動(dòng)車(chē)組研磨子的研制

蔡仁華,陳 偉,李西秦

(1.浙江科技學(xué)院 機(jī)械與汽車(chē)工程學(xué)院,杭州 310023;2.浙江科特汽配有限公司, 杭州 311106)

動(dòng)車(chē)組研磨子的研制

蔡仁華1,陳 偉2,李西秦1

(1.浙江科技學(xué)院 機(jī)械與汽車(chē)工程學(xué)院,杭州 310023;2.浙江科特汽配有限公司, 杭州 311106)

通過(guò)對(duì)日本進(jìn)口研磨子的材料、結(jié)構(gòu)和性能分析，結(jié)合“動(dòng)車(chē)組轉(zhuǎn)向架研磨子技術(shù)要求”的規(guī)定，合理選用研磨子的掛鉤、背板材料，對(duì)其磨耗體的材料、生產(chǎn)工藝進(jìn)行了研究。結(jié)果證明，研制的研磨子通過(guò)動(dòng)車(chē)組裝車(chē)試用能滿足使用要求，符合中國(guó)鐵路部門(mén)制定的相關(guān)規(guī)定。

動(dòng)車(chē)組;研磨子;材料與工藝;研制

為了提高制動(dòng)性能，時(shí)速200 km及以上的“和諧號(hào)”CRH2動(dòng)車(chē)組裝有研磨子。研磨子是由于動(dòng)車(chē)組速度的提高及大功率盤(pán)形制動(dòng)的應(yīng)用，使得車(chē)輪與軌道之間有效利用黏著系數(shù)問(wèn)題變得非常突出[1-2]。研磨子是動(dòng)車(chē)車(chē)輛踏面清掃裝置的一個(gè)部件，固定在轉(zhuǎn)向架的制動(dòng)夾鉗支持架上。在制動(dòng)時(shí)，將研磨子壓在踏面上進(jìn)行清掃，保證了車(chē)輪踏面具有良好的表面狀態(tài)，在車(chē)輛行駛過(guò)程中能清除附著在車(chē)輪踏面上的塵埃、銹跡、油脂等[3]；同時(shí)，研磨子在雨、雪天氣等濕潤(rùn)狀態(tài)下有增強(qiáng)輪軌之間黏著力的作用，通常，使用研磨子時(shí)的黏著力是未使用研磨子時(shí)的150%[4]，從而保證動(dòng)車(chē)車(chē)輛在制動(dòng)過(guò)程中避免空轉(zhuǎn)和打滑。

圖1 研磨子的結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of abrasive block

研磨子結(jié)構(gòu)如圖1所示，它由掛鉤、鋼背和磨耗體組成。研磨子的鋼背和掛鉤通過(guò)焊接組合在一起，主要作用是保證在使用時(shí)有足夠的強(qiáng)度；磨耗體是特種復(fù)合材料，通過(guò)模壓和鋼背結(jié)合在一起，是滿足研磨子特殊性能的關(guān)鍵。

1 研制原則

根據(jù)日本國(guó)有鐵路規(guī)定，登記號(hào)JRS12114 38 MR41“車(chē)輛上專用增粘壓研磨子”和中國(guó)制定的“動(dòng)車(chē)組轉(zhuǎn)向架研磨子技術(shù)要求”的規(guī)定，結(jié)合動(dòng)車(chē)組運(yùn)行速度140～160 km/h、最高速度達(dá)到200 km/h的實(shí)際狀況,以及動(dòng)車(chē)組采用的盤(pán)形制動(dòng)形式和輪軌之間的黏著條件，初步確定研磨子的研制目標(biāo)。

研磨子分2部分進(jìn)行研發(fā)：研磨子鋼背和磨耗體。鋼背主要是合理選擇國(guó)內(nèi)類似的材料，保證強(qiáng)度要求；磨耗體是研究的重點(diǎn)，必須和日本產(chǎn)品有類似的摩擦、磨損性能，相近的材料成分，基本一致的強(qiáng)度、密度和硬度。

磨耗體的摩擦、磨損性能關(guān)系到研磨子實(shí)際功能，研磨子要求有適當(dāng)?shù)哪p率、合理的摩擦系數(shù)，同時(shí)，研磨子的材料既要有足夠的硬度，又不能損傷車(chē)輪踏面。這樣，研磨子和車(chē)輪在摩擦過(guò)程中產(chǎn)生的磨屑能夠黏著在車(chē)輪踏面的表面上，車(chē)輪轉(zhuǎn)動(dòng)以后在車(chē)輪和軌道之間存在一定數(shù)量的磨屑顆粒，以增加車(chē)輪和鋼軌之間的黏著系數(shù)，從而有效保證在制動(dòng)過(guò)程中輪軌之間有足夠的黏著系數(shù)，防止車(chē)輪擦傷，縮短制動(dòng)距離，特別對(duì)于雨天和下雪結(jié)冰天氣提高輪軌黏著非常有利；同時(shí)，研磨子也能起到踏面清掃器的作用。此外，研磨子材質(zhì)上要求無(wú)石棉、無(wú)鉛，不損傷對(duì)偶，在摩擦過(guò)程中基本沒(méi)有火星。

2 研磨子的研制

2.1 鋼背和掛鉤材料的選擇

表1 鋼背和掛構(gòu)材料的各種元素含量 Table 1 Content of elements in steel plate and hook %

日本原樣的研磨子鋼背經(jīng)過(guò)浙江大學(xué)分析測(cè)試中心的測(cè)定，材料的各種元素含量見(jiàn)表1。根據(jù)表1數(shù)據(jù)，結(jié)合相關(guān)資料查尋，完全符合要求的鋼板需要進(jìn)口。通過(guò)鋼背和掛構(gòu)實(shí)際受力分析，鋼背承受的最大正壓力為490 N，因此選擇國(guó)內(nèi)某鋼鐵公司的冷軋鋼板也能達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

2.2 磨耗體材料的結(jié)構(gòu)和成分分析

對(duì)日本研磨子磨耗體進(jìn)行電子顯微鏡組織觀察，材料表面主要分布著金屬纖維和金屬顆粒，如圖2所示。通過(guò)掃描電鏡對(duì)斷面進(jìn)行能譜分析，磨耗體材料的主要成分元素為Fe、Cu、Zn、Al、Ca、Si、O、C等，如圖3所示。

磨耗體材料通過(guò)電子顯微鏡觀察到的結(jié)構(gòu)及元素成分分析，可以推斷出這是以金屬或者金屬化合物為主體的、通過(guò)物理和化學(xué)方式組合構(gòu)成的合成材料。進(jìn)一步進(jìn)行理化性能和摩擦磨損試驗(yàn)，磨耗體材料含有較多的鐵和鐵的化合物；特別是在按照GB 5763—2008《汽車(chē)用制動(dòng)器襯片》的試驗(yàn)方法檢測(cè)摩擦、磨損性能后，不難發(fā)現(xiàn)磨耗體材料摩擦系數(shù)較高、磨損率較大；由此可以理解，研磨子在正常使用時(shí)可以產(chǎn)生較大的材料磨損，即脫落在車(chē)輪和鋼軌之間，使得輪軌之間的黏著力增大，從而保證在制動(dòng)時(shí)縮短制動(dòng)距離、避免因打滑擦傷輪對(duì)踏面。同時(shí)，磨耗體材料的磨損又不能過(guò)大，以免影響研磨子的使用壽命。

圖2 磨耗體表面材料結(jié)構(gòu)Fig.2 Surface structure of wear material

圖3 磨耗體材料能譜圖Fig.3 Energy spectrum of wear material

2.3 磨耗體材料研究

結(jié)合“動(dòng)車(chē)組轉(zhuǎn)向架研磨子技術(shù)要求”的規(guī)定，通過(guò)分析研磨子的功能，研磨子磨耗體材料的基本性能要求為：體積質(zhì)量(4.0±0.10)g/cm3；硬度(HRL)50～90；壓縮強(qiáng)度大于等于80 MPa,壓縮模量小于等于9 GPa；摩擦系數(shù)(100 ℃)大于等于0.5,磨損率(100 ℃)大于等于5.0×10-7cm3/N·m；彎曲強(qiáng)度大于等于20 MPa。

磨耗體材料采用四元復(fù)合結(jié)構(gòu)組成，即黏結(jié)劑、摩擦顆粒和增強(qiáng)材料、摩擦性能調(diào)節(jié)劑及填充料4部分組成。

2.3.1 黏結(jié)劑

黏結(jié)劑主要選用改性的樹(shù)脂與橡膠混合型黏結(jié)劑[5]。如果采用單一的樹(shù)脂、橡膠為黏結(jié)劑，就會(huì)出現(xiàn)磨耗體材料脆性較大、磨耗體材料耐溫性差的結(jié)果。在研磨子磨耗體中，樹(shù)脂、橡膠的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%左右，如果比例過(guò)高，磨耗體材料壓縮彈性模量高、產(chǎn)品硬度高、磨損率較小，使用時(shí)沒(méi)有足夠的磨耗體材料分布在輪軌之間，黏著作用就會(huì)降低；如果比例低，磨耗體材料的磨損率較大、強(qiáng)度低，不能滿足研磨子使用壽命要求。

2.3.2 摩擦顆粒和增強(qiáng)材料

摩擦顆粒是研磨子磨耗體材料產(chǎn)生黏著作用的關(guān)鍵材料，其質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為35%。摩擦顆粒主要選用硬度低于輪、軌的材料，如鐵、銅、鋁等金屬粉末和適量的金屬氧化物[5-6]，同時(shí)也需要添加一定數(shù)量的細(xì)度控制的硬質(zhì)顆粒，從而保證摩擦顆粒既不會(huì)損傷車(chē)輪與鋼軌，又能起到清潔輪軌接觸面、增加輪軌之間的黏著系數(shù)的作用。增強(qiáng)材料采用鋼纖維及其他耐高溫的有機(jī)礦物纖維材料，質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為15%。鋼纖維既是摩擦顆粒又是增強(qiáng)纖維材料，同時(shí)亦可以增加研磨子的導(dǎo)熱性，使得研磨子磨耗體材料溫度不至于上升過(guò)高；有機(jī)礦物纖維可保證在使用過(guò)程中研磨子溫度上升時(shí)摩擦系數(shù)的穩(wěn)定性及合適的磨損率[7]，同時(shí)保證研磨子材料的強(qiáng)度、硬度。

2.3.3 摩擦性能調(diào)節(jié)劑

摩擦性能調(diào)節(jié)劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%左右，主要采用石墨、硫化鐵等固體潤(rùn)滑劑。目的是降低磨耗體與車(chē)輪的初始摩擦系數(shù)，保證摩擦系數(shù)穩(wěn)定，減少磨損率[7]；另外也可以減輕磨耗體材料對(duì)車(chē)輪踏面的磨損，使車(chē)輪踏面保持清潔，有利于增加車(chē)輪和軌道之間的黏著系數(shù)。

2.3.4 填充料

填充料主要采用硫酸鋇、碳酸鈣等物質(zhì)，以降低研磨子磨耗體材料的成本，提高磨耗體材料的強(qiáng)度，要求填充料性能穩(wěn)定、價(jià)格低廉；同時(shí)，采用氧化鐵、氫氧化鎂等具有阻燃作用的物質(zhì)以防止研磨子磨耗體材料和車(chē)輪摩擦過(guò)程中產(chǎn)生火星及煙霧。填充料質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過(guò)30%。

2.4 研磨子生產(chǎn)工藝研究

為保證研磨子磨耗體材料和鋼背能夠充分黏合成一體，采用在磨耗體材料均勻混合后，再與鋼背在模具內(nèi)熱壓成形的干法生產(chǎn)工藝，即經(jīng)過(guò)鋼背組裝、混合料的準(zhǔn)備、熱壓成形、熱處理等主要工序來(lái)完成。具體工藝路線如下：

其中，熱壓與熱處理是保證磨耗體材料各項(xiàng)性能及磨耗體材料與鋼背結(jié)合強(qiáng)度的關(guān)鍵工序，熱壓是將混合料及鋼背放入加熱到160 ℃左右的模具內(nèi)，施加25 MPa左右的單位壓力，并保持一定時(shí)間使其成形的過(guò)程。熱壓過(guò)程中，需要注意放氣的時(shí)間，防止產(chǎn)品因出現(xiàn)氣泡、開(kāi)裂而報(bào)廢。熱處理是在烘箱內(nèi)用不同的梯度溫度，使已經(jīng)成形的產(chǎn)品進(jìn)一步固化，以及保證磨耗體材料的強(qiáng)度及磨耗體材料與鋼背產(chǎn)生較大的黏結(jié)強(qiáng)度的過(guò)程，通常需要10 h左右時(shí)間。噴塑的主要作用是為了防止研磨子的銹蝕。

3 試驗(yàn)結(jié)果

由于研磨子的特殊要求，在進(jìn)行摩擦性能試驗(yàn)時(shí)不能按照常規(guī)進(jìn)行考慮，按照GB 5763—2008《汽車(chē)用制動(dòng)器襯片》的試驗(yàn)方法進(jìn)行試驗(yàn)，確定研磨子產(chǎn)品的摩擦性能要求。表2為研制的研磨子和日本進(jìn)口樣品的摩擦性能及理化性能數(shù)據(jù)對(duì)比。從數(shù)據(jù)可以看到，研制的研磨子與樣品材料的密度、洛氏硬度基本一致；摩擦、磨損性能接近，摩擦系數(shù)隨溫度變化的曲線形狀非常相似。從試驗(yàn)過(guò)程和試驗(yàn)結(jié)束觀察，磨耗體摩擦表面的狀態(tài)相似，有較多的摩擦粉末出現(xiàn)在摩擦表面。在200 ℃時(shí)測(cè)量摩擦、磨損性能，由于磨損到限，無(wú)法進(jìn)一步試驗(yàn)。

表2 樣品與研制品的摩擦性能及理化性能數(shù)據(jù)對(duì)比Table 2 Comparison results of friction properties and physicochemical properties for abrasive block between the sample and the developed

表3為研制的研磨子和樣品的彎曲強(qiáng)度試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比，從試驗(yàn)數(shù)據(jù)看，彎曲強(qiáng)度基本一致，研制品的彎曲強(qiáng)度稍高于樣品。

表3 樣品與研制品的彎曲強(qiáng)度試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比Table 3 Comparison results of bending strength for abrasive block between the sample and the developed

經(jīng)浙江方圓檢測(cè)集團(tuán)股份有限公司檢測(cè)，研制的研磨子磨耗體材料的壓縮強(qiáng)度為92.3 MPa、壓縮模量2.52 GPa，滿足“動(dòng)車(chē)組轉(zhuǎn)向架研磨子技術(shù)要求” 中壓縮強(qiáng)度大于等于80 MPa、壓縮模量小于等于9 GPa的要求。

上海鐵路局相關(guān)部門(mén)對(duì)研制的研磨子進(jìn)行裝車(chē)試驗(yàn)，共裝車(chē)16片進(jìn)行實(shí)際運(yùn)行考核?？己寺范螢樯虾Ｖ拎嵵?、南京、武漢；裝車(chē)試用3個(gè)小修(即2個(gè)多月)；試驗(yàn)車(chē)輛每次入庫(kù)都由專職的工程技術(shù)人員和作業(yè)人員進(jìn)行全面、仔細(xì)的檢查。經(jīng)過(guò)裝車(chē)試用跟蹤檢查，研制的研磨子在使用過(guò)程中沒(méi)有發(fā)現(xiàn)異常情況。通過(guò)裝車(chē)試驗(yàn)可以得到如下結(jié)果：研磨子掛鉤安裝尺寸符合與T015型踏面清掃裝置缸體的接口尺寸，安裝正常；在試驗(yàn)過(guò)程中，鋼背與安裝掛鉤固定可靠，沒(méi)有出現(xiàn)脫焊、安裝鉤變形和裂紋等強(qiáng)度與剛度問(wèn)題；磨耗體材料與鋼背結(jié)合牢固，磨耗體材料沒(méi)有出現(xiàn)破裂、碎裂、掉塊、急劇磨耗等現(xiàn)象；使用筆者研制的研磨子的車(chē)輪踏面沒(méi)有出現(xiàn)擦傷、急劇磨耗、剝離等損傷，輪緣磨耗正常；研制的研磨子磨耗量為2～3 mm/萬(wàn)km，使用壽命超過(guò)10萬(wàn)km，預(yù)計(jì)可達(dá)到15萬(wàn)km。因此符合中國(guó)鐵路部門(mén)制定的“動(dòng)車(chē)組轉(zhuǎn)向架研磨子技術(shù)要求”的規(guī)定。

4 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)對(duì)研磨子磨耗體材料組成的配方篩選、生產(chǎn)工藝研究、性能試驗(yàn)，研制出來(lái)的研磨子具有與日本研磨子相似的材料結(jié)構(gòu)、性能特點(diǎn)，研制的研磨子其體積質(zhì)量、硬度、彎曲強(qiáng)度、最大應(yīng)變、壓縮強(qiáng)度、壓縮模量、摩擦系數(shù)、磨損率等符合開(kāi)發(fā)要求，裝車(chē)進(jìn)行道路試驗(yàn)考核表明，能滿足裝車(chē)運(yùn)行要求。

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DevelopmentofabrasiveblockonEMU

CAI Renhua1, CHEN Wei2, LI Xiqing1

(1. School of Mechanical and Automotive Engineering, Zhejiang University of Science and Technology，Hangzhou, 310023, China; 2. Zhejiang Kete Auto Parts Co., Ltd., Hangzhou 311106,China)

We studied and analyzed the material, structure and properties of the abrasive block imported from Japanese. Combining with the requirements of “Technical requirements of the abrasive block in the bogie of EMU”, and selecting hook and plate, we studied the wear plate on material and process. The abrasive block developed was used in the EMU, and the experimental results show that it can meet the EMU using.

EMU; abrasive block; material and technology;research and develpment

U260.35;U266.2

A

1671-8798(2013)06-0458-05

10.3969/j.issn.1671-8798.2013.06.010

2013-10-02

蔡仁華(1964— )，男，浙江省諸暨人，副教授，碩士，主要從事汽車(chē)與鐵道車(chē)輛的制動(dòng)摩擦材料研究。