動車組用研磨子的工藝開發(fā)研究

何在田， 張建軍， 馬冬冬， 王偉番， 楊明磊， 張恒瑞， 李 強

(河南和實科技有限公司 技術(shù)研發(fā)部， 河南 鄭州 450000)

近年來，我國高速鐵路技術(shù)飛速發(fā)展，動車組速度不斷提高，運營里程也不斷增加，動車組輪對在短時間內(nèi)會經(jīng)歷復(fù)雜的環(huán)境，因此輪對踏面上會附著很多雨水、灰塵、油跡、銹跡等雜物，影響輪對踏面與鐵軌間的黏著系數(shù)[1-3]，增大列車行駛時的安全風(fēng)險。研磨子是踏面清掃器裝置上的一個核心部件，能夠?qū)唽μっ嫔系碾s物進行清除，保證輪對踏面具有良好的表面狀態(tài)，增大輪對黏著系數(shù)，同時還可以防止車輪空轉(zhuǎn)、打滑等。

日本、德國、比利時等發(fā)達國家已率先通過對研磨子工藝的開發(fā)研究來改善輪對的黏著性[4]，不斷提高動車組運行的穩(wěn)定性。國內(nèi)對此研究起步較晚，工藝多數(shù)還不成熟，研磨子在生產(chǎn)中易產(chǎn)生裂紋、氣泡等，不但影響產(chǎn)品質(zhì)量，嚴重時還會影響列車行車安全。本文對研磨子的選材、配方優(yōu)化、成型工藝等幾個方面進行了探索，旨在為該類產(chǎn)品的開發(fā)提供思路和方法。

1 研磨子的研制條件

根據(jù)我國制定的動車組轉(zhuǎn)向架研磨子技術(shù)要求，結(jié)合目前動車組運行速度及實際工況，在研制研磨子時，要充分考慮到工作環(huán)境中可能出現(xiàn)的風(fēng)、沙、雨、雪、雷擊、暴雨、強臺風(fēng)天氣，以及偶有的鹽霧、酸雨、沙塵暴、高溫、高濕，空氣中有硫酸、SO2、臭氧等情況；除此之外，研磨子在正常使用狀態(tài)下，不允許出現(xiàn)龜裂、翹曲、裂紋、掉塊等缺陷，且不允許對輪對踏面產(chǎn)生任何損傷、腐蝕，不得形成金屬鑲嵌[5]。

研磨子摩擦塊材料在硬度、沖擊強度、壓縮強度、密度等理化性能方面，需要完全符合研磨子技術(shù)指標要求。除此之外，研磨子中還禁止使用石棉等有害物質(zhì)，同時Cd2+、Pb2+、Cr6+、多溴聯(lián)苯、多溴二苯醚等有害離子和有機物的含量也要有一定的限制。

研磨子還應(yīng)滿足基本的振動耐久試驗要求。在鋼背設(shè)計中，要充分考慮到研磨子摩擦塊和金屬鋼背的連接問題，保證研磨子在使用時摩擦塊和鋼背具有足夠的粘結(jié)強度而不開裂、脫落。在金屬鋼背的選擇上，應(yīng)兼顧金屬材料的強度要求和加工工藝的可行性兩個方面。

2 研磨子的工藝開發(fā)

2.1 研磨子鋼背材料的選擇及設(shè)計

在鋼背設(shè)計中，需要考慮兩個方面的要求：一方面是鋼背材料的選取，另一方面是鋼背結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計。通過對動車組實地考察及對研磨子安裝位置進行受力分析可知，研磨子在正常工作時，鋼背需要承受約500 N的正壓力，同時還要受到長時間的振動沖擊，因此鋼背材料的選取至關(guān)重要。本文對中車長春軌道客車股份有限公司CRH3型系列動車組使用的研磨子鋼背(簡稱樣品鋼背)進行了化學(xué)分析，結(jié)果如表1所示。

由表1可知，樣品鋼背金屬材料的化學(xué)成分接近低合金鋼Q345，因此本文選用Q345作為研磨子的鋼背材料，并對樣品鋼背和選用鋼背進行力學(xué)性能測試，結(jié)果如表2所示。從表2可以看出，本次設(shè)計開發(fā)選用的鋼背材料在滿足斷后伸長率要求的情況下，其屈服強度及抗拉強度都優(yōu)于樣品鋼背。

表1 樣品鋼背中各元素含量(質(zhì)量百分比) %

表2 樣品鋼背與選用鋼背力學(xué)性能對比表

鋼背與研磨子摩擦塊主要通過熱壓固化粘結(jié)而成?？紤]到鋼背與研磨子摩擦塊的粘結(jié)問題，對鋼背結(jié)構(gòu)設(shè)計需作特殊處理，如在鋼背內(nèi)部設(shè)計若干連接爪，如圖1所示。熱壓固化前，對鋼背進行表面處理并在內(nèi)部噴涂高溫?zé)峁棠z，以便熱壓固化時連接爪能夠嵌入研磨子摩擦塊中，從而增加二者粘結(jié)強度。

圖1 鋼背內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計圖

2.2 研磨子摩擦塊復(fù)合材料研究

目前在動車組上使用的研磨子摩擦塊多為復(fù)合材料，主要由粘結(jié)劑、摩擦組元、增強纖維、輔助填料等組分通過混料機混合均勻，再經(jīng)過壓制成型、熱處理工藝等步驟而制成。復(fù)合材料的各種組分及含量都對摩擦塊的性能影響很大，因此需要綜合考慮并優(yōu)化工藝參數(shù)，使其性能達到最佳。

2.2.1 粘結(jié)劑

粘結(jié)劑是研磨子摩擦塊制備的關(guān)鍵材料。研磨子摩擦塊是通過粘結(jié)劑將摩擦組元、增強纖維、各種填料粘結(jié)在一起的[6]，因此粘結(jié)劑應(yīng)具有良好的耐熱性、耐磨性、較高的強度和優(yōu)異的抗沖擊性能。目前使用較多的粘結(jié)劑主要有酚醛樹脂、三聚氰胺樹脂、環(huán)氧樹脂、硅樹脂、聚酰胺樹脂等。但使用單一的粘結(jié)劑會導(dǎo)致摩擦塊脆性大、耐溫性較差，因此研磨子摩擦塊多使用混合型粘結(jié)劑。酚醛樹脂-丁腈橡膠混合型粘結(jié)劑具有較高的強度、優(yōu)異的韌性，其抗沖擊、耐熱、耐磨特性以及粘結(jié)強度均優(yōu)于常用粘結(jié)劑。其中，酚醛樹脂用于提高各組分間的粘結(jié)強度，而丁腈橡膠可以提高粘結(jié)劑的韌性，降低粘結(jié)劑的彈性模量，有助于降低輪對踏面的熱損傷[7]。

2.2.2 摩擦組元

摩擦組元與研磨子摩擦塊的磨損率、踏面清掃時的制動噪音、抗熱衰退性有密切關(guān)系。摩擦組元在摩擦塊中的占比一般較高，其材料的選用原則是摩擦組元既不會擦傷輪對踏面，又能起到清掃踏面和改善踏面黏著系數(shù)的作用，同時又能夠?qū)唽M行適量的修形。因此選用硬度低于輪對踏面的金屬或金屬氧化物的粉末和顆粒較為適宜。常用的摩擦組元有Fe、Cu、Al等金屬及其氧化物粉末，其中Fe及其氧化物顆粒或粉末使用最為廣泛。

2.2.3 增強纖維

研磨子在工作狀態(tài)時，會有一定的振動頻率，且有一定的工作壓強，若研磨子摩擦塊性能較差，經(jīng)長時間振動、摩擦及受力作用，極易出現(xiàn)掉塊、剝離、裂紋等現(xiàn)象。增強纖維的加入可以提高研磨子摩擦塊的沖擊韌性，避免上述問題的出現(xiàn)，同時還能夠調(diào)節(jié)摩擦塊的硬度，保持摩擦系數(shù)的穩(wěn)定性。目前常用的增強纖維包括金屬類纖維(如鋼纖維)、無機類纖維(如碳纖維)以及有機礦物類纖維等幾大類[8]。

2.2.4 輔助填料

輔助類的填料通常用來改善摩擦塊某一方面的性能，其添加量一般較小。如石墨填料的加入能夠提高摩擦?xí)r的潤滑性，減小輪對的損耗；氧化鎂、石英、長石粉、碳化硅等輔助填料的加入會對輪對踏面起到一定的修形作用；而一些具有阻燃性的物質(zhì)(如氧化鐵、氫氧化鎂)的加入，則可以防止摩擦塊與輪對踏面摩擦?xí)r產(chǎn)生火星。因此，加入哪幾種輔助填料主要依據(jù)產(chǎn)品開發(fā)需要。

基于公司前期試驗研究，本文選用酚醛樹脂-丁腈橡膠作為粘結(jié)劑，能夠有效降低摩擦?xí)r的局部溫度，提高沖擊韌性；摩擦組元選用Fe粉及其氧化物，可以降低磨損率，延長使用壽命；增強纖維選用鋼纖維，可以增強沖擊韌性，并改善導(dǎo)熱性；輔助填料選用石墨，用于提高摩擦塊與輪對摩擦?xí)r的潤滑性，減輕對輪對的損傷。

2.3 研磨子加工工藝流程

研磨子加工工藝流程主要包括鋼背的加工工藝流程和研磨子摩擦塊的研發(fā)工藝流程。鋼背加工主要涉及到板材的選取、沖壓裁剪、表面處理、內(nèi)部噴涂高溫?zé)峁棠z等工藝。摩擦塊則主要涉及原材料的選取和配比、混料、熱壓成型、熱處理等關(guān)鍵工藝。

通過熱壓成型工藝對鋼背及摩擦塊進行壓制，制備出研磨子試樣。其工藝流程如圖2所示。

圖2 研磨子制備工藝流程圖

(1) 稱料。按照規(guī)定好的質(zhì)量百分比對粘結(jié)劑、摩擦組元、增強纖維、輔助填料進行稱量。

(2) 混料?；炝锨跋葘⒏髟牧线M行烘干處理，防止因原材料受潮而影響產(chǎn)品質(zhì)量；然后將粘結(jié)劑、摩擦組元、輔助填料放入球磨機中進行充分混合，再加入增強纖維進行混合；最后將所有原材料加入高速攪拌機中攪拌，確保各組分均勻混合。

(3) 熱壓成型。熱壓成型前，先將鋼背沖壓好，在鋼背內(nèi)部噴涂高溫?zé)峁棠z，同時將熱壓成型模具預(yù)先升溫至155 ℃；然后打開模腔，在模腔內(nèi)依次放入鋼背、摩擦塊混合原料；最后開動液壓機并控制壓力大于15 MPa進行壓制并保壓30～55 min。由于摩擦塊混合物料中水分子、低分子揮發(fā)物的存在，以及熱壓過程中的縮聚反應(yīng)，在高溫下會產(chǎn)生很大的蒸氣壓力，若不及時排出，則會使研磨子內(nèi)部產(chǎn)生裂紋等缺陷，因此在熱壓過程中應(yīng)每隔20～40 s排氣一次。

(4) 熱處理。為使研磨子產(chǎn)品性能穩(wěn)定，應(yīng)將熱壓成型后的樣品放入烘箱中進行熱處理。熱處理條件為：在130 ℃下保溫2 h，先升溫至150 ℃并保溫2 h，再升溫至180 ℃保溫4 h，最后自然冷卻至室溫。

3 研磨子性能測試

對研發(fā)出的研磨子主要進行研磨子摩擦塊理化性能測試、研磨子磨耗性能(磨損率、溫度)測試、研磨子粘結(jié)強度及研磨子振動耐久性測試。

3.1 研磨子摩擦塊理化性能測試

研磨子理化性能的測試內(nèi)容主要包括硬度、壓縮強度、沖擊強度、彎曲強度、密度等基本性能。參考的國家標準主要有GB/T 1041-2008《塑料 壓縮性能的測定》、GB/T 1043.1-2008《塑料 簡支梁沖擊性能的測定》及GB/T 3398.2-2008《塑料 硬度測定 第2部分：洛氏硬度》等[9]。主要測試儀器為GR-200分析天平、3367型電子萬能試驗機N089、XHR-150型塑料洛氏硬度計N051及XJ-40A塑料沖擊試驗機N092。

3.2 研磨子磨耗性能測試

研磨子磨耗性能是衡量研磨子性能好壞的一個重要參數(shù)。本文采用自主研發(fā)的高速輪軌關(guān)系試驗臺(如圖3所示)進行磨耗測試，利用其操作系統(tǒng)進行測試參數(shù)的設(shè)定、監(jiān)控、記錄、分析。使用的對偶摩擦材料為動車組用的ER8車輪，表面粗糙度為Ra3.2～Ra6.3，車輪直徑為920 mm。進行磨耗試驗時，首先將研磨子在踏面清掃器上安裝好；然后打開試驗臺電氣控制柜，通過試驗臺操作系統(tǒng)控制界面，按照動車組研磨子實際使用情況，設(shè)置輪對運轉(zhuǎn)速度為120 km/h，調(diào)節(jié)踏面清掃器氣缸壓力，使研磨子對輪對踏面的作用壓力為500 N；最后設(shè)置研磨子的動作模式，其動作模式為研磨子在輪對踏面上貼合18 s，然后分離2 s，并不斷循環(huán)此動作模式，直至磨耗試驗完成。

圖3 高速輪軌關(guān)系試驗臺

研磨子的磨損率按下列公式計算：

(1)

式中：a為研磨子的磨損率，cm3/(N·m)；m1為試驗前研磨子質(zhì)量，g；m2為試驗后研磨子質(zhì)量，g；ρ為研磨子的密度，g/cm3；P為研磨子摩擦作用力，N；S為研磨子摩擦距離，m。

3.3 研磨子粘結(jié)強度測試

根據(jù)國際鐵路聯(lián)盟制定的標準UIC 541-4《合成閘瓦》，對開發(fā)的研磨子的粘結(jié)強度進行檢測。在常溫下，先將研磨子安裝至瓦托上，再用工裝固定，如圖4所示。按UIC 541-4標準規(guī)定，對研磨子摩擦塊部位施加10 kN壓力，要求在4 s內(nèi)壓力從0達到10 kN，并保持10 kN的壓力至少2 min，摩擦塊與鋼背不開裂為合格。

3.4 研磨子振動耐久性測試

動車組在高速運行時具有一定的振動頻率及振動加速度，因此，研磨子必須具備良好的振動耐久性。根據(jù)研磨子研發(fā)技術(shù)要求，應(yīng)滿足在±7.5 g×40 Hz×1 000萬次振動條件下，研磨子摩擦塊及鋼背無異常磨損、裂紋、掉塊等現(xiàn)象的發(fā)生。本文采用北京切克試驗設(shè)備有限公司的CK-70BT型振動試驗機對研制出的研磨子進行振動耐久性測試。

(a) (b)圖4 研磨子粘結(jié)強度檢測工裝示意圖

4 試驗結(jié)果

4.1 研磨子理化性能及粘結(jié)強度測試結(jié)果

表3所示為本文研制的研磨子基本性能測試結(jié)果。從表3可以看出，研制的研磨子在密度、硬度、沖擊強度、壓縮強度及粘結(jié)強度等性能上已滿足我國動車組轉(zhuǎn)向架研磨子技術(shù)要求。

表3 研磨子基本性能測試數(shù)據(jù)

4.2 研磨子磨耗性能測試結(jié)果

圖5為本文研制的研磨子摩擦系數(shù)及磨損率隨溫度變化的曲線圖。從圖5可以看出，研磨子的摩擦系數(shù)比較穩(wěn)定，說明溫度變化對其摩擦系數(shù)影響較小，且摩擦系數(shù)不超過0.6，完全滿足我國動車組用轉(zhuǎn)向架研磨子技術(shù)要求中規(guī)定的摩擦系數(shù)小于0.7的要求。在摩擦溫度范圍內(nèi)，研磨子的磨損率在0.28×10-7～0.39×10-7cm3/(N·m)之間，磨損率較低。研磨子經(jīng)過1萬km的磨耗試驗后，其摩擦面無金屬鑲嵌、裂紋、掉塊等，在摩擦過程中也無異響、冒煙、火花等異?，F(xiàn)象，完全符合我國動車組轉(zhuǎn)向架研磨子技術(shù)要求。

圖5 研磨子摩擦系數(shù)及磨損率隨溫度變化曲線圖

4.3 研磨子振動耐久性測試結(jié)果

圖6為振動試驗前后研磨子外觀狀況對比圖。經(jīng)過±7.5 g×40 Hz×1 000萬次振動試驗后，發(fā)現(xiàn)除了鋼背表面有正常的機械磨損外，研磨子無開裂、掉塊、鋼背斷裂等異?，F(xiàn)象。

圖6 研磨子振動耐久性試驗前后外觀對比

5 結(jié) 語

通過對研磨子的技術(shù)背景進行分析，研究了研磨子的鋼背材料及結(jié)構(gòu)特點以及摩擦塊復(fù)合材料的組分和含量，按照研發(fā)的生產(chǎn)工藝流程制造出研磨子并進行性能測試。結(jié)果顯示，研制出的研磨子產(chǎn)品在密度、硬度、壓縮強度、磨耗率、摩擦系數(shù)、振動耐久性等方面均符合有關(guān)技術(shù)規(guī)范的要求，為研磨子工藝開發(fā)提供了一定的借鑒。