大功率机车制动盘和闸片的研究

大功率机车制动盘和闸片的研究

高锋 于春生

中车大连机车车辆有限公司 辽宁 大连 116000

摘要;我国传统的机车制动方式是采用踏面制动，该制动方式是闸瓦紧压滚动着的车轮踏面，通过闸瓦与车轮踏面的机械摩擦将机车的动能转变为热能，耗散于大气，并产生制动力。热能在闸瓦与车轮之间传递，对车轮踏面有机械磨损和热影响，这样，不仅会加速踏面磨损、降低车轮使用寿命，而且会使车轮承受周期热负荷，导致踏面的热疲劳和剥离，严重时会使车轮产生弛缓造成安全事故。因此，踏面制动方式一般适用于中低速机车。我国“高速重载”运输的发展，机车功率不断增大，速度也不断提高，且由于机车的制动功率与速度的立方成正比，对于高速机车，要在短时间内耗散制动所产生的巨大能量，满足对制动距离的设计要求，踏面制动方式已很难达到。因此，为满足制动要求及制动性能，目前高速机车的制动方式常采用盘形制动。

关键词:大功率；机车制动盘；闸片研究

引言

摩擦制动是高速列车最终实现停车所必要的基础制动方式。由于盘型制动在摩擦系数稳定，制动功率大，有利于平稳停车并能有效减少车轮踏面的热损伤等方面的优势，成为高速列车和大功率机车摩擦制动的主导方式，得到广泛应用。

1制动盘的安装方式及结构形式

制动盘可安装在轮对上（轮盘制动，图1），也可安装在车轴上或者空心轴套上。制动盘安装在轮对上时，一根轴上最多只能安装4个盘即4个摩擦面，而安装在车轴或者空心轴套上，可以在车轴内侧或外侧，在空间允许的条件下可以安装4个制动盘8个摩擦面，能提供更大制动力。

图1轮盘制动

制动盘的结构形式有几种，其中包括带有筋条的铸铁盘和实心锻钢盘。带筋条的制动盘优点是因通风可有效地降低盘体温度，但缺点是机车在高速运行时导致的风阻大，制动盘消耗功率大。实心制动盘因风阻消耗的功率就小得多，但其盘体温度远高于带筋条制动盘,因此，实心制动盘对盘体的材料要求更高。3制动盘温度应力的研究机车的制动过程实际上是一个能量转换的过程，高速机车在制动时产生的巨大热负荷会使制动盘盘体快速达到很高的温度，同时产生很大的温度梯度，从而产生了热应力，造成制动盘盘体的蠕变和热疲劳损坏。因此，制动盘的温度应力也成为人们研究的一个主要方向。研究制动盘温度应力的主要方法一般有实验法和数值模拟2种。

实验法是在制动过程中，用相关仪器设备对盘面温度进行测量，总结出制动盘的温度场特征。而数值模拟主要是在模拟制动工况下得出温度场和应力场分布情况及其变化规律。分析结果表明：制动盘表面瞬时温度越高，其产生的残余拉应力越大。而该残余拉应力会和制动过程中产生的热应力组成了拉压循环应力，从而加剧热疲劳裂纹的形成。

2大功率机车半金属基合成闸片的研究

闸片性能的好坏直接影响到制动性能、制动盘的使用寿命和闸片本身的使用寿命。经过大量的配方筛选和小样试验，研制成功了性能优良的半金属基合成闸片。半金属基合成闸片是由高分子化合物多元共混的粘合剂（树脂）、耐热补强金属纤维、摩擦改进剂金属粉、摩擦稳定剂及填料配合高温压制而成的。根据国际标准要求，其弹性模量通常控制在1.0×103MPa以下，这有利于闸片和制动盘摩擦面的有效贴合，制动时避免瞬时局部高温，降低对制动盘热裂及热斑等的损伤程度。

3大功率机车制动盘和闸片的1：1

制动动力试验台试验蠕墨铸铁制动盘与半金属基合成闸片配对的摩擦制动性能能否满足大功率机车的制动要求，必须通过1：1制动动力试验台进行验证试验。1：1制动试验是在铁道部产品质量监督检验中心机车车辆检验站的1：1制动动力试验台上进行的，分别进行了磨合试验、一次停车制动试验、常用制动试验、坡道连续制动试验和静摩擦试验。制动盘与闸片配对轴重为23t的紧急制动试验数据如表2、表3所示，轴重为25t的紧急制动试验数据如表4所示。蠕墨铸铁制动盘与半金属基合成闸片配对的坡道制动摩擦系数不低于0.360，静摩擦系数分别为0.47，一次停车制动的总磨耗量为0.38cm3/MJ。蠕墨铸铁与半金属基合成闸瓦配套及优化，可以得到很好的摩擦性能，并使摩擦面保持光滑如镜，有利于保证摩擦盘体与闸片的密贴，使制动盘与闸片充分发挥各自的作用，消除制动盘和闸片局部高温的问题，使制动盘摩擦面得到比较均匀的温度场分布，减少了制动盘的温度梯度，从而使制动盘的热应力得到降低，延长其使用寿命。

4高速机车制动盘优化设计

制动系统具有良好的制动性能，在对制动盘设计时，需考虑3点：①制动盘盘体的材料在满足性能要求后尽量轻量化；②制动盘的结构具有良好的通风散热特性；③制动盘和与其相配套的闸片之间有合理的匹配关系。

因此，对高速机车制动盘的优化设计可从以下几方面考虑：

①采用更优质的材料。为满足机车高速要求，机车尽可能轻量化处理已成趋势，而减轻制动盘的重量是降低机车重量的一个重要方式，同时，还可以降低簧下重量来改善机车动力学性能。目前正在研究的在铝基复合材料的制动盘表面涂以金属陶瓷涂层、超合金涂层是一个有望获得成功的研究方向，不但可以改善制动盘的性能、降低制动盘重量，而且相对于研制新材料而言又可大大节约成本。

②结构上的优化。制动盘在短时间内产生大量热量，除了提高自身性能之外，还可以通过制动盘结构进行强行散热。例如通过在制动盘摩擦面开导流槽的方法，可以强化制动盘的散热作用。当闸片压在制动盘上形成封闭管路后，槽内空气流速显著提高，开导流槽同时增加了散热面积，能有效降低制动盘的温度，达到强化散热的作用。另外制动盘体与盘毂的连接设计也需考虑制动盘体周期性膨胀收缩的空间。

③合理的制动盘和闸片的匹配关系。制动盘与闸片是盘形制动中的一对摩擦副，闸片性能的好坏直接影响到制动性能、制动盘的使用寿命和闸片本身的使用寿命。只有当两者的摩擦特性相近时,才能发挥最佳制动效果，因此需考虑制动盘与闸片之间最优的匹配关系，如：二者的硬度、磨耗量以及相互间的摩擦系数等。

5机车制动盘应用分析

5.1实验法

我们在机车制动过程中，使用红外热像仪设备对机车制动过程中的三种不同材料制作的制动盘盘面温度进行测量，总结得出制动盘的温度场特点：制动盘盘面的温度梯度是从细窄的带状发展成二维的平面状，进而变成三维的球状；制动盘盘面的温度开始快速上升紧接着急速下降再缓慢地下降。

5.2数值模拟法

为了对机车制动片进行有限元数据分析，首先要建立制动盘的三维构造模型，并且将其中不重要的部分结构细节简单化处理，再选择合适的模型建立软件。在本次试验过程中，我们选择ANSYS有限元分析软件，在软件中分别设置材料的相关属性，获取制动盘的有限元计算模型。在不同条件下对机车制动盘进行了测试。得到实验数据后，使用ANSYS在不同的条件下依次对三种不同材料制作的制动盘进行热机耦合有限元分析。通过对试验结果的分析我们可以得到，对于制作材质和轴承重量不同的机车制动盘，机车制动过程中制动盘温度随时问变化数据，应力随时间变化。

结语

综上所述，重载机车对制动盘的要求越来越高，制动盘的设计不仅要从制动盘材料、制动盘结构考虑，同时也要考虑制动盘与闸片间的匹配关系。因此，盘形制动装置的成功设计，需在满足制动要求及制动性能的前提下，还要做到尽量减小对制动盘本体的损伤，以提高制动盘的使用寿命。

参考文献：

［1］宋宝韫，高飞，陈吉光，等.高速列车制动盘材料的研究进展［J］.中国铁道科学，2004，25（4）：11-17.