制動(dòng)過程中閘片材料與制動(dòng)盤溫度關(guān)系試驗(yàn)研究

周高偉 段軍軍 史月昆 馮書銳

(1.中車工業(yè)研究有限公司 北京 100160；2.北京縱橫機(jī)電科技有限公司 北京 100081；3.北京軌道交通技術(shù)裝備集團(tuán)有限公司 北京 100070)

隨著列車時(shí)速的提升，對(duì)車輛輕量化提出了更高的要求，而降低制動(dòng)盤質(zhì)量是實(shí)現(xiàn)車輛輕量化的一個(gè)可能措施。碳/碳、碳/陶復(fù)合材料的密度低、耐高溫、耐腐蝕[1-3]，作為制動(dòng)材料具有其他材料不具備的質(zhì)量密度低和能量密度高的優(yōu)點(diǎn)。因此，隨著時(shí)速350 km/h及以上的高速列車的應(yīng)用，人們開始重視碳/碳、碳/陶復(fù)合材料在軌道車輛方面的應(yīng)用研究[4-6]。如果采用碳/陶復(fù)合材料制造摩擦副，就涉及到碳/陶復(fù)合材料與鋼盤摩擦副的關(guān)系，以及碳/陶復(fù)合材料的摩擦性能控制。為此，研究人員針對(duì)碳/碳、碳/陶復(fù)合材料的制動(dòng)性能做了大量的工作。針對(duì)C/C-SiC復(fù)合材料與30CrMoSiVA合金鋼構(gòu)成的摩擦副，文獻(xiàn)[7-9]研究了碳纖維含量與摩擦因數(shù)、磨損率的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)隨碳纖維含量增加，摩擦因數(shù)和磨損率隨速度的增加而增加。此外，為改進(jìn)C/C-SiC復(fù)合材料的摩擦性能，文獻(xiàn)[10]通過調(diào)控材料中的FeSi75，發(fā)現(xiàn)FeSi75合金具有改進(jìn)摩擦因數(shù)穩(wěn)定性的作用。對(duì)于碳/陶復(fù)合材料與H13鍛鋼組成的摩擦副，文獻(xiàn)[11]的研究表明，摩擦因數(shù)隨摩擦壓力的增加而提高，隨速度的提高而降低。對(duì)于C/C復(fù)合材料，文獻(xiàn)[12]通過調(diào)整材料中的樹脂含量，提高了材料的密度，也提高了制動(dòng)過程中摩擦因數(shù)的穩(wěn)定性。

上述研究成果都為掌握碳/陶復(fù)合材料制動(dòng)摩擦性能，以及其工程應(yīng)用提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。然而，由于列車制動(dòng)工況的復(fù)雜性，在采用新型材料以減少制動(dòng)盤質(zhì)量時(shí)，必須考慮這些新型材料對(duì)摩擦性能穩(wěn)定性的影響。而摩擦性能的穩(wěn)定性不僅取決于制動(dòng)材料本身的性質(zhì)，還取決于閘片與制動(dòng)盤兩者材料結(jié)構(gòu)和性能之間的匹配性。與制動(dòng)盤相匹配的閘片，目前采用的材料主要為銅基和鐵基制動(dòng)摩擦材料[13-14]。因此，選擇與碳/陶復(fù)合材料制動(dòng)盤配合的閘片主要有3種，即碳/陶復(fù)合閘片、銅基粉末冶金閘片、鐵基粉末冶金閘片。3種不同材料的閘片與碳/陶復(fù)合材料制動(dòng)盤相配合，存在匹配性和使用壽命的問題。尤其是碳/陶復(fù)合材料制動(dòng)盤耐熱性能好，與金屬基閘片匹配時(shí)，制動(dòng)盤的溫度場(chǎng)有何差異？與制動(dòng)條件的相關(guān)性如何？針對(duì)這方面的問題，目前研究鮮有涉及。本文作者研究碳/陶制動(dòng)盤與3種閘片匹配時(shí)制動(dòng)盤面各點(diǎn)的瞬時(shí)溫度、最高溫度、閘片溫度及其與制動(dòng)工況的關(guān)系。

1 試驗(yàn)方法及材料

試驗(yàn)制動(dòng)盤材料為C/SiC復(fù)合材料，制動(dòng)盤直徑255 mm，厚度25 mm。閘片選取銅基粉末冶金材料、鐵基粉末冶金材料和C/SiC復(fù)合材料，閘片面積為2 600 mm2。

制動(dòng)試驗(yàn)采用TM-I型軌道列車縮比試驗(yàn)機(jī)，溫度測(cè)試使用DIAS熱像儀，制動(dòng)初速度分別為60、140和200 km/h，制動(dòng)壓力分別為0.4、0.55和0.75 MPa。試驗(yàn)的3對(duì)摩擦副為：碳/陶制動(dòng)盤-碳/陶閘片，碳/陶制動(dòng)盤-銅基粉末冶金閘片，碳/陶制動(dòng)盤-鐵基粉末冶金閘片。

2 試驗(yàn)結(jié)果和討論

2.1 制動(dòng)過程中制動(dòng)盤溫度的變化分析

圖1示出了試驗(yàn)速度為200 km/h時(shí)，不同制動(dòng)壓力下碳/陶制動(dòng)盤-碳/陶閘片摩擦副在制動(dòng)過程中的溫度變化。從壓力對(duì)盤面溫度的上升速率影響來(lái)看，制動(dòng)壓力為0.4 MPa時(shí)，從制動(dòng)開始到制動(dòng)接近終止，盤面溫度一直隨制動(dòng)時(shí)間的增加而增加；當(dāng)壓力超過0.55 MPa時(shí)，盤面溫度主要在30 s制動(dòng)期間內(nèi)達(dá)到最高值，其后趨近于均勻化的過程。從壓力對(duì)盤面最高溫度的影響來(lái)看，壓力為0.4 MPa時(shí)的最高溫度為480 ℃左右，壓力為0.75 MPa時(shí)的最高溫度為600 ℃左右。分析可知，制動(dòng)壓力是影響盤面溫度演化的一個(gè)重要因素，壓力的升高，一方面加快了溫度的集中程度，另一方面提高了制動(dòng)過程的最高溫度。在制動(dòng)過程中，盤面溫度一直處于增加的狀態(tài)，這可能與碳陶復(fù)合材料的導(dǎo)熱能力有關(guān)。

圖1 碳/陶制動(dòng)盤-碳/陶閘片摩擦副在制動(dòng)過程中的溫度變化(200 km/h)

圖2示出了試驗(yàn)速度為200 km/h，不同制動(dòng)壓力下碳/陶制動(dòng)盤-銅基粉末冶金閘片摩擦副在制動(dòng)過程中的溫度變化。可知該摩擦副的制動(dòng)時(shí)長(zhǎng)均超過100 s。在制動(dòng)壓力為0.4 MPa時(shí)，制動(dòng)期間溫度一直呈上升狀態(tài)；當(dāng)制動(dòng)壓力為0.55 MPa時(shí)，制動(dòng)時(shí)間超過100 s后盤面溫度開始下降；在制動(dòng)壓力為0.75 MPa時(shí)，制動(dòng)時(shí)間為80 s左右溫度就達(dá)到最高值，其后盤面溫度下降。這說明，在制動(dòng)時(shí)間較長(zhǎng)的情況下，增加制動(dòng)壓力，減少了達(dá)到最高溫度的時(shí)間，同時(shí)也為制動(dòng)后期留下了降溫時(shí)間。原因在于較高的壓力可使制動(dòng)能量主要消耗在制動(dòng)初期，制動(dòng)后期的制動(dòng)能量小于散熱能力而使盤面溫度有所降低。

圖2 碳/陶制動(dòng)盤-銅基粉末冶金閘片摩擦副在制動(dòng)過程中的溫度變化(200 km/h)

圖3示出了試驗(yàn)速度為200 km/h，不同制動(dòng)壓力下碳/陶制動(dòng)盤-鐵基粉末閘片摩擦副在制動(dòng)過程中溫度的變化情況?？芍?，當(dāng)制動(dòng)壓力較低時(shí)，制動(dòng)過程中盤面溫度隨制動(dòng)時(shí)間的增加而增加；當(dāng)制動(dòng)壓力較高時(shí)，盤面溫度在制動(dòng)前期增加，在制動(dòng)后期減小。這表明，制動(dòng)壓力影響了制動(dòng)能量在制動(dòng)過程的分布形態(tài)，制動(dòng)過程的能量在制動(dòng)過程中分配的不均勻性隨制動(dòng)壓力的增加而增加。

圖3 碳/陶制動(dòng)盤-鐵基粉末冶金閘片摩擦副在制動(dòng)過程中的溫度變化(200 km/h)

2.2 制動(dòng)盤盤面各點(diǎn)平均溫度與制動(dòng)速度和壓力的關(guān)系

圖4示出了碳/陶制動(dòng)盤-碳/陶閘片摩擦副平均溫度隨制動(dòng)速度和壓力的變化。可知，在制動(dòng)壓力為0.4 MPa時(shí)，盤面溫度分布比較均勻，溫度隨速度的增加變化不明顯；在制動(dòng)壓力為0.55 MPa時(shí)，速度超過140 km/h后，盤面各點(diǎn)平均溫度分布呈現(xiàn)盤中部偏高的形態(tài)；在制動(dòng)壓力為0.75 MPa時(shí)，隨速度增加，最高平均溫度由150 ℃(60 km/h)進(jìn)一步增加到390 ℃(140 km/h)和511 ℃(200 km/h)，最高平均溫度與其他區(qū)域的溫度偏差有所增加，但高溫區(qū)域的位置變化不明顯。這表明，制動(dòng)壓力對(duì)盤面各點(diǎn)平均溫度的影響與制動(dòng)能量有關(guān)。制動(dòng)能量較低時(shí)，壓力的增加對(duì)盤面各點(diǎn)平均溫度及溫度分布的影響不明顯；當(dāng)制動(dòng)能量較高時(shí)，增加制動(dòng)壓力會(huì)明顯提高盤面溫度，并加劇各點(diǎn)溫度分布的不均勻性，這對(duì)改善盤的使用壽命是不利的。

圖5示出了碳/陶制動(dòng)盤-銅基粉末冶金閘片摩擦副平均溫度分布隨制動(dòng)速度和壓力的關(guān)系?？芍?，在制動(dòng)速度為60 km/h條件下，盤面各點(diǎn)的溫度變化不明顯，但隨壓力由0.4 MPa增加到0.75 MPa，最高平均溫度上升了50 ℃左右。在140 km/h條件下，盤面各點(diǎn)的溫度隨壓力的增加而增加，在壓力為0.55 MPa時(shí)，最高平均溫度上升到320 ℃，最低平均溫度為260 ℃；在壓力為0.75 MPa時(shí)，最高平均溫度上升到390 ℃，最低平均溫度為340 ℃。當(dāng)制動(dòng)速度為200 km/h時(shí)，0.4 MPa壓力下最高平均溫度為400 ℃，出現(xiàn)在盤半徑為100～120 mm區(qū)間；制動(dòng)壓力增加到0.55、0.75 MPa時(shí)，高溫區(qū)均向盤半徑減小方向移動(dòng)，最高平均溫度都超過了500 ℃，最低平均溫度超過400 ℃。這說明對(duì)于碳/陶制動(dòng)盤-銅基粉末冶金閘片摩擦副，隨制動(dòng)能量的增加，壓力的增加能明顯增加盤面溫度，但對(duì)盤面各點(diǎn)的溫度梯度影響不明顯。這可能與銅基粉末冶金閘片良好的導(dǎo)熱性有關(guān)[15]，表明閘片的良好導(dǎo)熱性能對(duì)改善盤的使用壽命是有利的。

圖4 碳/陶制動(dòng)盤-碳/陶閘片摩擦副平均溫度隨制動(dòng)速度和壓力的變化

圖5 碳/陶制動(dòng)盤-銅基粉末冶金閘片摩擦副平均溫度分布隨制動(dòng)速度和壓力的關(guān)系

圖6示出了碳/陶制動(dòng)盤-鐵基粉末冶金閘片摩擦副平均溫度隨制動(dòng)速度和壓力的變化?？芍?，在制動(dòng)速度為60 km/h，壓力為0.4～0.75 MPa時(shí)，盤面各點(diǎn)的平均溫度均沒有超過100 ℃；制動(dòng)速度為140 km/h時(shí)，隨壓力的增加，盤面的最高平均溫度由160 ℃增加到220 ℃；當(dāng)制動(dòng)速度為200 km/h、壓力為0.4 MPa時(shí)，最高平均溫度為290 ℃，制動(dòng)壓力增加到0.55、0.75 MPa時(shí)，最高平均溫度都在400 ℃以下。這說明，對(duì)于碳/陶制動(dòng)盤-鐵基粉末冶金閘片摩擦副，隨制動(dòng)壓力和速度的增加，盤面各點(diǎn)的平均溫度差值沒有顯著的變化，最高平均溫度增加的幅度也較低。這可能與鐵基粉末冶金閘片與碳/陶制動(dòng)盤的匹配性有關(guān)，表明閘片材料的物理性能對(duì)盤的溫度是有影響的。

圖6 碳/陶制動(dòng)盤-鐵基粉末冶金閘片摩擦副平均溫度隨制動(dòng)速度和壓力的變化

2.3 閘片溫度和摩擦因數(shù)在制動(dòng)過程中的變化分析

圖7示出了制動(dòng)速度為200 km/h時(shí)，3種閘片的瞬時(shí)摩擦因數(shù)、溫度在制動(dòng)過程的變化。

圖7 3種閘片的瞬時(shí)摩擦因數(shù)、溫度在制動(dòng)過程的變化(200 km/h)

由圖7可知，3種閘片都表現(xiàn)為隨制動(dòng)壓力提高，溫度增加和制動(dòng)時(shí)間減少。但影響溫度變化和制動(dòng)時(shí)間的重要因素是摩擦因數(shù)的分布形態(tài)。對(duì)于碳/陶閘片，起始摩擦因數(shù)是其他2種閘片的一倍以上，制動(dòng)起始階段也是制動(dòng)能量最高階段。這個(gè)階段的摩擦因數(shù)高，也就意味著制動(dòng)功率高，因此，最高溫度比其他2種閘片高20%，相應(yīng)的制動(dòng)時(shí)間減少了50%左右。對(duì)于銅基粉末冶金閘片和鐵基粉末冶金閘片，雖然兩者的起始摩擦因數(shù)相差不大，但兩者摩擦因數(shù)的變化形態(tài)存在明顯不同。對(duì)于銅基粉末冶金閘片，摩擦因數(shù)在前20 s左右處于增加形態(tài)，超過20 s后，摩擦因數(shù)維持在0.4～0.5范圍。而對(duì)于鐵基粉末冶金閘片，從制動(dòng)開始到結(jié)束，摩擦因數(shù)處于一種連續(xù)上升形態(tài)。從摩擦因數(shù)2種不同的形態(tài)看，對(duì)最高溫度的影響程度有限，但對(duì)制動(dòng)時(shí)間的影響更顯著。由此可見，在制動(dòng)過程中，初始摩擦因數(shù)可明顯改變制動(dòng)功率，從而影響到制動(dòng)溫度和制動(dòng)時(shí)間，后期的摩擦因數(shù)分布形態(tài)對(duì)制動(dòng)時(shí)間有影響。

2.4 3種摩擦副峰值時(shí)刻盤面溫度分布與制動(dòng)速度及壓力的關(guān)系

圖8、9分別示出了制動(dòng)速度為60、200 km/h時(shí)，3種摩擦副峰值溫度時(shí)刻盤面溫度分布與壓力的關(guān)系?？芍l片材料對(duì)碳/陶制動(dòng)盤溫度分布有影響，其影響程度與制動(dòng)速度和壓力有關(guān)。在低速情況下，由于碳/陶材料導(dǎo)熱性差和起始摩擦因數(shù)高，峰值溫度和溫度梯度均隨壓力的增加而明顯增加；當(dāng)制動(dòng)速度較高時(shí)，由于較高的制動(dòng)能量的高擴(kuò)散能力，導(dǎo)致溫度梯度并沒有隨壓力的增加而增加。對(duì)于銅基和鐵基粉末材料，由于金屬材料良好的導(dǎo)熱性，以及由于起始摩擦因數(shù)低、制動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)，制動(dòng)功率分布平穩(wěn)，導(dǎo)致溫度分布較均勻，且隨制動(dòng)壓力的提高，溫度變化不明顯。

圖8 3種摩擦副峰值溫度時(shí)刻盤面溫度分布與壓力的關(guān)系(60 km/h)

圖9 3種摩擦副峰值溫度時(shí)刻盤面溫度分布與壓力的關(guān)系(200 km/h)

3 結(jié)論

(1)3種摩擦副盤面的最高溫度在制動(dòng)過程中出現(xiàn)的時(shí)間有所不同，其中碳/陶制動(dòng)盤-碳/陶閘片摩擦副盤面最高溫度在不同壓力條件下都出現(xiàn)在制動(dòng)結(jié)束，碳/陶制動(dòng)盤-銅基粉末冶金閘片摩擦副和碳/陶制動(dòng)盤鐵基粉末冶金閘片摩擦副的盤面最高溫度出現(xiàn)的時(shí)間隨壓力的增加而減小。原因在于碳/陶材料與金屬材料導(dǎo)熱性和制動(dòng)時(shí)間的差別，導(dǎo)致盤面溫度分布形態(tài)不同。

(2)碳/陶制動(dòng)盤-碳/陶閘片摩擦副盤面溫度梯度隨制動(dòng)速度和壓力的增加有所增加，碳/陶制動(dòng)盤-銅基粉末冶金閘片摩擦副和碳/陶制動(dòng)盤鐵基粉末冶金閘片摩擦副盤面溫度梯度隨制動(dòng)速度和壓力的增加變化不明顯，表明金屬材料的導(dǎo)熱能力有利于提高盤面溫度的均勻性。

(3)相對(duì)于銅基和鐵基粉末冶金閘片，碳/陶閘片的溫度高、制動(dòng)時(shí)間短。原因在于碳/陶閘片的起始摩擦因數(shù)明顯高于銅基和鐵基粉末冶金閘片，起始摩擦因數(shù)高，提高了制動(dòng)功率，從而影響到制動(dòng)溫度和制動(dòng)時(shí)間。

(4)碳/陶制動(dòng)盤-碳/陶閘片摩擦副峰值時(shí)刻盤面溫差與制動(dòng)速度和壓力有關(guān)，在低速情況下，由于碳陶材料導(dǎo)熱性差和起始摩擦因數(shù)高，溫度梯度均隨壓力的增加而明顯增加；當(dāng)制動(dòng)速度較高時(shí)，由于較高的制動(dòng)能量的高擴(kuò)散能力，導(dǎo)致溫度梯度并沒有隨壓力的增加而增加。對(duì)于銅基和鐵基粉末閘片，隨制動(dòng)速度和壓力的提高，峰值時(shí)刻盤面溫度梯度變化不明顯。