鋁基復(fù)合制動盤閘片開發(fā)及試驗

袁澤旺， 田 春， 張定權(quán)， 李羲宸， 牛連杰

(1. 同濟大學(xué) 鐵道與城市軌道交通研究院， 上海 201804; 2. 上海壬豐復(fù)合材料有限公司， 上海 200135)

城軌車輛用鋁合金制動盤質(zhì)量輕、導(dǎo)熱性能良好，能夠顯著降低車輛簧下質(zhì)量，降低摩擦副制動時的溫升[1-2].SiC顆粒增強鋁基復(fù)合制動盤是鋁合金制動盤的一種，由于采用了增強顆粒，其力學(xué)性能大大高于鋁合金基體[3-5].SiC顆粒增強鋁基復(fù)合制動盤在試驗過程中，基本上沿用適用于鐵盤或鋼盤的閘片[6-10].SiC顆粒增強鋁基復(fù)合制動盤在材料和成型上，不同于傳統(tǒng)的鐵盤和鋼盤[11]，而且摩擦熱量在盤與片之間的分配因摩擦副之間材料參數(shù)不同而不同[12-13]，與鐵盤或鋼盤配合良好的閘片，是否能與SiC顆粒增強鋁基復(fù)合制動盤相匹配需要研究探討和試驗驗證.

本文對新型材料SiC顆粒增強鋁基復(fù)合制動盤的對偶閘片進行了MM-1000縮比試驗、定速摩擦試驗，反復(fù)改進材料配方和成型工藝，開發(fā)了一種適用于SiC顆粒增強鋁基復(fù)合制動盤的微孔型合成閘片，并通過1∶1臺架試驗，驗證該閘片與SiC顆粒增強鋁基復(fù)合制動盤匹配使用時的摩擦磨耗性能和制動噪聲特性.

1 研制工藝

1.1 壓制工藝

合成閘片成型過程中需要將準(zhǔn)備好的原料進行干燥處理、稱量分類后進行混料，而后進行壓制和熱處理.圖1是合成閘片成型的工藝流程，其中壓制方法分為傳統(tǒng)工藝和微孔工藝兩種.傳統(tǒng)工藝是將混料在高溫下加壓黏結(jié)，再經(jīng)過常溫固化而成型，微孔工藝是直接將混料在常溫或低溫下加壓固化而成型.壓制溫度的差異使閘片表現(xiàn)出不同的性能[14]，本文研究了傳統(tǒng)工藝和微孔工藝兩種成型閘片對SiC顆粒增強鋁基復(fù)合制動盤的適應(yīng)性.

圖1 合成閘片成型工藝流程Fig.1 Forming process of composite brake pad

1.2 微孔成型技術(shù)

為減少制動過程中產(chǎn)生的噪聲，在閘片開發(fā)過程中采用微孔成型技術(shù)，孔徑約為0.5～2.0 μm，孔隙率高達15%～20%，且為通孔.運用改進的纖維增強技術(shù)、增加交互貫通網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的彈性體來增強基體強度和韌性，降低噪聲和磨耗.交互貫通的微孔結(jié)構(gòu)增加了對流散熱及散熱面積[15]，有效降低摩擦溫度，保護摩擦副.相關(guān)研究表明，閘片的磨粒質(zhì)量最多的顆粒尺寸分布在3～6 μm之間[16]，連通的微孔結(jié)構(gòu)不易被磨粒堵塞.由此可見，微孔型閘片不僅能夠有效降低摩擦噪聲，還能通過提高閘片的散熱能力來保證閘片在高溫條件下可靠工作.

在材料成分方面，開發(fā)了金屬系和陶瓷系兩個配方體系，其主要區(qū)別是一個含金屬填料，另一個少含甚至不含金屬填料，而相應(yīng)地增加特種陶瓷成分.特種陶瓷粉末用于控制摩擦系數(shù)，實現(xiàn)與對偶制動盤的良好匹配，延緩或避免大顆粒陶瓷因疲勞磨損引起的失效.在成型工藝方面，分別采用傳統(tǒng)工藝和微孔工藝兩種方式來壓制閘片，成型過程中控制各組閘片的孔隙率大小.在充分了解SiC顆粒增強鋁基對偶材料性能試驗的基礎(chǔ)上，確定閘片研發(fā)的方向，篩選出8副閘片進行試驗研究和分析對比.表 1給出了8副閘片的型號及對應(yīng)的技術(shù)特點，其中微孔工藝閘片3副，傳統(tǒng)工藝閘片5副.圖2所示的7副閘片以及當(dāng)時正在臺架上進行試驗的閘片即為試驗研究所用的8副閘片實物.

表1 閘片型號及技術(shù)特點Tab.1 Types and technical characteristics of pads

圖2 用于1∶1臺架試驗的8副閘片 Fig.2 8 pairs of pads for rig test

2 試驗及結(jié)果

2.1 MM1000試驗

MM-1000試驗是一種縮比的小樣慣性制動試驗，能夠模擬短時反復(fù)制動工況，主要用于摩擦材料的開發(fā)過程.MM-1000試驗是對1∶1臺架試驗的模擬，依據(jù)摩擦面接觸比壓、摩擦面滑摩功以及摩擦半徑處的線速度和減速度相等作為模擬的相似準(zhǔn)則，其中縮比制動盤轉(zhuǎn)速與實車運行速度的對應(yīng)關(guān)系為

式中：ns為縮比制動盤轉(zhuǎn)速，r·min-1;v為實車運行速度，km·h-1；R為車輪半徑，m；r為車輛制動盤摩擦半徑，m；rs為縮比制動盤摩擦半徑，m.

表2所列參數(shù)是以1∶1臺架試驗參數(shù)為基礎(chǔ)，按相似性原理確定的MM-1000試驗參數(shù).圖3為閘片材料開發(fā)過程中采用的MM-1000摩擦磨損試驗臺，其工作原理是通過驅(qū)動主軸及慣性飛輪一同加速到規(guī)定的制動速度下，脫開驅(qū)動電機，施加一定的制動力使試樣壓向高速旋轉(zhuǎn)的制動盤產(chǎn)生摩擦制動.根據(jù)試驗臺的特點，縮比試驗采用的摩擦體試樣為長方體狀，外形尺寸為26 mm×20 mm×14 mm(長×寬×高)，摩擦面與實際閘片摩擦面一致，如圖4所示.

表2 MM-1000縮比試驗參數(shù)Tab.2 Subscale test parameters of MM-1000

圖3 MM1000摩擦磨損試驗臺 Fig.3 MM1000 friction test-bed

圖4 閘片試樣及尺寸 Fig.4 Pad sample and dimensions

表3是MM-1000試驗臺上8副閘片的摩擦性能試驗結(jié)果.

從表 3中可以看出J65-102h、J65-104h、J65-102c及J65-217c閘片的摩擦系數(shù)均高于合成閘片的平均摩擦系數(shù)0.350，金屬系閘片表現(xiàn)出較高的平均摩擦系數(shù).摩擦系數(shù)的平均穩(wěn)定系數(shù)(不同速度下制動過程中平均摩擦系數(shù)與最大摩擦系數(shù)比值的平均值)基本上集中在90%左右，其中J65-217c閘片摩擦系數(shù)的平均穩(wěn)定系數(shù)最高，達到91%，即J65-217c閘片在MM-1000試驗臺上具有高而穩(wěn)定的摩擦系數(shù).整個試驗過程中，除J65-218h以外，其余閘片的厚度磨耗均在0.1 mm以內(nèi)，J65-217h、J65-211h和J65-217c閘片的厚度磨耗量不超過0.05 mm.J65-217h、J65-218h和J65-211h閘片的質(zhì)量磨耗均低于0.1 g.同樣材料配方的閘片，傳統(tǒng)工藝閘片的質(zhì)量磨耗要低于微孔工藝閘片.

表3 MM1000縮比試驗結(jié)果Tab.3 Results of MM1000 subscale test

2.2 定速摩擦試驗

合成閘片對溫度比較敏感，為研究不同溫度條件下閘片的摩擦磨耗性能，采用定速摩擦試驗臺對8副閘片試樣進行試驗.圖5是閘片開發(fā)過程中使用的D-MS定速摩擦試驗臺.試驗采取從100 ℃→150 ℃→200 ℃→150 ℃→100 ℃的溫度變化控制策略，每個階段持續(xù)10 min.試驗過程的轉(zhuǎn)速為500r·min-1，制動壓力為1 MPa.定速摩擦試驗臺所用的制動盤尺寸為φ170 mm×30 mm，相對MM-1000縮比試驗所用制動盤要大，摩擦溫度升降過程更接近實際制動盤，因而更能反映溫度對摩擦磨耗性能的影響.

圖5 DMS定速摩擦試驗臺 Fig.5 DMS constant speed friction test-bed

圖6為定速試驗臺上8副閘片摩擦系數(shù)測試結(jié)果，可以看出，8副閘片的平均摩擦系數(shù)均在0.470以上.按摩擦系數(shù)均值高低水平依次排序，金屬系閘片J65-102c、J65-102h和J65-104h排在前3位，比陶瓷系高，與MM-1000試驗結(jié)果相仿.同樣材料配方的閘片，傳統(tǒng)工藝閘片的摩擦系數(shù)總體上比微孔工藝閘片低.除J65-102c閘片以外，其余閘片在100～200 ℃之間的摩擦系數(shù)變化幅度小于0.04，即當(dāng)溫度變化時，閘片的摩擦系數(shù)能夠保持較好的穩(wěn)定性.

圖6 定速試驗平均摩擦系數(shù) Fig.6 Average friction coefficient of constant speed test

圖7和圖8分別為定速試驗結(jié)束后測得8組閘片的質(zhì)量磨耗值和體積磨耗率.從圖7可以看出，在100～200 ℃范圍內(nèi)，陶瓷系閘片的磨耗值在0.05 g以下，而金屬系閘片的磨耗值普遍高于陶瓷系，這與金屬系高摩擦系數(shù)的特點是分不開的.

圖7 定速試驗質(zhì)量磨耗值 Fig.7 Weight wear of constant speed test

圖8 定速試驗體積磨耗率 Fig.8 Volume wear rate of constant speed test

從圖8可以看出，在100～200 ℃范圍內(nèi)，大部分閘片的體積磨耗率低于15%，J65-218h和J65-102c閘片的體積磨耗率甚至低于10%.綜合質(zhì)量磨耗值和體積磨耗率結(jié)果來看，同樣材料配方的閘片，傳統(tǒng)工藝閘片的磨耗要比微孔工藝閘片低，與MM-1000試驗結(jié)果一致.

2.3 噪聲測試

為分辨出閘片在制動過程中產(chǎn)生的噪聲水平，評價其噪聲性能好壞，采用噪聲測試儀對閘片在1∶1臺架上對其制動過程中的摩擦噪聲進行測試.噪聲測試儀的型號為愛華AWA6228多功能聲級計，測試儀在試驗臺上的布置如圖9所示.噪聲探測頭固定在試驗倉內(nèi)，通過延長線與外部的顯示和控制裝置相連.根據(jù)試驗現(xiàn)場的空間條件，探測頭距離制動盤中心0.55 m，距離地面高度1.5 m，與人體聽覺高度一致.對于某一初速度下的單次停車制動試驗，先由牽引電機將試驗臺牽引至設(shè)定的初速度，緊接著按照預(yù)定的減速度減速直至停車.噪聲測試儀從試驗臺減速開始進行啟動，測試整個制動過程中的噪聲A聲壓級平均值.由于在制動減速的過程中，牽引電機不工作，背景噪聲僅僅來自試驗臺通風(fēng)系統(tǒng)的通風(fēng)噪聲，與牽引電機無關(guān).據(jù)此，針對相應(yīng)速度下的通風(fēng)過程，測試背景噪聲.測試過程中試驗臺只通風(fēng)，不制動，整個測試過程為30 s.測量結(jié)果視為相應(yīng)速度下的背景噪聲值，去除該背景噪聲值的制動噪聲結(jié)果即為閘片實際產(chǎn)生的摩擦噪聲.

圖9 噪聲測試裝置及其布置 Fig.9 Test device for noise and its layout

2.4 1∶1臺架試驗

在某種意義上，MM-1000試驗和定速摩擦試驗是一種近似試驗，因此，1∶1臺架試驗在驗證閘片產(chǎn)品性能合格與否時是不可或缺的.1∶1制動試驗臺以完整的閘片和制動盤為試驗對象，以能量相等的原則，設(shè)計試驗條件與現(xiàn)車運行條件一致，試驗臺運轉(zhuǎn)速度與現(xiàn)車運行速度相等進行試驗，因而試驗結(jié)果能夠真實、準(zhǔn)確地反映試驗對象的實際性能.

1∶1臺架試驗中一個重要的評價指標(biāo)就是制動過程中制動盤的最高溫度.在制動盤摩擦半徑所在圓環(huán)間隔90°均勻布置4個K型熱電偶，測量制動盤表面溫度.熱電偶安裝孔為通孔，感溫頭距離摩擦表面2 mm，信號通過滑環(huán)引出，熱電偶在試驗臺制動盤上的布設(shè)見圖10.

圖10 臺架上制動盤的溫度測試方法 Fig.10 Temperature measurement method for brake disc on test rig

考慮到1∶1臺架試驗周期長，費用高，8副閘片需按照一定的篩選流程進行試驗，最終選定一組性能最優(yōu)的閘片進行制動試驗.篩選試驗包含磨合試驗、緊急制動試驗和常用制動試驗3個階段，其中常用制動試驗分為60%常用制動試驗和最大常用制動試驗.表 4是閘片在1∶1臺架上的典型試驗工況及相應(yīng)的試驗條件，緊急制動和常用制動試驗的初始速度最高為110 km·h-1，反映了閘片在實際運營過程中的使用情況.在篩選試驗過程中，以平均摩擦系數(shù)、磨耗量和制動噪聲對8副閘片的性能進行比較.表 5給出了城軌車輛關(guān)于閘片摩擦性能相關(guān)技術(shù)參數(shù)的建議指標(biāo)，包含了各制動工況下的摩擦系數(shù)、整個制動過程的磨耗量以及制動盤溫度限值[17].

磨合的目的在于使閘片與制動盤充分接觸，當(dāng)閘片與制動盤的接觸面積達80%以上時，認為磨合已經(jīng)充分.由于在磨合試驗過程中，閘片與制動盤表面尚未充分接觸，出現(xiàn)磨耗和噪聲大以及摩擦系數(shù)波動幅度大的現(xiàn)象是正常的.磨合試驗在篩選過程中的作用是剔除摩擦系數(shù)過高或過低的閘片.磨合試驗中各組閘片的平均摩擦系數(shù)如圖11所示，其中J65-102h閘片的摩擦系數(shù)太低， 11～16閘次的磨合試驗未完成.

表4 1∶1臺架典型試驗項目及試驗工況Tab.4 Typical items and its conditions for full-scale rig test

表5 城軌車輛合成閘片摩擦性能技術(shù)指標(biāo)Tab.5 Technical indexes of friction performance for composite brake pad of urban rail vehicle

從圖11中可以看出， J65-102c和J65-218c閘片摩擦系數(shù)過高，且穩(wěn)定性不好.由于8副閘片的材料配方大體上接近，試驗過程中摩擦系數(shù)值理應(yīng)一致，過高或過低的摩擦系數(shù)都可以認為偏離了設(shè)計目標(biāo)值.據(jù)此，將剩余5副閘片進行后續(xù)的緊急制動工況和常用制動工況模擬.

圖12～14分別為剩余5副閘片在臺架上緊急制動的平均摩擦系數(shù)、磨耗量和噪聲結(jié)果.從圖12中緊急制動工況的平均摩擦系數(shù)可以看出，作為5副閘片中唯一副金屬系閘片，J65-104h的摩擦系數(shù)超過了規(guī)定的上限摩擦系數(shù).J65-217c閘片的摩擦系數(shù)隨速度提高而下降，與設(shè)定的上限摩擦系數(shù)變化趨勢一致，J65-217h閘片的摩擦系數(shù)隨速度波動不大，而J65-211h和J65-218h閘片的摩擦系數(shù)隨速度提高而提高，與規(guī)定的上限摩擦系數(shù)變化趨勢相反.從圖13中緊急制動工況的磨耗量可以看出，J65-217h、J65-218h和J65-217c閘片的磨耗量均在0.5 cm3·MJ-1以下，J65-104h閘片的磨耗量最大，達到0.67cm3·MJ-1，與試驗過程中表現(xiàn)出的高摩擦系數(shù)結(jié)果相一致.從圖14中緊急制動工況的噪聲結(jié)果來看，J65-217c閘片在不同速度下的噪聲值比較平穩(wěn)，在84.5～89.8 dB(A)之間，平均值在5副閘片中最低.J65-104h閘片的噪聲值最高，達到117.8 dB(A)，且隨著試驗的進行噪聲值越來越高.

圖11 磨合試驗平均摩擦系數(shù) Fig.11 Average friction coefficient of running-in test

圖12 緊急制動平均摩擦系數(shù) Fig.12 Average friction coefficient of emergency braking

圖13 緊急制動磨耗量 Fig.13 Wear in emergency braking

圖14 緊急制動噪聲 Fig.14 Nosie in emergency braking

綜合摩擦系數(shù)、磨耗量和噪聲結(jié)果來看，J65-104h閘片在5副閘片中各項技術(shù)指標(biāo)均處于劣勢，因此在后續(xù)的常用制動工況模擬試驗中，J65-104h閘片試驗被取締.

將剩余4副閘片在臺架上進行常用制動工況模擬試驗，得到平均摩擦系數(shù)結(jié)果如圖15所示，磨耗量如圖16所示，噪聲結(jié)果如圖17所示.剩余的4副閘片均為陶瓷系閘片，閘片中不含甚至少含金屬，與SiC顆粒增強鋁基復(fù)合制動盤配合使用時常用制動摩擦磨耗性能均能滿足表 5中的相應(yīng)規(guī)定.

圖15展示了4副閘片在臺架上的常用制動平均摩擦系數(shù)結(jié)果，包括60%常用制動和最大常用制動及對應(yīng)的上下限值.從圖15中可以看出，4副閘片的最大常用制動平均摩擦系數(shù)均在設(shè)定的范圍之內(nèi)，其中J65-217c閘片在兩種工況下摩擦系數(shù)均隨速度提高而降低，與設(shè)定的上限值變化趨勢一致，其余3副閘片與設(shè)定的摩擦系數(shù)上限值變化趨勢相反.

圖15 常用制動平均摩擦系數(shù) Fig.15 Average friction coefficient of service braking

常用制動工況下，4副閘片的磨耗量在0.27～0.35 cm3·MJ-1之間，如圖16所示，可見閘片在常用制動工況下磨耗不大.4副閘片在兩種不同壓力常用制動工況下的噪聲結(jié)果如圖17所示，可以看出，制動力越大，制動產(chǎn)生的噪聲越大.制動初速度在40～110 km·h-1范圍內(nèi)，J65-217c閘片在60%常用制動工況下的噪聲范圍為79.3～89.2 dB(A)，最大常用制動工況下的噪聲范圍為85.2～93.4 dB(A)，且不同速度工況下的噪聲值波動性較小.與J65-217c閘片相比，J65-211h和J65-218h閘片噪聲值明顯偏高，且各速度工況下的噪聲值波動也較大.J65-217h閘片的噪聲值雖然波動性較小，但不同制動壓力下的噪聲值分別在100.2～116.1 dB(A)和107.5～117.1 dB(A)之間，為4副閘片中最大的.

圖16 常用制動的磨耗量 Fig.16 Wear in service braking

圖17 常用制動噪聲 Fig.17 Noise in service braking

就摩擦磨耗而言，參與篩選試驗的金屬系閘片表現(xiàn)出來的性能均不如陶瓷系閘片，原因在于與SiC顆粒增強鋁基復(fù)合制動盤配合使用時，閘片中的金屬填料會與制動盤表面微觀上凹凸不平的SiC顆粒產(chǎn)生較大阻力，表現(xiàn)出高而不穩(wěn)定的摩擦系數(shù)和磨耗.高摩擦系數(shù)和磨耗量與縮比試驗和定速試驗得到的結(jié)果一致，臺架試驗上采用真實尺寸的閘片，在制動過程中相對較小試樣更不易變形，適應(yīng)微觀上凹凸不平的SiC顆粒表面相對困難，因而摩擦系數(shù)波動幅度較大.

就制動噪聲而言，唯獨J65-217c閘片的噪聲低而平穩(wěn)，其余閘片的噪聲高且不穩(wěn)定.充分磨合以后，在緊急制動和常用制動過程中，只有J65-217c閘片的摩擦系數(shù)隨速度增加而降低，說明摩擦系數(shù)-速度曲線的負斜率特性有利于降低制動噪聲.在常用制動工況中，J65-217c閘片是4副片中唯一一種采用微孔工藝壓制成型的閘片，保證了微孔型閘片中的孔隙率，這也是J65-217c閘片噪聲低的重要原因.

綜合各項試驗指標(biāo)來看，J65-217c閘片噪聲性能優(yōu)異，磨耗量低，摩擦系數(shù)穩(wěn)定且在設(shè)定范圍之內(nèi)，與設(shè)定上限值的變化趨勢一致，隨速度變化的適應(yīng)性好.因此采用J65-217c閘片進行完整的制動試驗程序，驗證該閘片其他工況下的摩擦磨耗性能.

J65-217c閘片的靜摩擦系數(shù)測試結(jié)果如圖18所示，5次靜摩擦系數(shù)均大于0.32，滿足城軌車輛對合成閘片的要求.模擬線路運營試驗時，J65-217c閘片的平均摩擦系數(shù)和制動過程中制動盤的最高溫度如圖19所示.經(jīng)過7次制動的適應(yīng)以后，摩擦系數(shù)開始穩(wěn)定在0.35～0.36之間，在40次停車制動試驗過程中，平均摩擦系數(shù)在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的范圍之內(nèi).經(jīng)過7次制動的適應(yīng)以后，制動盤溫度保持在250 ℃左右，40次停車制動試驗過程中，制動盤的最高溫度不超過400 ℃.從線路模擬試驗的結(jié)果來看，J65-217c閘片滿足城軌車輛多站點頻繁啟停的運用環(huán)境.整個制動試驗結(jié)束以后，稱取閘片的質(zhì)量并計算總的磨耗量為0.58 cm3·MJ-1，低于表 5設(shè)定的磨耗上限.

圖18 J65217c閘片的靜摩擦系數(shù) Fig.18 Static friction coefficient of J65217c

圖19 J65217c閘片模擬線路試驗的摩擦系數(shù)及制動 盤最高溫度Fig.19 Friction coefficient of J65217c and maximum temperature of disc in track simulation test

3 結(jié)論

(1) 研制的J65-217c閘片與SiC顆粒增強鋁基復(fù)合制動盤摩擦性能匹配良好，整個臺架試驗過程中制動盤溫度遠低于400 ℃，滿足城軌車輛的技術(shù)要求.

(2) 研制的J65-217c閘片摩擦系數(shù)隨速度提高而降低，與標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的變化趨勢一致，適應(yīng)輪軌黏著系數(shù)的變化趨勢.

(3) 研制的J65-217c閘片噪聲低而平穩(wěn)，摩擦系數(shù)-速度曲線的負斜率特性和微孔成型技術(shù)有利于降低閘片制動噪聲，制動力越大制動噪聲越大.

(4) 材料中減少金屬成分，增加陶瓷成分能夠改善閘片與SiC顆粒增強鋁基復(fù)合制動盤的摩擦匹配性，保證摩擦系數(shù)的穩(wěn)定性，降低磨耗及噪聲.

(5) 傳統(tǒng)工藝閘片較微孔工藝閘片磨耗略低.

(6) 縮比試樣比真實閘片更容易適應(yīng)SiC顆粒凹凸不平的表面，因而臺架試驗?zāi)Σ料禂?shù)較縮比試驗和定速試驗波動大.