qū)摩擦系數(shù)大且不隨

13、列車速度的改變而變化。合成摩擦材料也存在如下幾個(gè)缺乏之處13：一是導(dǎo)熱性差，制動(dòng)量熱量難以散發(fā)，因而車輪產(chǎn)生溫升，甚至導(dǎo)致熱裂。其次是在濕潤狀態(tài)下，摩擦系數(shù)大為下降，受天氣影響大，在雨雪天氣制動(dòng)能力下降。此外，這類剎車片與車輪踏面反復(fù)磨合后，使二者間的粘性降低；有機(jī)合成摩擦材料的使用溫度一般不能超過250。當(dāng)制動(dòng)處溫度達(dá)250時(shí)，其磨損率急劇增加。溫度較高時(shí)，由于其組分的改變，摩擦系數(shù)也將改變。有機(jī)合成摩擦材料推薦使用在時(shí)速160200km的列車上。2.3 高磨合成剎車片高摩合成剎車片研究工作開展最早的有英國、美國和前蘇聯(lián)。1907年，英國飛洛多公司用棉毛混紡條層壓成剎車片，并用于倫敦地鐵。以

14、后逐漸改良，至50年代己改用以石棉等為增強(qiáng)材料和酚醛樹脂為黏合劑的合成剎車片。美國早在1924年就開始研制以層壓木為非金屬摩擦材料，并應(yīng)用于鐵路車輛制動(dòng)。1954年以后，“Cobra 牌號(hào)合成剎車片作為商品形式在鐵路上大量使用，其主要成分為合成橡膠、石棉等，摩擦系數(shù)在每小時(shí)140公里速度時(shí)為0.26，耐磨性為鑄鐵剎車片的5倍。蘇聯(lián)在合成剎車片的研究上開始也很早，在地下鐵道中早就使用層壓木的塑料剎車片。不過新的合成剎車片的材質(zhì)研究是從1956年開始。曾用三種類型的黏合劑，分別為酚醛樹脂、合成橡膠、酚醛樹脂和合成橡膠混合物。試驗(yàn)結(jié)果說明：采用合成橡膠為黏合劑的高摩合成剎車片的制動(dòng)性能優(yōu)異。已廣泛應(yīng)

15、用于快速旅客列車上。 展望高速鐵路的不斷開展勢(shì)必會(huì)對(duì)會(huì)其制動(dòng)裝置中摩擦材料的性能提出更高的要求，高鐵行駛速度的提升要求摩擦材料能夠在較寬的速度、溫度范圍內(nèi)具有穩(wěn)定的摩擦性能。國內(nèi)外對(duì)此進(jìn)行了廣泛的研究，從鑄鐵摩擦材料、合成摩擦材料、粉末冶金摩擦材料到C/C復(fù)合摩擦材料以及高磨合成材料，其中C/C復(fù)合摩擦材料能夠很好解決鑄鐵材料的銹蝕、摩擦性能低、摩擦噪音等問題，相對(duì)于粉末冶金材料其在質(zhì)量和強(qiáng)度上有更大的優(yōu)勢(shì)。從剎車材料開展現(xiàn)狀和近幾年的研發(fā)方向，可看出，剎車材料的主要研究方向是開發(fā)集優(yōu)良導(dǎo)熱性、穩(wěn)定摩擦系數(shù)、耐高溫抗沖擊、耐磨減磨、質(zhì)量輕便的碳系復(fù)合材料?？深A(yù)見，通過不斷改良碳系復(fù)合材料，它將

16、會(huì)在高速鐵路上被廣泛應(yīng)用。參考文獻(xiàn):1 王廣闊，方玉誠，羅錫裕粉末冶金摩擦材料在高速列車制動(dòng)中的應(yīng)用J粉末冶金工業(yè)，2023，33(2)，28-332 鐵道部第四設(shè)計(jì)院高速鐵路M北京，中國鐵道出版社19843 戴雅康高速列車摩擦制動(dòng)材料的現(xiàn)狀與開展J機(jī)車車輛工藝，1994，2(7)，5-94 周繼承，黃伯云列車制動(dòng)摩擦材料研究進(jìn)展J材料科學(xué)與工程，1997，17(2)，91-935 王澤華復(fù)合材料在高速列車上的應(yīng)用J機(jī)械工程材料2001，25(10)，1-46 吳云興機(jī)車車輛工藝J機(jī)車車輛工藝，1996，(2)，1-57 孫新海，呂換小，卜華娜，等25.5，m，空調(diào)雙層客車制動(dòng)技術(shù)J鐵道車輛，1994，(8)，50-558 Tsujimura，T制動(dòng)盤金屬材料的高速摩擦及磨耗特性J