混雜纖維盤式制動(dòng)閘片材料的裝車實(shí)驗(yàn)研究

王海慶,王成國(guó),莊光山,孫 毅,姚永強(qiáng),鄭樹偉

(1山東大學(xué)材料學(xué)院材料液態(tài)結(jié)構(gòu)及其遺傳性教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,濟(jì)南250061;2山東鐵道學(xué)會(huì),濟(jì)南250001;3兗州鐵龍公司,山東兗州272030)

混雜纖維盤式制動(dòng)閘片材料的裝車實(shí)驗(yàn)研究

王海慶1,王成國(guó)1,莊光山1,孫 毅1,姚永強(qiáng)2,鄭樹偉3

(1山東大學(xué)材料學(xué)院材料液態(tài)結(jié)構(gòu)及其遺傳性教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,濟(jì)南250061;2山東鐵道學(xué)會(huì),濟(jì)南250001;3兗州鐵龍公司,山東兗州272030)

采用混雜纖維作增強(qiáng)材料生產(chǎn)列車客車車輛閘片,依據(jù) TB/T3118—2005進(jìn)行了“現(xiàn)車運(yùn)用試驗(yàn)”。實(shí)際測(cè)量了閘片的磨耗和表面狀況,在線測(cè)量了制動(dòng)盤厚度變化并對(duì)制動(dòng)盤表面進(jìn)行了觀測(cè)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,閘片線磨損率低,表面平整無龜裂、塌邊和掉渣等,制動(dòng)盤面光潔,無集中產(chǎn)生熱斑和微裂紋等異常狀況。摩擦學(xué)機(jī)理分析指出,混雜纖維閘片摩擦工作面的成膜成分直接影響盤-片對(duì)磨偶的摩擦形貌,其成分的相對(duì)穩(wěn)定化是改善盤-片匹配性的關(guān)鍵。

合成閘片;混雜纖維;摩擦磨損性能;制動(dòng)盤

在制動(dòng)材料中使用混雜纖維,可以充分發(fā)揮不同類型的纖維各自的性能特點(diǎn),同時(shí)可以在微觀形態(tài)結(jié)構(gòu)層次上形成無規(guī)交叉堆砌網(wǎng)絡(luò)(如包埋、錨固、搭接和絞纏等),使制備的產(chǎn)品獲得全面的摩阻性能[1-4]。選用炭纖維、金屬纖維及其他纖維作為混雜纖維制備閘片,可利用炭纖維減摩質(zhì)輕、金屬纖維高強(qiáng)導(dǎo)熱的特點(diǎn),使得閘片既有適宜的力學(xué)性能又有良好的摩阻性能[5]。

作為列車所使用的制動(dòng)材料,由于服役于高速和大軸重使用條件,因而除了在其初裝時(shí)就有嚴(yán)格性能的要求外,還要考慮到其在列車運(yùn)行全程的使用可靠性。

閘片的制動(dòng)性能一般是通過試樣實(shí)驗(yàn)、慣性臺(tái)實(shí)驗(yàn)和實(shí)車道路實(shí)驗(yàn)進(jìn)行評(píng)價(jià)的。試樣實(shí)驗(yàn)?zāi)苎杆俚氐贸鼋Y(jié)論,多用于閘片配方篩選階段。慣性臺(tái)實(shí)驗(yàn)可在室內(nèi)模擬車輛的實(shí)際工況,獲得閘片的摩擦因數(shù)、磨耗量、制動(dòng)表面溫升及靜摩擦因數(shù)等重要參數(shù)。實(shí)車道路實(shí)驗(yàn)被認(rèn)為是鑒定閘片使用性能的最直接的方法,它能全面地反映出使用過程中的出現(xiàn)的各種問題,尤其是可以考察閘片的長(zhǎng)期可靠性和它與制動(dòng)盤的匹配性情況等;但牽涉到多部門的協(xié)調(diào),其周期也較長(zhǎng)。

與列車客車車輛在用的半金屬及粉末冶金閘片相比,混雜纖維盤式制動(dòng)閘片屬于新型配方材料。TB/T3118—2005《鐵道車輛用合成閘片》的“6.3現(xiàn)車運(yùn)用實(shí)驗(yàn)”的規(guī)定,新閘片首次提供批量產(chǎn)品前,應(yīng)通過一段期限的連續(xù)運(yùn)用實(shí)驗(yàn)來考查閘片的性能,運(yùn)用實(shí)驗(yàn)的車輛類型、運(yùn)行線路區(qū)段由鐵路主管部門確定。根據(jù)鐵道部運(yùn)輸局運(yùn)裝客車電[2006]2813號(hào)和濟(jì)南鐵路局輛客電[2006]389文件,濟(jì)南鐵路局車輛段于2007年6月28日開始批量裝車使用新型混雜纖維材料盤式閘片。本工作考察了裝車使用中的閘片的磨耗情況和對(duì)偶制動(dòng)盤的表面和尺寸變化情況。

1 實(shí)驗(yàn)

裝車實(shí)驗(yàn)所用閘片系山東大學(xué)研制[5],并由路內(nèi)廠家(兗州鐵龍公司)合作生產(chǎn)。閘片厚度測(cè)量使用游標(biāo)卡尺,制動(dòng)盤測(cè)厚使用鐵路閘盤磨耗計(jì)量專用尺,閘片和制動(dòng)盤表面形貌狀況采用Sony W-1數(shù)碼相機(jī)拍攝。閘片微觀組織SEM圖采用J XA-8800電鏡(Japan Electron出品),試樣從裝車10個(gè)月后的混雜纖維閘片上切割,表面經(jīng)噴金處理。

裝車實(shí)驗(yàn)車為25G型2598/2597次編組的客車車輛。2007年6月28日混雜纖維閘片開始裝車使用時(shí),該輛車剛剛進(jìn)行過段修。客車車輛的車況為:運(yùn)行區(qū)間泰山—北京;運(yùn)行里程558km,即該車輛每天往返運(yùn)行1116km;車輛編號(hào):RW25G 553403號(hào)(軟臥車);配對(duì)制動(dòng)盤:一軸、三軸系中國(guó)南車集團(tuán)戚墅堰機(jī)車車輛工藝研究所鐵馬科技有限公司生產(chǎn)的整體式鑄鐵盤,二軸、四軸系鐵道科學(xué)研究院機(jī)車車輛研究所生產(chǎn)的對(duì)開式 H-300A灰鑄鐵盤。

2 結(jié)果與分析

2.1 混雜纖維閘片的磨耗及表面狀況觀察

混雜纖維閘片在鐵道部產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢測(cè)中心機(jī)車車輛檢測(cè)站進(jìn)行了1∶1制動(dòng)動(dòng)力實(shí)驗(yàn)臺(tái)實(shí)驗(yàn),其典型的各種制動(dòng)初速度下的一次停車常規(guī)制動(dòng)瞬時(shí)摩擦因數(shù)曲線參見圖2所示,混雜纖維閘片的磨損率值為0.57cm3/MJ(TB/T3118—2005規(guī)定的磨耗指標(biāo)范圍是≤1.0cm3/MJ)。

混雜纖維閘片2007年6月28日裝車后,在2007年11月7日和2008年4月16日濟(jì)南車輛段組織人員拆裝RW 25G 553403號(hào)車掛裝的閘片,測(cè)量了閘片的線磨耗量并對(duì)閘片表面狀況進(jìn)行了觀察,測(cè)量值見表1。

按照 TB3118—2005標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定,混雜纖維閘片出廠時(shí)厚度應(yīng)為根據(jù)鐵路部門的維護(hù)維修規(guī)范閘片磨耗至厚度5.0mm時(shí)視為到限,即閘片厚度減少值達(dá)到23.0mm時(shí)應(yīng)該更換。根據(jù)以上實(shí)測(cè)結(jié)果,裝車使用4個(gè)月后(行駛里程14.5萬公里)閘片最大線磨耗值為2.25mm,裝車使用10個(gè)月后(行駛里程32萬公里)閘片最大線磨耗值為3.88mm,可以預(yù)見該閘片的預(yù)期使用壽命應(yīng)該超過2年半的段修期。

表1 裝車使用的閘片的磨耗測(cè)量結(jié)果Table 1 The thickness decrease of brake pads after employed 4 months and 10 months

混雜纖維閘片裝車前及使用一段時(shí)間后,觀測(cè)記錄了閘片外觀及表面情況,并使用Sony W-1數(shù)碼相機(jī)拍攝了其表面形貌照片,裝車前后典型的混雜纖維閘片的表面狀況見圖3。

圖3 閘片裝車使用前后的表面狀況(a)裝車前;(b)裝車4個(gè)月后;(c)裝車10個(gè)月后Fig.3 Hybrid fibers pad’s surface(a)before install;(b)being installed after 4 months;(c)being installed after 10 months

從混雜纖維閘片的外觀來看,裝車前閘片無外觀缺陷,符合 TB/T3118—2005中4.3款對(duì)閘片的要求。使用一段時(shí)間后,閘片無燒痕、局部隆起、局部或整體變形、黏結(jié)材料熔化、表面裂紋、剝離、凹陷、黏結(jié)劑滲出和金屬鑲嵌現(xiàn)象,也沒有出現(xiàn)閘片折斷,摩擦襯片材料脫落及掉塊等異常狀況。

分析混雜纖維閘片得到適宜的摩擦因數(shù)和具有較好的摩擦表面狀態(tài)的原因,可以從閘片在制動(dòng)過程中表面成分的微觀結(jié)構(gòu)的變化入手。目前的一般的摩擦材料的配方研究中,采用的研究方法多是改變某一成分的比例,再用試樣實(shí)驗(yàn)測(cè)定對(duì)應(yīng)的制件的摩擦性能,這在摩阻材料早期研究中是普遍接受的,這種研究方法只是概要的描述了摩擦材料結(jié)構(gòu)(即材料的化學(xué)成分及添加比例)與性能的關(guān)系。較為精細(xì)的研究指出[6],制動(dòng)系統(tǒng)的摩擦作用最突出的部位集中在閘片/制動(dòng)盤的接觸界面,作為有機(jī)閘片而言,其摩擦后的表面成分會(huì)有別于閘片本底材料。由于制動(dòng)所帶來的垂直壓力、強(qiáng)力剪切和摩擦熱的等機(jī)械力和生熱的雙重作用,有機(jī)黏結(jié)劑會(huì)產(chǎn)生化學(xué)鍵扯斷和熱降解,造成閘片摩擦接觸部位的化學(xué)成分發(fā)生變化,形成“第三體”材料薄層。Jacko[7]指出,摩擦碎片壓實(shí)所形成的所謂摩擦膜層在制動(dòng)過程中對(duì)穩(wěn)定摩擦因數(shù)起著重要作用。?sterle[8]利用掃描電鏡及表面分析技術(shù),對(duì)做過制動(dòng)模擬實(shí)驗(yàn)的常規(guī)制動(dòng)材料的表面化學(xué)成分和金相組織變化進(jìn)行了研究,發(fā)現(xiàn)“第三體”材料的碎片系由制動(dòng)閘片的所有組分和制動(dòng)盤上脫落的氧化鐵粉的混合物組成。磨損的主要機(jī)理是,在粗糙摩擦條件下黏結(jié)劑即酚醛樹脂局部降解后,加劇了填充粒子從有機(jī)黏結(jié)劑上的剝離,在配方含有蛭石、石英、BaSO4和Sb2S3等成分時(shí),細(xì)粉剝落成灰而石英大顆粒保留下來填實(shí)在表面上作為硬質(zhì)磨粒。

從使用工況來看,列車制動(dòng)時(shí)閘片最初始要經(jīng)受高剪切力,然后又會(huì)在摩擦生熱作用下急劇升溫,該過程中閘片中的無機(jī)纖維及填料的物化性能變化不大,較高溫度下金屬成分會(huì)發(fā)生氧化,而基體樹脂是對(duì)熱最為敏感的組分。制動(dòng)時(shí)的高剪切產(chǎn)生的力化學(xué)作用導(dǎo)致酚醛大分子鏈斷鏈,而摩擦熱又會(huì)使材料摩擦表面層上的樹脂成分熱裂解,沿表層向里也會(huì)發(fā)生不同程度的熱裂解,從而導(dǎo)致表面層的各成分間的結(jié)合強(qiáng)度發(fā)生較大的變化。傳統(tǒng)的半金屬制動(dòng)閘片在其力化學(xué)和熱性能設(shè)計(jì)不良時(shí),會(huì)因反復(fù)制動(dòng)而導(dǎo)致表面成分的不確定性化,故其摩阻性能會(huì)在制動(dòng)中發(fā)生波動(dòng),宏觀上閘片就發(fā)生發(fā)脆、掉渣、龜裂甚至冒煙等現(xiàn)象,其典型的表面缺陷參見圖4。

借鑒炭纖維生產(chǎn)過程中聚丙烯腈預(yù)氧化過程[9]以及酚醛樹脂受熱稠環(huán)化[10]及炭化[11]的機(jī)理,在文獻(xiàn)[12]中設(shè)計(jì)了新型的改性酚醛樹脂結(jié)構(gòu),提出了利用摩擦作用使表面層樹脂成分部分成環(huán)化的手段穩(wěn)定閘片摩擦因數(shù)的措施,即讓摩擦表面上成環(huán)化的近似瀝青質(zhì)的“第三體”膜層成分粘牢并壓實(shí)摩擦表面的填料碎屑(見圖5),使得表面黏著得以穩(wěn)定;成環(huán)化也使得材料的變形作用對(duì)摩擦的貢獻(xiàn)不至于出現(xiàn)很明顯的漲落,這樣閘片材料的摩擦因數(shù)即可消除速度和溫度敏感性。

圖4 半金屬閘片使用過程中的表面形貌Fig.4 Morphological character of straight PF matrix semi-metal brake pad

圖5 類瀝青質(zhì)的“第三體”膜Fig.5 Pitch-like“third body”glace

而采用混雜纖維制造閘片,各種纖維長(zhǎng)徑比不一且軟硬度也不同(其中金屬纖維長(zhǎng)徑比最大也最硬),其相互交叉得不很規(guī)則,故稱為無規(guī)交叉網(wǎng)狀堆砌結(jié)構(gòu)(見圖6)。由于各纖維的長(zhǎng)徑比不同,將形成若干級(jí)網(wǎng)狀堆砌架構(gòu)。鋼纖維直徑最大,調(diào)整其添加比例鋼纖維之間會(huì)形成最粗壯的骨架網(wǎng)絡(luò),鋼纖維和炭纖維和其他種類的纖維之間形成次級(jí)網(wǎng)狀架構(gòu)填充其間,更微細(xì)的粉狀填料和樹脂黏結(jié)劑成分彌散充滿上述架構(gòu)的間隙形成完整的一體化復(fù)合材料。這樣從大到小形成的堆砌架構(gòu)相互補(bǔ)充,優(yōu)勢(shì)互補(bǔ),形成混雜效應(yīng),使閘片材料的制動(dòng)性能更加優(yōu)良。纖維的網(wǎng)狀堆砌架構(gòu)在材料中主要起支撐載荷、傳遞應(yīng)力的作用,因而可以防止閘片表面受到摩擦作用時(shí)出現(xiàn)龜裂、塌邊和掉渣等不良現(xiàn)象。

2.2 混雜纖維閘片與制動(dòng)盤的匹配

制動(dòng)盤的制造和維修成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于制動(dòng)閘片,因此制動(dòng)閘片與其配對(duì)時(shí),尤其應(yīng)該關(guān)注制動(dòng)閘片不應(yīng)該對(duì)制動(dòng)盤有嚴(yán)重攻擊性。從制動(dòng)性能方面看,希望制動(dòng)盤與閘片配偶時(shí),摩擦因數(shù)高且穩(wěn)定,以期獲得更多的制動(dòng)功;而從使用性能方面考慮,制動(dòng)系材料都屬于犧牲材料,都有不斷磨耗和生成新界面的過程。制動(dòng)盤使用時(shí),閘片與制動(dòng)盤面強(qiáng)烈摩擦以耗散列車的動(dòng)能以確保在規(guī)定距離內(nèi)停車,這一摩擦過程必然會(huì)引起制動(dòng)盤面的瞬間溫升,而隨后盤片又經(jīng)歷劇烈的強(qiáng)制通風(fēng)冷卻,這樣制動(dòng)盤承受著較強(qiáng)烈的摩擦作用和熱疲勞沖擊。

圖6 混雜纖維閘片的無規(guī)交叉網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)Fig.6 Irregular crossed network structure of hybrid fibers brake pad

為了衡量制動(dòng)閘片對(duì)制動(dòng)盤的匹配性,利用制動(dòng)盤磨耗測(cè)量專用尺進(jìn)行了測(cè)量,其結(jié)果見表2。

表2 閘片裝車10個(gè)月后對(duì)偶制動(dòng)盤厚度減少值Table 2 Thickness decrease of the disc mated with hybrid fibers brake pad after installed 10 months

從上述數(shù)據(jù)可見,列車運(yùn)行10個(gè)多月制動(dòng)盤的總平均磨耗值為0.625mm,最大磨耗值為1.0mm。根據(jù)有關(guān)技術(shù)規(guī)范,制動(dòng)盤任一側(cè)磨耗達(dá)7mm就需報(bào)廢。若按照本實(shí)驗(yàn)中閘片使用10個(gè)多月后制動(dòng)盤最大磨耗值僅1.0mm外推計(jì)算,制動(dòng)盤磨耗到限的期限可達(dá)到6年。

理論研究和實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明[13],制動(dòng)盤使用過程中承受的慣性力和制動(dòng)壓力及其制動(dòng)面切向摩擦力,對(duì)制動(dòng)盤的壽命影響比摩擦熱的影響小,制動(dòng)盤的磨耗也不是引起制動(dòng)盤失效的主要原因,一般來說,熱龜裂是影響制動(dòng)盤壽命的主要方面。熱龜裂的形成有兩個(gè)原因:一是反復(fù)制動(dòng)使制動(dòng)盤的溫度周期性的急冷急熱,造成熱龜裂;另一原因是由于摩擦面與其他部位存在溫差,形成熱應(yīng)力而產(chǎn)生熱龜裂?；祀s纖維閘片屬于軟質(zhì)耐磨材料,其自身的黏彈性既可以提高黏著性,又可以通過自身的內(nèi)損耗把摩擦生熱耗散出去,這樣可以減小總制動(dòng)生熱分配到制動(dòng)盤上的比例,從而減少制動(dòng)盤的溫升[14],降低了熱應(yīng)力,防止產(chǎn)生熱裂紋。這一點(diǎn)可以通過制動(dòng)盤面的表面狀況變化的長(zhǎng)期跟蹤照片得到印證,與混雜纖維閘片配對(duì)的制動(dòng)盤使用10個(gè)月其表面情況見圖7。

圖7 裝車10個(gè)月制動(dòng)盤表面狀況Fig.7 Disc’s surface mated with hybrid fibers pad after 10 months

從圖7可見,與混雜纖維閘片配對(duì)的制動(dòng)盤使用過程中盤面清潔,表面沒有黏結(jié)劑殘?jiān)?其摩擦帶面也沒有產(chǎn)生溝狀磨耗、波浪形磨耗及其他異狀磨耗,表明混雜纖維閘片對(duì)制動(dòng)盤的攻擊性較小。

3 結(jié)論

(1)從混雜纖維閘片的裝車實(shí)驗(yàn)看,車輛走行12萬公里時(shí),平均線磨耗值為1.64mm,走行30多萬公里后,平均線磨耗值為3.00mm,可以預(yù)見閘片在25G車輛上使用其壽命會(huì)長(zhǎng)于2年半的段修期。使用混雜纖維閘片預(yù)期會(huì)延長(zhǎng)客車車輛閘片的更換周期,降低鐵路部門的材料消耗。

(2)混雜纖維閘片使用中無燒痕、變形、黏結(jié)材料熔化、黏結(jié)劑滲出、表面裂紋等不良現(xiàn)象,也沒有出現(xiàn)閘片折斷、摩擦材料脫落及掉塊等異常狀況。

(3)混雜纖維閘片對(duì)制動(dòng)盤的攻擊性和磨損都比較小,從制動(dòng)盤面表面狀況的變化情況來看,其盤面清潔,沒有黏結(jié)劑殘?jiān)?摩擦帶面無熱斑,無盤面新生裂紋,表明混雜纖維閘片與鑄鐵盤對(duì)磨副的匹配性良好。

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The Application Study of Hybrid Fibers Reinforced Brake Pad for Railroad Coach

WANG Hai-qing1,WANG Cheng-guo1,ZHUAN G Guang-shan1,SUN Yi1,YAO Yong-qiang2,ZHENG Shu-wei3
(1 Key Laboratory of Liquid Structure and Heredity of Materials(Ministry of Education),College of Material Science&Engineering,Shandong University,Jinan 250061,China;2 Shandong Railroad Society,Jinan 250001,China;
3 Yanzhou Tielong Co.,Ltd.,Yanzhou 272030,Shandong,China)

Hybrid fibers were used as reinforced material to product braking pad serviced for railroad coach.The practical application study was conducted according to Railroad Ministry Standard TB/T3118—2005.The thickness of brake pad and disc had been measured on-line,the morphological character of pad and disc was observed.The results showed that hybrid fibers reinforced brake pad had low linear wear rate;and has no cracking,edge-avalanche and scratch.The disc’s exterior view showed the disc’s surface was in proper trim and there was no hot-spot and heat-crack.Tribology analysis indicated that the stable friction film commonly called glace which had been formed as the braking processing with a comparatively steady composition being maintained was beneficial to the surface of pad and disc and to the car’s brakeage.

organic braking pad;hybrid fibers;wear;brake disc

U 260.35;TH117.1

A

1001-4381(2011)07-0056-05

2009-09-21;

2010-12-06

王海慶(1966—),男,碩士,主要從事耐磨材料的研究,聯(lián)系地址:濟(jì)南經(jīng)十路17923號(hào) 山東大學(xué)千佛山校區(qū),材料學(xué)院高分子所(250061),E-mail:hiking5945@163.com