250 km/h 動(dòng)車組用閘片制動(dòng)摩擦及噪聲特性

龍 波，陳 剛，余程巍，程景琳，王林波，張 鵬，章 林，秦明禮，曲選輝

（1.北京天宜上佳高新材料股份有限公司，北京 102402；2.北京科技大學(xué)新材料技術(shù)研究院，北京 100083；3.北京科技大學(xué)北京材料基因工程高精尖創(chuàng)新中心，北京 100083）

引言

160～250 km/h 城際動(dòng)車組是為滿足我國(guó)區(qū)域經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展和城市群崛起對(duì)城際軌道交通的需求而研制的一種新型運(yùn)輸工具。作為高速鐵路和城市軌道交通的紐帶，具有運(yùn)能大、起停速度快、乘降方便快速、疏通迅捷有效、乘坐舒適、安全可靠、節(jié)能環(huán)保的特點(diǎn)。制動(dòng)系統(tǒng)是保障動(dòng)車組運(yùn)營(yíng)安全的重要部件之一，其一般由控制系統(tǒng)、風(fēng)源裝置、防滑裝置、基礎(chǔ)制動(dòng)裝置、輔助裝置等組成［1-2］。在電制動(dòng)故障和緊急情況下，采用純空氣制動(dòng)的方式依靠閘片和制動(dòng)盤相接觸進(jìn)行摩擦產(chǎn)生摩擦阻力，消耗動(dòng)能并生成其他形式的能量而耗散，從而實(shí)現(xiàn)車輛的減速［3-4］。然而，城際動(dòng)車組使用場(chǎng)景決定了其運(yùn)營(yíng)站間距短，制動(dòng)頻繁，且制動(dòng)初速度高，制動(dòng)減速度大等特點(diǎn)。摩擦性能是體現(xiàn)制動(dòng)系統(tǒng)安全穩(wěn)定的重要參數(shù)之一，而制動(dòng)噪聲在頻繁制動(dòng)過(guò)程中也影響人們出行的舒適性。按照聲源振動(dòng)頻率的大小，把運(yùn)載工具在制動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生的噪聲分為振動(dòng)頻率在幾十到幾百赫茲之間的低頻制動(dòng)噪聲和振動(dòng)頻率在幾百到幾萬(wàn)赫茲的中高頻制動(dòng)噪聲，而由高頻振動(dòng)激發(fā)的嘯叫是列車制動(dòng)過(guò)程中影響最大的噪聲［5］，其聲壓甚至能達(dá)到110 dB 以上，不僅使列車制動(dòng)效果降低，還會(huì)損害人的身體健康。Faulkne 等［6］研究表明，居住在交通頻率高、噪聲水平超過(guò)65 dB 的地域附近，人患缺血性心臟病風(fēng)險(xiǎn)會(huì)增加。噪聲的形成過(guò)程非常復(fù)雜，涉及閘片的成分和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、制動(dòng)條件、使用環(huán)境等，不同因素引起接觸表面結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的劇烈改變，如接觸表面剛度、接觸面積和接觸壓力分布［7-9］，這些表面特征又與閘片的具體成分相聯(lián)系。因此，有必要對(duì)城際動(dòng)車組在多工況下的摩擦性能以及噪聲行為進(jìn)行分析。本文通過(guò)在1∶1 臺(tái)架上進(jìn)行緊急制動(dòng)實(shí)驗(yàn)，研究了不同制動(dòng)速度、不同制動(dòng)壓力和干燥/潮濕工況對(duì)噪聲特性的影響，探索噪聲激發(fā)頻率的規(guī)律，為研發(fā)靜音制動(dòng)閘片的成分優(yōu)化提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料制備

本文是通過(guò)1∶1 臺(tái)架實(shí)驗(yàn)研究銅基制動(dòng)閘片與合金鋼盤對(duì)磨時(shí)產(chǎn)生的摩擦制動(dòng)行為。1∶1 臺(tái)架實(shí)驗(yàn)?zāi)軌虺浞挚煽康啬M動(dòng)車組所經(jīng)歷的各種制動(dòng)條件及環(huán)境，比如其能夠使得閘片所經(jīng)受的能量輸入密度與真實(shí)動(dòng)車組緊急制動(dòng)時(shí)所經(jīng)歷的相等，這種手段是檢測(cè)閘片及制動(dòng)盤性能的必備實(shí)驗(yàn)。1∶1 臺(tái)架的宏觀形貌如圖1（a）所示，其中直接用于閘片-盤緊急制動(dòng)試驗(yàn)測(cè)試的裝置如圖1（b）所示。本文制備的銅基制動(dòng)閘片材料化學(xué)成分如表1 所示，原料粉末包括電解銅粉末（純度99.7%，約45 μm）、還原鐵粉末（純度98%，＜74 μm），片狀石墨粉（純度95%，270～400 μm），粒狀石墨粉（純度95%，180～250 μm），高碳CrFe 粉（純度95%，＜150 μm），Cr 粉（純度95%，＜74 μm）和其他粉末。以前的研究已經(jīng)證實(shí)，粒狀石墨（表1 中的G）具有更高的強(qiáng)度，能更加持久地存在于摩擦表面，而片狀石墨（表1 中的F）可以提供更強(qiáng)的潤(rùn)滑［10］。閘片材料利用傳統(tǒng)的粉末冶金工藝制備，包括混粉，冷壓成形以及熱壓燒結(jié)等步驟。原料粉末按照表1 稱取后，在機(jī)械旋轉(zhuǎn)混合器中混合10 h。隨后將均勻混合的粉末在400 MPa 的壓力下冷壓成壓坯。燒結(jié)在氫氣氣氛中進(jìn)行。燒結(jié)壓力為2 MPa，溫度為950 ℃，保溫時(shí)間為2 h。閘片的致密度和布氏硬度分別為4.9 g/cm3和20 HBW，其宏觀形貌及微觀組織的背散射電子像（BSE）如圖1（c）和（d）所示，所制備單個(gè)閘片摩擦面積為1 560 mm2，每副閘片組由18 塊完全相同的閘片按照一定的方式組合在鋼背上，總的面積為280.8 cm2。

圖1 閘片組織及1∶1 臺(tái)架實(shí)驗(yàn)設(shè)備Fig.1 Microstructure of brake pads and the device for the full-scale braking tests

表1 銅基制動(dòng)閘片的成分組成Tab.1 Chemical compositions of copper-based brake pad

1.2 測(cè)試方法

本工作所有的制動(dòng)測(cè)試均在1∶1 臺(tái)架（Link 3600，美國(guó)）上完成，實(shí)驗(yàn)程序按照《動(dòng)車組閘片暫行技術(shù)條件》（標(biāo)準(zhǔn)性技術(shù)文件編號(hào)：TJ/CL 307—2019）中的C.3 試驗(yàn)大綱進(jìn)行。該實(shí)驗(yàn)大綱用于CRH1 和CRH5 動(dòng)車組用閘片組（200～250 km/h）的性能檢測(cè)。為加速實(shí)驗(yàn)，選取大綱中的第19-22，25-26，29-30，57-61，91-93，100-102 次制動(dòng)，共19 次制動(dòng)作為研究對(duì)象，覆蓋了該大綱中所有速度等級(jí)、大中小壓力、干燥/潮濕制動(dòng)，具體制動(dòng)次序及條件參數(shù)如表2 所示。

表2 1∶1 臺(tái)架實(shí)驗(yàn)的制動(dòng)速度、單側(cè)制動(dòng)壓力和環(huán)境條件Tab.2 Braking speeds，clamping force and environmental conditions

潮濕條件下制動(dòng)時(shí)噴水速度為25 L/h。麥克風(fēng)放置在離制動(dòng)盤表面約45 mm、離制動(dòng)盤軸線中心約70 mm、離地面約190 mm 的位置，以記錄測(cè)試過(guò)程中產(chǎn)生的噪聲信號(hào)，這確保了良好的噪聲測(cè)量質(zhì)量，同時(shí)防止磨損碎屑侵入麥克風(fēng)。時(shí)間信號(hào)由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)自動(dòng)采集。噪聲的大小用聲壓級(jí)（Sound Pressure Level，SPL）表示。制動(dòng)過(guò)程中的溫度由插入制動(dòng)盤中的熱電偶測(cè)量。

2 結(jié)果與討論

2.1 摩擦及噪聲特性

閘片性能的優(yōu)劣由制動(dòng)過(guò)程中的摩擦及噪聲特性反映。整個(gè)制動(dòng)過(guò)程中的平均摩擦系數(shù)，盤表面出現(xiàn)的最高溫度以及峰值SPL 情況如圖2 所示。在干燥條件下，平均摩擦系數(shù)為0.36～0.42（如圖2（a）所示），符合TJ/CL 307—2019 中B.2 的規(guī)定。除低速（≤120 km/h）及中壓（11.5 kN）條件外，制動(dòng)速度的提高會(huì)導(dǎo)致平均摩擦系數(shù)下降，這主要是由于低速下閘片-盤以微凸體接觸為主，摩擦阻力大。隨著速度提高，摩擦表面微凸體損傷引發(fā)平臺(tái)的表面，生成的氧化膜也會(huì)導(dǎo)致速度的持續(xù)提高對(duì)平均摩擦系數(shù)大小沒(méi)有顯著的影響，這表明摩擦表面趨于動(dòng)態(tài)穩(wěn)定所致［11-12］。高的制動(dòng)壓力則導(dǎo)致較低的摩擦系數(shù)，這在16 kN 的制動(dòng)壓力下尤為顯著，原因同樣是基于摩擦表面的平整性［13］。潮濕的制動(dòng)環(huán)境對(duì)摩擦系數(shù)有顯著的降低作用。在較低的制動(dòng)速度范圍內(nèi)，制動(dòng)速度的提高能夠帶動(dòng)水膜充分覆蓋摩擦表面，從而使得平均摩擦系數(shù)隨制動(dòng)速度升高（50～80 km/h）而下降。當(dāng)制動(dòng)速度超過(guò)120 km/h，制動(dòng)速度提高導(dǎo)致離心力增加，接觸界面上水量降低，使得平均摩擦系數(shù)隨著制動(dòng)速度升高而升高，這也表明在較高的制動(dòng)速度下水對(duì)摩擦接觸界面的作用正在降低。

圖2 不同制動(dòng)條件下閘片制動(dòng)摩擦及噪聲特性Fig.2 Tribological and noise performance when braking under different conditions

不同制動(dòng)條件下盤表面最高溫度如圖2（b）所示。溫度的升高主要是由于制動(dòng)速度提高所致，幾乎與制動(dòng)速度呈現(xiàn)出線性關(guān)系，這表明動(dòng)能的轉(zhuǎn)化是決定制動(dòng)界面溫度的主要因素。壓力增加也能使摩擦界面溫度略有升高，這是高壓下摩擦接觸界面面積增加所致［14］。潮濕條件也會(huì)顯著的降低摩擦界面的溫度。

制動(dòng)噪聲的大小用SPL 來(lái)評(píng)估，不同制動(dòng)條件下出現(xiàn)的峰值SPL 如圖2（c）所示。峰值SPL 隨制動(dòng)速度增大的變化規(guī)律不顯著，在一定的范圍內(nèi)波動(dòng)，這主要受接觸界面的動(dòng)態(tài)變化所影響，在潮濕條件下更加顯著。速度較低時(shí)水膜潤(rùn)滑作用較好，降低了摩擦界面間的噪聲。而隨著制動(dòng)速度升高，摩擦界面水量降低使得噪聲變大，甚至超過(guò)了同等條件下干摩擦產(chǎn)生的噪聲。此外，制動(dòng)壓力的增大會(huì)顯著增加峰值SPL，11.5 kN 下SPL 普遍在110 dB以上，這與摩擦系數(shù)的變化情況不一致。文獻(xiàn)［15-16］表明較高的摩擦系數(shù)通常引發(fā)大的噪聲，來(lái)自于垂直的振動(dòng)產(chǎn)生高頻噪聲，而切向振動(dòng)產(chǎn)生低頻噪聲［17］。因此，該速度等級(jí)閘片的噪聲產(chǎn)生可能主要受垂直方向振動(dòng)的影響。下面將分別研究制動(dòng)速度、壓力以及潮濕條件的影響。

2.2 制動(dòng)速度的影響

不同制動(dòng)速度下瞬時(shí)摩擦系數(shù)隨制動(dòng)時(shí)間的變化如圖3（a）所示。瞬時(shí)摩擦系數(shù)在初始較為平穩(wěn)，維持一段時(shí)間后出現(xiàn)顯著的“翹尾”現(xiàn)象［18］。隨著制動(dòng)速度升高，穩(wěn)定階段的時(shí)間逐漸延長(zhǎng)，翹尾程度逐漸降低。在250 km/h 時(shí)，摩擦系數(shù)上升情況完全消失，在65 s 左右，瞬時(shí)摩擦系數(shù)出現(xiàn)先下降后上升的階段，這表明出現(xiàn)摩擦系數(shù)衰退行為［19］。溫度則是先上升后維持相對(duì)穩(wěn)定。在制動(dòng)后期由于轉(zhuǎn)速下降，散熱能力超過(guò)產(chǎn)熱能力，會(huì)導(dǎo)致溫度出現(xiàn)略微下降，如圖3（b）所示。較強(qiáng)噪聲的頻率以5000 Hz 以下為主，隨著頻率升高噪聲強(qiáng)度逐漸下降，但是在8000 Hz 和16000 Hz 左右出現(xiàn)異常的高頻尖叫，如圖3（c）所示。速度的提高帶來(lái)兩方面影響：（1）提高最大聲壓級(jí)。這主要是在制動(dòng)初始階段制動(dòng)盤轉(zhuǎn)速較高，接觸時(shí)產(chǎn)生的摩擦界面失穩(wěn)振動(dòng)較大；（2）高頻噪聲的頻率降低。這可能與更大制動(dòng)速度促使摩擦界面平整化有關(guān)。

圖3 不同制動(dòng)速度下閘片制動(dòng)摩擦及噪聲特性Fig.3 Tribological and noise performance when braking under different braking speeds

圖4 給出了更加具體的SPL-時(shí)間-頻率分布關(guān)系。當(dāng)制動(dòng)速度為50 km/h 時(shí)，主要噪聲產(chǎn)生頻率在4000 Hz 左右，其大概從制動(dòng)開始1 s 時(shí)開始產(chǎn)生，貫穿整個(gè)制動(dòng)過(guò)程，這與臺(tái)架本身的噪聲有關(guān)，在其他制動(dòng)速度下也發(fā)現(xiàn)了相似的噪聲特征。在制動(dòng)后半段（比如圖4（a）中的10 s 以后），在8000，9000 及16000 Hz 頻率段也會(huì)產(chǎn)生高強(qiáng)度噪聲，該頻率段噪聲強(qiáng)度會(huì)隨著制動(dòng)速度的升高逐漸減弱，推測(cè)這與瞬時(shí)摩擦系數(shù)的拖尾現(xiàn)象有關(guān)。制動(dòng)速度升高帶來(lái)的另一個(gè)影響則是在制動(dòng)初期噪聲強(qiáng)度增加，并且頻率也逐漸從低頻向高頻轉(zhuǎn)變，這表明高頻噪聲的產(chǎn)生與初期制動(dòng)盤轉(zhuǎn)速較高有關(guān)，摩擦面接觸時(shí)會(huì)引發(fā)更大的接觸不穩(wěn)定。

2.3 制動(dòng)壓力的影響

制動(dòng)壓力也是影響閘片與對(duì)偶盤之間的摩擦及噪音產(chǎn)生傾向的重要因素之一。圖5（a）和5（b）表明壓力增大使得摩擦系數(shù)下降，但是所需的制動(dòng)時(shí)間更短，這是由于摩擦力為摩擦系數(shù)與正壓力的乘積［20］。高壓力下產(chǎn)生更大的摩擦阻力從而導(dǎo)致較短的停車時(shí)間。另外，高壓力同樣使得摩擦界面間的溫升作用更加顯著，具體原因已經(jīng)在圖2 中闡述。峰值SPL 值隨頻率的變化（如圖5（c）所示）與圖3 一致，但是壓力增大對(duì)峰值SPL 頻率的影響并不顯著，主要提升峰值SPL 的強(qiáng)度。壓力增大易導(dǎo)致摩擦表面的平臺(tái)結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞，進(jìn)而引發(fā)整個(gè)基礎(chǔ)制動(dòng)系統(tǒng)的振蕩，導(dǎo)致高頻噪聲的產(chǎn)生［21］。更加詳細(xì)的噪聲頻譜分布如圖6 所示，其表明在低壓下（如圖6（b）所示），噪聲主要產(chǎn)生在制動(dòng)初期，且頻率較高，16000 Hz 也有顯著的高SPL 噪聲分布。隨著壓力增大，制動(dòng)初期噪聲發(fā)生的頻率范圍變小，但是在制動(dòng)中后期逐漸出現(xiàn)顯著的高頻噪聲，大概分布在8000，12000 及16000 Hz頻率范圍。壓力增大帶來(lái)的噪聲頻譜變化與制動(dòng)速度增大的效應(yīng)相反，這可能是由于較大的壓力能夠抑制制動(dòng)初期突然接觸帶來(lái)的垂直振動(dòng)。

圖5 不同制動(dòng)壓力下閘片在250 km/h 時(shí)的制動(dòng)摩擦及噪聲特性Fig.5 Tribological and noise performance when braking under different clamping force at 250 km/h

圖6 不同制動(dòng)壓力下SPL 隨時(shí)間和頻率的分布Fig.6 The distribution of SPL as the change of time and frequency under different clamping force

2.4 潮濕制動(dòng)條件的影響

在閘片服役過(guò)程中，除經(jīng)歷波動(dòng)的壓力和速度之外還需要適應(yīng)潮濕摩擦條件，其性能表現(xiàn)如圖7所示。圖7（a）中瞬時(shí)摩擦系數(shù)的變化趨勢(shì)與干燥條件下沒(méi)有顯著區(qū)別，均為制動(dòng)初期接觸后摩擦系數(shù)上升至一個(gè)穩(wěn)定值后保持相對(duì)穩(wěn)定，并在制動(dòng)后期出現(xiàn)摩擦系數(shù)的翹尾現(xiàn)象。差異主要體現(xiàn)在潮濕條件下瞬時(shí)摩擦系數(shù)更加穩(wěn)定，沒(méi)有出現(xiàn)異常的波動(dòng)，這主要是由于界面水膜的潤(rùn)滑作用所致。噴水的降溫作用也使得盤表面溫度較干燥條件下低（如圖7（b）所示）。然而，圖7（c）表明，潮濕條件下最大噪聲的產(chǎn)生及不同速度下峰值SPL 在不同頻率的分布與圖3（c）相比沒(méi)有顯著改變，尤其是在高速制動(dòng)條件下，這是由于制動(dòng)界面水膜隨制動(dòng)速度的變化所致。

圖7 潮濕條件下閘片制動(dòng)摩擦及噪聲特性Fig.7 Tribological and noise performance when braking under wet conditions

圖8 顯示在潮濕條件下SPL 在不同時(shí)間和頻率上的分布也與干摩擦一致，某些頻率的噪聲出現(xiàn)在各個(gè)制動(dòng)速度下，比如在4000，8000 及16000 Hz頻率附近。隨著制動(dòng)速度增加到160 km/h，制動(dòng)速度增加對(duì)制動(dòng)初期噪聲的促進(jìn)作用逐漸顯著，表明水膜的潤(rùn)滑作用正在逐步減弱，摩擦界面回歸到干摩擦狀態(tài)。

圖8 潮濕條件下SPL 隨時(shí)間和頻率的分布Fig.8 The distribution of SPL as the change of time and frequency under wet condition

3 結(jié)論

本工作利用1∶1 臺(tái)架實(shí)驗(yàn)，揭示了不同制動(dòng)條件下城際列車的摩擦性能及噪聲特性，相關(guān)結(jié)論如下：

（1）在50～250 km/h 的速度范圍內(nèi)，閘片的平均摩擦系數(shù)為0.36～0.42，未出現(xiàn)異常的波動(dòng)和衰退。即使在潮濕條件下摩擦系數(shù)也不低于0.32，表明該型閘片顯示出優(yōu)異的摩擦性能。

（2）制動(dòng)速度增大對(duì)制動(dòng)盤最高溫度的提升較大，二者呈線性關(guān)系，而壓力增大僅有略微的提升作用，各制動(dòng)條件下最高溫度不超過(guò)350 ℃。單次制動(dòng)過(guò)程中，溫度先在制動(dòng)初期快速上升，然后長(zhǎng)時(shí)間維持相對(duì)穩(wěn)定。

（3）依據(jù)頻率和時(shí)間，噪聲分為兩個(gè)典型區(qū)域：制動(dòng)初期頻率分布范圍較廣的噪聲和制動(dòng)后期某些特定高頻率出現(xiàn)的噪聲。制動(dòng)速度的增加會(huì)強(qiáng)化制動(dòng)初期的噪聲強(qiáng)度和頻率范圍，壓力的提高則帶來(lái)抑制作用。高制動(dòng)壓力也會(huì)促使制動(dòng)后期高頻嘯叫的產(chǎn)生。潮濕環(huán)境僅在低速下對(duì)摩擦和噪聲性能影響較大，而高速下接近于干摩擦條件下的情況。該型閘片的最大噪聲能達(dá)到120 dB，需要進(jìn)一步提升噪聲表現(xiàn)。