高速動(dòng)力車制動(dòng)盤設(shè)計(jì)研究

于海航　魏宏圖

摘要：對(duì)于高速動(dòng)力車來說，其制動(dòng)盤的設(shè)計(jì)具有非常重要的作用，作為高速動(dòng)車最重要的組成部分之一，其設(shè)計(jì)材料的選擇對(duì)列車的正常制動(dòng)性能具有直接的影響。在當(dāng)前我國的高速動(dòng)力車制動(dòng)盤設(shè)計(jì)中，對(duì)制動(dòng)盤的材料選擇具有非常嚴(yán)格的要求，從而提高列車運(yùn)行過程中的安全性。在本文中，對(duì)當(dāng)前高速動(dòng)力車的制動(dòng)盤設(shè)計(jì)進(jìn)行了簡單分析，并對(duì)制動(dòng)盤的未來發(fā)展材料選擇等進(jìn)行了簡單的分析。

關(guān)鍵詞：制動(dòng)盤；制動(dòng)閘片；材料

隨著高速動(dòng)力車的性能逐漸提高，其在人們?nèi)粘Ｉ钪械膽?yīng)用也在逐漸增多，而為了保證高速列車的制動(dòng)安全，國際鐵路對(duì)高速動(dòng)力車的制動(dòng)性能進(jìn)行了嚴(yán)格的規(guī)定，其必須要在制動(dòng)失效的情況下能夠通過有效的機(jī)械摩擦來實(shí)現(xiàn)高速列車在規(guī)定的制動(dòng)距離內(nèi)通過有效的摩擦實(shí)現(xiàn)停車，這樣才能保證高速動(dòng)力車運(yùn)行的安全性。為此，如何提高高速動(dòng)力車的制動(dòng)性能是當(dāng)前國內(nèi)外鐵路建設(shè)單位需要重點(diǎn)解決的問題。在本文中，對(duì)當(dāng)前高速動(dòng)力車中的制動(dòng)盤設(shè)計(jì)進(jìn)行了簡單的分析，同時(shí)提出了其在動(dòng)力車應(yīng)用中的重要作用。

1基礎(chǔ)制動(dòng)裝置的組成內(nèi)容及其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

對(duì)于高速動(dòng)力車，其基礎(chǔ)的制動(dòng)系統(tǒng)主要有制動(dòng)盤和制動(dòng)盤閘片等構(gòu)成，這些組成結(jié)構(gòu)的綜合作用使得其能夠保證高速動(dòng)車的制動(dòng)效果。在高速動(dòng)車運(yùn)行的過程中，由于其會(huì)受到轉(zhuǎn)向架下部空間結(jié)構(gòu)限制，因此，在進(jìn)行制動(dòng)的過程中需要空氣制動(dòng)缸和停車用的儲(chǔ)能制動(dòng)缸等各部分之間協(xié)作一致才能實(shí)現(xiàn)高速動(dòng)車的制動(dòng)效果。對(duì)于制動(dòng)缸，大部分是安裝在制定橫梁的下部，然后將制動(dòng)杠桿安裝在驅(qū)動(dòng)制動(dòng)橫梁上，這樣能夠保證制動(dòng)盤和制動(dòng)閘片等保持正確的運(yùn)行情況。

在制動(dòng)裝置的外空心軸位置上，其還存在著兩個(gè)不通風(fēng)的耐熱合金鍛鋼制動(dòng)盤，這一制動(dòng)盤采用的是粉末冶金閘片制作而成，其能夠應(yīng)對(duì)當(dāng)前的大部分惡劣環(huán)境，且由于其導(dǎo)熱性能較好，能夠?qū)⒏咚賱?dòng)力車制動(dòng)過程中產(chǎn)生的大量熱量進(jìn)行快速的傳遞，從而保證高速動(dòng)力車的正常運(yùn)行。此外，為了保證摩擦制動(dòng)過程中不會(huì)出現(xiàn)脫軌等問題，需要通過微機(jī)處理系統(tǒng)對(duì)列車進(jìn)行防滑保護(hù)。對(duì)于整個(gè)基礎(chǔ)制動(dòng)裝置，其是高速動(dòng)力車驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的重要組成部分，為了減少高速動(dòng)力車的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)重量，需要通過改變基礎(chǔ)制動(dòng)系統(tǒng)的重量來降低轉(zhuǎn)向架的重量，這對(duì)運(yùn)行速度非?？斓母咚賱?dòng)力車來說具有非常重要的意義，能夠減少高速動(dòng)力車在運(yùn)行過程中的摩擦力。

2制動(dòng)盤材料和結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

對(duì)于高速動(dòng)力車，其在進(jìn)行高速制動(dòng)時(shí)，產(chǎn)生的能量是非常大的，若不能通過將這些能量進(jìn)行快速的轉(zhuǎn)移，往往會(huì)使得制動(dòng)盤受到較大的能量沖擊，從而造成制動(dòng)盤的損傷，影響制動(dòng)盤的使用壽命。一般情況下，對(duì)于重量在60t左右的高速動(dòng)力車，其運(yùn)行速度達(dá)到270km/h時(shí)，若將所有制動(dòng)產(chǎn)生的能量全部承接在-制動(dòng)盤上，制動(dòng)盤承受的能量大約為1.7×10焦耳能量，這些能量能夠?qū)χ苿?dòng)盤的性能產(chǎn)生嚴(yán)重的影響。

為了保證制動(dòng)盤的正常運(yùn)行，一般情況下需要將這些能量進(jìn)行快速傳遞，保證制動(dòng)盤使用性能，降低高速動(dòng)力車的制動(dòng)盤維護(hù)費(fèi)用。

隨著高速動(dòng)力車制動(dòng)盤技術(shù)的發(fā)展，其單純的盤形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)已經(jīng)不再能夠滿足其使用需求，為了能夠更好地保證高速動(dòng)力車運(yùn)行過程中的制動(dòng)效果，當(dāng)前各國正在研究使用復(fù)合制動(dòng)模式，這種制動(dòng)方法是將微機(jī)處理系統(tǒng)添加到制動(dòng)系統(tǒng)中，通過計(jì)算機(jī)對(duì)制動(dòng)盤以及電氣動(dòng)力制動(dòng)等進(jìn)行控制，通過多種制動(dòng)結(jié)果的協(xié)作工作來實(shí)現(xiàn)高速動(dòng)力車的制動(dòng)性能，在這一制動(dòng)模式中，最主要的是電氣動(dòng)力制動(dòng)系統(tǒng)，其起著主導(dǎo)作用。

隨著高速動(dòng)力車的性能逐漸提高，制動(dòng)盤的應(yīng)用也在逐漸增加，而制動(dòng)盤的材料設(shè)計(jì)一直是制動(dòng)盤發(fā)展的關(guān)鍵性技術(shù)，像日本的高速動(dòng)力車，其制動(dòng)盤的材料更新速度非?？?，其制動(dòng)性能不斷提升。像在東海道新干線中，其制動(dòng)盤采用的是Ni Cr-Mo合金材料制成，這種材料具有非常好的抗熱裂性能在使用的過程中能夠很好地避免因制動(dòng)盤能量傳遞速度較快而導(dǎo)致制動(dòng)盤能量累積而產(chǎn)生的高熱情況，保證制動(dòng)盤的使用性能，這一材料設(shè)計(jì)是將一些合金元素添加到正常使用的普通制動(dòng)盤中。通過大量的實(shí)踐得知，這種新型的制動(dòng)盤材料在使用時(shí)能夠降低制動(dòng)過程中造成的磨損，但其使用壽命一直是影響這一新型制動(dòng)盤使用的主要問題，為了能夠解決這一問題，如何降低材料成本是主要的研究內(nèi)容，但由于并沒有找到新型的耐熱材料。這一問題一直沒有得到有效解決。而伴隨著高速動(dòng)力車的速度不斷提升，改善制動(dòng)盤的使用性能是當(dāng)前各國高速動(dòng)力車發(fā)展中需要重點(diǎn)解決的問題。在當(dāng)前，一些發(fā)達(dá)國家正在研究將一些碳纖維等融入到制動(dòng)盤中，以提高制動(dòng)盤的使用性能，像美國F1飛機(jī)中的制動(dòng)盤材料，其選擇的材料是具有質(zhì)量輕和耐熱性能較好等特點(diǎn)，具有較好的發(fā)展前景。而在最近，德國已經(jīng)研制出了具有高性能的陶瓷鋁合金制動(dòng)盤，這一材料的應(yīng)用大大減少了制動(dòng)盤本身的重量，增加了制動(dòng)盤的使用壽命，這是由于該種材料中含有一些陶瓷顆粒，其在使用的過程中能夠很好地預(yù)防由于鋁材熱穩(wěn)定性不足造成制動(dòng)盤使用性能問題，從而提高制動(dòng)盤的彈性極限等。此外，陶瓷本身在硬度和耐磨性等方面具有較好的效果，目前，這種材料已經(jīng)被廣泛應(yīng)用在德國的各種高速動(dòng)力車中，并取得了非常好的效果。通過實(shí)踐研究得知，這一材料的應(yīng)用使得高速動(dòng)力車在運(yùn)行過程中的制動(dòng)盤能夠承載更多的機(jī)械負(fù)荷和熱能負(fù)荷，保證高速動(dòng)力車的正常制動(dòng)功能。

隨著世界各國對(duì)高速列車的制動(dòng)盤研究不斷深入，都逐漸從傳統(tǒng)的制動(dòng)盤材料中脫離出來，各種新型材料的研發(fā)和應(yīng)用使得高速動(dòng)力車的制動(dòng)性能不斷提升，制動(dòng)盤的使用壽命以及穩(wěn)定性也在逐漸提高。在我國的高速動(dòng)力車制動(dòng)盤設(shè)計(jì)中，其借鑒德國高速動(dòng)力車制動(dòng)盤的材料性能等研究出了耐熱合金鍛鋼，而為了保證制動(dòng)盤使用過程中不會(huì)出現(xiàn)溫度過高問題，在制動(dòng)盤內(nèi)還添加了一條冷卻風(fēng)道，這樣能夠有效地減少制動(dòng)過程中的熱量積累。對(duì)于我國當(dāng)前的高速動(dòng)力車制動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，其采用的是640mm直徑的制動(dòng)盤，在高速動(dòng)力車運(yùn)行的過程中，其能夠?qū)Ξa(chǎn)生的熱量進(jìn)行全部吸收，然后通過冷卻風(fēng)道等將其中的44%的熱量消散掉，摩擦面中存儲(chǔ)的熱量僅有13.4%，對(duì)于這種制動(dòng)模式，其在高速動(dòng)力車的速度達(dá)到250km/h時(shí)，冷卻風(fēng)道的作用卻會(huì)受到較大的影響，為了降低這些損失，發(fā)達(dá)國家研究出了應(yīng)對(duì)的整體鍛鋼制動(dòng)盤，其重量大幅度減小，而我國首次應(yīng)用在高速動(dòng)力車上的卻是不通風(fēng)的合金鍛鋼制動(dòng)盤，

3制動(dòng)閘片材料和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

對(duì)于制動(dòng)閘片，其主要分為三種，即鑄鐵閘片和合成閘片等，各種閘片的使用時(shí)間和性能等之間存在著較大的差異，像鑄鐵制動(dòng)閘片，其具有耐用和成本低等優(yōu)點(diǎn)，但其在高速動(dòng)力車中的使用性能大大降低，像摩擦系數(shù)下降和磨損嚴(yán)重等。而合成閘片是由多種材料的粘合制成，這種材料的使用性能相對(duì)較高，且其在使用的過程中還能夠通過調(diào)整不同材料之間的配比實(shí)現(xiàn)性能的改善，提高制動(dòng)閘片的使用壽命。對(duì)于當(dāng)前各國的制動(dòng)閘片材料，其大部分采用的是粉末冶金閘片，這種閘片是通過壓力將金屬粉末進(jìn)行壓縮，然后通過高溫煅燒使其成為一個(gè)整體，這種煅燒工藝能夠增強(qiáng)材料的耐熱裂性能，從而保證制動(dòng)閘片的摩擦和耐磨性能。

4結(jié)語

綜上所述，隨著高速動(dòng)力車的發(fā)展，其制動(dòng)盤作為重要的組成部分，對(duì)高速動(dòng)力車的正常運(yùn)行具有非常重要的影響，特別是制動(dòng)盤的熱傳導(dǎo)性能以及抗磨損等能力的提升，能夠大幅度增強(qiáng)制動(dòng)盤的使用壽命，保證高速動(dòng)力車的正常運(yùn)行。