軌道車輛用粉末冶金閘瓦性能研究

張宏偉，劉治國

（中車大同電力機車有限公司技術(shù)中心，山西 大同 037038）

軌道車輛包括機車、客車、貨車、動車組、城市軌道車等多種類型，機車作為牽引列車的主要軌道交通工具，其制動性能對列車的安全運行至關(guān)重要，閘瓦作為制動系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，閘瓦的產(chǎn)品性能必須穩(wěn)定可靠。本文以HXD2 系列機車制動系統(tǒng)采用的新型粉末冶金閘瓦為基礎(chǔ)，介紹軌道車輛制動系統(tǒng)閘瓦的試驗及檢驗性能。

1 列車制動

軌道車輛中常見的基礎(chǔ)制動方式主要有摩擦制動、電阻制動等，其中摩擦制動在軌道車輛應(yīng)用最為廣泛。摩擦制動通?？煞譃楸P型制動和踏面制動2 種類型。盤型制動元件主要為制動圓盤，踏面制動元件主要為閘瓦，盤型和踏面2 種制動方式均需要性能優(yōu)良的摩擦材料。閘瓦制動，是自有鐵路以來使用最廣泛的一種制動方式，通過車輪踏面和閘瓦之間機械摩擦將列車的動能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，最后消散于大氣，進而實現(xiàn)城市軌道交通車輛速度的控制。閘瓦作為軌道交通車輛制動系統(tǒng)的重要組成部分，在鐵路應(yīng)用中消耗量極大，其摩擦損耗不僅會提高運輸成本，同時頻繁更換閘瓦，會增加列車運營維護成本，降低閘瓦的壽命周期。為提高閘瓦使用壽命，有必要對不同材料的制動閘瓦性能進行研究。

2 閘瓦材料

閘瓦應(yīng)用歷史悠久，最早在鐵路馬車上使用木質(zhì)閘瓦，各個國家軌道交通剛開始使用的閘瓦其材料也不盡相同，閘瓦材料類型先后大致經(jīng)歷了木質(zhì)閘瓦、鑄鐵閘瓦、合成閘瓦、粉末冶金閘瓦、復(fù)合閘瓦等的演變。隨著科技進步，軌道交通工具也有了高速的發(fā)展，木質(zhì)閘瓦已早早退出歷史舞臺。截至到目前，世界上各個國家的軌道車輛普遍使用的閘瓦主要包括鑄鐵閘瓦、合成閘瓦和粉末冶金閘瓦[1]，在中國，當(dāng)機車時速低于120 km/h 時，閘瓦普遍采用的是含磷鑄鐵、高摩合成以及半金屬閘瓦。

2.1 鑄鐵閘瓦

早期的普通鑄鐵閘瓦價格相對低廉，鑄鐵閘瓦受氣候的影響較小，摩擦系數(shù)相對穩(wěn)定，由于鑄鐵閘瓦導(dǎo)熱性相對較好，對車輪損害程度小，會使車輪踏面粗化，進而獲得比較大的黏著力，使得鑄鐵閘瓦在鐵道車輛上應(yīng)用時間最長，應(yīng)用也最為廣泛[2]。但是鑄鐵閘瓦的缺點也較為明顯，一般普通鑄鐵閘瓦的摩擦系數(shù)相對較小，隨著機車車速的提高，閘瓦的摩擦系數(shù)會快速下降，當(dāng)機車高速運行時，摩擦系數(shù)下降會變得更加明顯?，F(xiàn)如今隨著機車載重和運行速度的提升，普通的鑄鐵閘瓦已經(jīng)不能滿足機車制動要求，相關(guān)研究表明，改變鑄鐵閘瓦中的磷含量，可以提高鑄鐵閘瓦的摩擦系數(shù)和耐磨性。但是含磷量高的鑄鐵閘瓦比較脆，使用過程中容易產(chǎn)生裂紋，使用時需要在瓦背進行補強[3]，現(xiàn)如今各國主要通過增加鑄鐵閘瓦的含磷量或添加少量合金元素來改進鑄鐵閘瓦的性能?，F(xiàn)如今使用的鑄鐵閘瓦一般是特種鑄鐵閘瓦，鑄鐵閘瓦也已經(jīng)形成由普通鑄鐵向特種鑄鐵閘瓦發(fā)展的趨勢。

2.2 合成閘瓦

合成閘瓦是指用合成材料制造的閘瓦，主要由瓦背和摩擦體組成，目前中國鐵路貨車使用的合成閘瓦主要是HGM-A 到HGM-D 等4 種型號，不同型號的合成閘瓦其材料配方不同，但結(jié)構(gòu)性能一致。合成閘瓦的瓦背主要由材質(zhì)牌號為Q235A 或優(yōu)于Q235A 等鋼板沖壓制成。合成閘瓦摩擦體由黏結(jié)材料、增強材料和摩擦材料組成。酚醛樹脂是黏結(jié)的主要成分，橡膠為輔助成分。增強材料主要是海泡石、玻璃纖維等，主要影響材料的摩擦性能、耐熱性能等。摩擦材料主要有硫酸鋇、石墨等，用于增強材料的硬度和強度。合成閘瓦質(zhì)量輕，制動時無火花，車輪踏面磨耗也較少，比用鑄鐵閘瓦可少50%，同時可根據(jù)需要通過改變工藝路線和調(diào)整材質(zhì)配方在一定范圍內(nèi)使閘瓦摩擦系數(shù)曲線和黏著系數(shù)曲線較好地吻合，使其摩擦系數(shù)能夠很大而且對速度的改變不敏感。通過調(diào)節(jié)黏結(jié)材料、增強材料和摩擦材料的成分和含量，進一步提高閘瓦的產(chǎn)品性能。但是合成閘瓦也存在不足，合成閘瓦對鋼軌的干濕狀況相對敏感，受天氣環(huán)境影響較大，在潮濕的條件下，摩擦系數(shù)會下降，閘瓦在雨雪等天氣情況下制動能力下降。同時合成閘瓦其散熱性能差，制動熱量相對難以散發(fā)，從而使得車輪產(chǎn)生溫升，甚至導(dǎo)致熱裂、剝離、金屬鑲嵌等問題。此外，合成閘瓦與車輪踏面反復(fù)磨合后，會使二者間的黏性降低，不利于制動。

通常來說，有機合成摩擦材料制成的閘瓦其運用溫度一般要求不超過250 ℃，當(dāng)閘瓦制動處的溫度達到250 ℃時，有機合成閘瓦材料其磨損率會急劇增加。當(dāng)溫度比較高時，材料的組分會發(fā)生改變，摩擦系數(shù)也將隨之改變。

2.3 粉末冶金閘瓦

粉末冶金閘瓦的材料主要是由非金屬和金屬復(fù)合組成的復(fù)合材料。在組成和產(chǎn)品的多樣性上具有靈活性，在此類復(fù)合材料中，非金屬具有高熔點和堅硬耐磨的特點，金屬具有良好的塑性和導(dǎo)熱性等特點，使得閘瓦耐磨性和導(dǎo)熱性都較好[4]。同時粉末冶金閘瓦既具有有機合成閘瓦的摩擦系數(shù)不隨列車速度變化而變化的優(yōu)點，又具有鑄鐵閘瓦的摩擦系數(shù)不受天氣氣候影響的優(yōu)點，在復(fù)雜環(huán)境中能夠更好地保證制動效果和行車安全。

粉末冶金閘瓦在國外已有了廣泛應(yīng)用[5]，法國國營鐵路在巴黎市郊鐵路車輛上應(yīng)用了粉末冶金閘瓦，克服了山區(qū)和冰雪等不利環(huán)境的影響。美國將粉末冶金閘瓦運用于機車克服多雨等不良天氣的不利影響，加拿大和瑞典等幾國的大功率機車和高速列車都曾使用這種閘瓦，更換率更低，制動性能更好，取得了良好的運用效果。

3 閘瓦金屬鑲嵌原因分析

HXD2 系列電力機車基礎(chǔ)制動裝置采用踏面制動，其閘瓦使用的是符合UIC 541-4 標(biāo)準(zhǔn)的進口有機高磨合成閘瓦，該閘瓦最初批量裝車在HXD2 系列電力機車上，在運行過程中存在金屬鑲嵌問題。

一般情況下，機車運行過程中閘瓦和輪摩擦下的金屬粉末都應(yīng)該落到道床上，當(dāng)出現(xiàn)特殊情況時，金屬鑲嵌物不會掉落到道床，反而會嵌入閘瓦內(nèi)部。在一定條件下，金屬鑲嵌起始點會逐漸變大，在金屬鑲嵌物變大過程中，制動產(chǎn)生的摩擦熱會使閘瓦發(fā)脆、碳化，有的鑲嵌物在制動時發(fā)生松動然后脫落，有的會進行聚集，當(dāng)聚集到一定程度時會導(dǎo)致抱閘[6]。此時容易發(fā)生輪對過熱和閘瓦熔化，出現(xiàn)金屬鑲嵌現(xiàn)象。合成閘瓦產(chǎn)生金屬鑲嵌的現(xiàn)象錯綜復(fù)雜，車輪及閘瓦材質(zhì)、運行環(huán)境情況、制動工況等對其都有影響。

為有效解決有機合成閘瓦使用過程中存在的金屬鑲嵌問題，中車大同電力機車有限公司與軌道行業(yè)相關(guān)企業(yè)一起研制開發(fā)了新型閘瓦。新研制的粉末冶金閘瓦能夠與HXD2 系列電力機車裝用的有機合成閘瓦進行整體互換。

4 HXD2 系列電力機車用粉末冶金閘瓦性能檢測及計算驗證[7]

4.1 物理力學(xué)性能檢測

根據(jù)TJ/JW 056—2014《交流傳動機車粉末冶金閘瓦暫行技術(shù)條件》，對新型粉末冶金閘瓦的外觀、尺寸、摩擦材料的密度、硬度、抗壓強度、抗剪強度和沖擊韌性進行了檢測。檢測結(jié)果如表1所示。

表1 新型粉末冶金閘瓦摩擦體物理力學(xué)性能檢測結(jié)果

4.2 緊急制動距離計算

緊急制動時的機車制動力B=8×2×40.1×0.22=141.2 kN。

緊急制動時的減速度a=141.2/（25×8×1.1）=0.624 m/s2。

制動有效距離Se=V2/2a=865.2 m。

制動空走距離Sk=（120/3.6）×2.5=83.3 m。

實際制動距離S=Se+Sk=865.2+83.3=948.5 m。

4.3 停放制動校核

機車在30‰坡道的下滑力Fh=25×8×9.81×0.03=58.86 kN。

機車基礎(chǔ)制動裝置提供的停放制動力Ft=8×26.8×0.4=85.76 kN。

停放制動的安全系數(shù)為Ft/Fh=85.76/58.86=1.46。

4.4 閘瓦熱負(fù)荷計算

4.4.1 計算參數(shù)

閘瓦熱負(fù)荷計算參數(shù)如表2所示。

表2 閘瓦熱負(fù)荷計算參數(shù)

4.4.2 計算工況

連續(xù)2 次純空氣緊急制動。閘瓦熱負(fù)荷計算結(jié)果如圖1所示。

圖1 閘瓦熱負(fù)荷計算結(jié)果

4.4.3 計算結(jié)果

計算結(jié)果顯示，機車制動初速為120 km/h 時，進行連續(xù)2 次純空氣緊急制動，新型粉末冶金閘瓦局部最高溫度為290 ℃。

4.5 計算結(jié)果分析

根據(jù)以上計算分析，機車緊急制動距離948.5 m，停放安全系數(shù)1.46，連續(xù)2 次純空氣緊急制動閘瓦局部最高溫度為290 ℃，均滿足HXD2 八軸機車技術(shù)規(guī)范的要求。從技術(shù)性能的角度考慮，新型粉末冶金閘瓦的耐磨性優(yōu)于合成閘瓦，新型粉末冶金閘瓦可以替代目前的合成閘瓦，成為HXD2 系列機車閘瓦裝車的另一個選擇方案。

5 結(jié)論

相關(guān)檢驗和計算驗證了新型粉末冶金閘瓦可以滿足HXD2 系列機車技術(shù)規(guī)范的要求，且考慮到粉末冶金閘瓦配方和合成閘瓦的區(qū)別，該閘瓦在實際裝車使用后可以有效減少閘瓦金屬鑲嵌的現(xiàn)象。

該新型粉末冶金閘瓦已通過鐵道科學(xué)研究院環(huán)形鐵道基地的緊急制動距離試驗驗證，試驗效果良好，各項數(shù)據(jù)均滿足試驗大綱要求，試驗過程中也未出現(xiàn)金屬鑲嵌等不良現(xiàn)象。

目前，該新型粉末冶金閘瓦正在相關(guān)鐵路局HXD2 八軸機車上進行裝車運用考核，截至目前，在考核期間，各項性能指標(biāo)均表現(xiàn)良好，通過加強檢查，閘瓦發(fā)生金屬鑲嵌大幅度降低，大大降低了閘瓦發(fā)生鑲嵌的次數(shù)，表明粉末冶金閘瓦具有良好的制動性能和環(huán)境適應(yīng)性能，能滿足軌道車輛的使用要求，具有廣闊的應(yīng)用前景。