鋁基復(fù)合材料制動盤在地鐵車輛上的應(yīng)用研究

趙鋒

鋁基復(fù)合材料制動盤在地鐵車輛上的應(yīng)用研究

趙鋒

（北京軌道交通技術(shù)裝備集團(tuán)有限公司，北京 100000）

應(yīng)用替代鑄鐵材料的鋁基復(fù)合材料制動盤能夠降低車輛簧下質(zhì)量，滿足車輛輕量化發(fā)展趨勢，改善車輛的輪軌關(guān)系和運(yùn)行品質(zhì)。本文從裝用鑄鐵材料制動盤和鋁基復(fù)合材料制動盤的地鐵車輛入手，從某地鐵線路實(shí)際試驗(yàn)情況出發(fā)，著重研究鑄鐵材料制動盤和鋁基復(fù)合材料制動盤在滿軸重載荷及純空氣制動工況下以最高運(yùn)營速度連續(xù)兩次平直道緊急制動熱容量性能、滿軸重載荷及純空氣最大常用制動工況下實(shí)際站點(diǎn)正線往返運(yùn)行熱容量性能、空車及滿載等不同載荷工況下純空氣最大常用制動減速度及制動距離等，同時分析了鋁基復(fù)合材料制動盤對車輛輕量化的效果。研究分析結(jié)果表明，鋁基復(fù)合材料制動盤在提高車輛輕量化的同時具備優(yōu)異的熱容量和制動性能。

地鐵；車輛；制動盤；鋁基復(fù)合材料

我國城市軌道交通系統(tǒng)中，多采用80 km/h A型和B型地鐵車輛，此類車輛制動能量較小，均采用踏面制動方式，即制動閘瓦直接與車輪踏面摩擦從而使地鐵車輛降速或停止。隨著我國城市人口迅速增加，對軌道交通速度及發(fā)車間隔期的需求不斷提升，近年新開通的線路出現(xiàn)了100～120 km/h A型和B型地鐵車輛。隨著車輛速度的增加，原有的踏面制動系統(tǒng)已無法滿足車輛的制動要求，開始使用由制動盤和合成閘片組成摩擦副的盤形基礎(chǔ)制動系統(tǒng)[1-2]。

“溫比亞”露出了她真實(shí)的面容，原來是一位猙獰兇殘的巫婆。她吼叫著，像只餓狼。上天悲切，嚎啕痛哭；大地顫抖，呻吟不止。樓下碗口粗的梧桐樹，被摁彎了腰，頑強(qiáng)抗?fàn)幹豢┲┲ā@只巨獸撕咬著樓房厚厚的墻壁；密集的雨滴擊打著玻璃窗，抬頭一望，窗戶淚流滿面，一肚子委屈。巫婆在外瘋狂地叫囂：“哈哈，這個世界是我的！是我的！”看我一臉不屑，她怒火萬丈，隔窗向我挑戰(zhàn)。我起身干脆打開一扇窗，她伸出冰冷的手拽我，怎奈我紋絲不動，她氣急敗壞又無可奈何。我戴著花鏡，繼續(xù)看書。哈，看誰能笑到最后。

目前地鐵車輛盤形基礎(chǔ)制動系統(tǒng)主要采用鑄鐵材料制動盤。相較于踏面制動系統(tǒng)，盤形基礎(chǔ)制動系統(tǒng)重量較大，增加了車輛的簧下質(zhì)量，影響車輛的輪軸橫向力和輪重減載率等安全性指標(biāo)，增加了輪軌高頻振動幅值，影響車下部件的使用壽命與安全[3]。因此降低車輛簧下質(zhì)量成為地鐵車輛發(fā)展的迫切需要。鋁基復(fù)合材料制動盤具有比熱高、熱膨脹系數(shù)低、彈性模量小等適合用于高能量摩擦盤的優(yōu)點(diǎn)，材料密度為1.75 g/cm3，這為降低車輛的簧下質(zhì)量創(chuàng)造了條件[4]。

本文以應(yīng)用鋁基復(fù)合材料制動盤的某地鐵車輛為研究對象，基于國內(nèi)研究者對鋁基復(fù)合材料制動盤開展的大量研究工作[5-7]，通過北京地鐵某線路上的制動盤熱容量性能及制動性能試驗(yàn)，對比裝用鑄鐵材料制動盤地鐵車輛的性能，分析鋁基復(fù)合材料制動盤在車輛上的應(yīng)用。

1 熱容量性能

不同于傳統(tǒng)踏面制動采用的閘瓦與車輪摩擦施加制動的方式，鑄鐵材料制動盤和鋁基復(fù)合材料制動盤均與裝用于車輪或車軸上的合成閘片匹配來施加制動。合成閘片在實(shí)際運(yùn)用過程中的限制溫度為400℃，溫度限制在于考慮合成閘片中有機(jī)粘合劑的穩(wěn)定性，當(dāng)溫度超過400℃后，材料中的有機(jī)成份將氧化分解，從而出現(xiàn)嚴(yán)重磨損[4]。鋁基復(fù)合材料制動盤具有良好的散熱能力和高制動功率，臺架模擬試驗(yàn)表明，在120 s維持制動條件下，其最高使用溫度為375℃，超過這一溫度，制動盤摩擦表面將出現(xiàn)劇烈的磨損。因此在評價車輛制動系統(tǒng)熱容量性能時，考慮一定的冗余，制動盤和閘片的表面溫度不應(yīng)超過350℃[8]。

根據(jù)T/CAMET 04004.1－2018[8]，地鐵車輛應(yīng)滿足在AW3（乘客9人/m2時車輛和乘客的重量）載荷純空氣制動工況下，以線路正線最高運(yùn)營速度作為制動初速度進(jìn)行平直道連續(xù)兩次緊急制動、按線路正線運(yùn)營速度要求進(jìn)行一個往返運(yùn)行來驗(yàn)證制動系統(tǒng)的熱容量要求。

裝用兩種不同材料制動盤的車輛在北京地鐵某實(shí)際運(yùn)營線路上進(jìn)行熱容量試驗(yàn)，線路最高運(yùn)營速度為100 km/h。試驗(yàn)時將全列車電制動切除，僅實(shí)施空氣制動：按照ATO（Automatic Train Operation，列車自動控制系統(tǒng)）控車模式進(jìn)行每站停車、站停時間30 s，在正線運(yùn)行一個往返；以最高運(yùn)行速度（100 km/h）緊急制動停穩(wěn)后，不停站，發(fā)車，繼續(xù)施加一次緊急制動。

定理 2.1[8] 令→是[0,1]上的正則蘊(yùn)涵算子。若→滿足:對任意的a,[0,1], a+a→b≤1+b,則

式中：為車輛的制動距離；為最大常用制動平均減速度；為最高運(yùn)行速度。

圖1 閘片鉆孔安裝傳感器

對某車輛在相同載荷、相同制動初速度等工況下每軸配套2套外徑640 mm的鑄鐵材料與鋁基復(fù)合材料輪裝制動盤的實(shí)際線路熱容量性能試驗(yàn)進(jìn)行對比分析，得到圖3和表1。

我怕面試遲到，于是提前一個小時從家里出門。走到貝勒庫爾廣場時，天開始下起雨來，我跑到皇家飯店的大堂里躲雨。我可不希望到服裝店里的時候，頭發(fā)是濕淋淋的。我對飯店的門衛(wèi)謊稱自己是飯店的顧客，向他借了一把雨傘。到了格羅雷大街四號，他們讓我在一間寬敞的房間里等著。房間里裝飾著灰色的細(xì)木護(hù)壁板，門窗都用同樣顏色的絲綢窗簾遮掩著。一排被鍍成金色的木椅擺放在墻邊，座椅的軟墊包裹著紅色的天鵝絨。半個鐘頭過去了，我猜想自己已經(jīng)被他們遺忘了。

圖3（a）為兩種材料制動盤連續(xù)緊急制動試驗(yàn)結(jié)果。試驗(yàn)中，車輛在滿軸重載荷純空氣制動工況下，在北京地鐵某線路上以線路最高運(yùn)營速度（100 km/h）作為制動初速度進(jìn)行平直道連續(xù)兩次緊急制動。

首先,以微電網(wǎng)購電成本與聯(lián)絡(luò)線功率波動為主要優(yōu)化目標(biāo),得到最佳的優(yōu)化結(jié)果。分別記作xC和xP,并計算每種優(yōu)化方式對應(yīng)的購電成本f1和波動系數(shù)f2;然后,引入兩個虛擬參與者,將其策略分別設(shè)為f1和f2及xC和xP,形成二人零和博弈模型。其支付矩陣如表2所示。

圖3（b）為正線往返運(yùn)行試驗(yàn)結(jié)果。試驗(yàn)中，車輛在滿軸重載荷下，在北京地鐵某線路上按照線路正線運(yùn)營速度要求進(jìn)行一個往返運(yùn)行，全程各站點(diǎn)采用最大常用純空氣制動停車。

在ATB—25下面層施工結(jié)束后對其壓實(shí)度與平整度進(jìn)行檢測，并跟蹤檢測該高速公路通車一年后瀝青路面損壞狀況，檢測結(jié)果如表6所示。

剛退伍的前兩年，他本來可以分配到很好的事業(yè)單位、機(jī)關(guān)工作，但他立志要打造一個讓退伍軍人干事創(chuàng)業(yè)的平臺，創(chuàng)建一支為黨和政府分憂，為軍旗添彩的隊伍！

圖3 制動盤表面溫度變化曲線

表1 制動盤溫度

注：溫度限值均為350℃。

由于鋁基復(fù)合材料制動盤中鋁合金具有較高的比熱容和導(dǎo)熱系數(shù)[4]，使得在滿軸重載荷連續(xù)緊急制動時鋁基復(fù)合材料制動盤表面最高溫度明顯低于鑄鐵材料制動盤，且在連續(xù)緊急制動結(jié)束后，鋁基復(fù)合材料制動盤表面溫度也較低。滿軸重正線往返運(yùn)行試驗(yàn)中，鋁基復(fù)合材料制動盤表面最高溫度同樣低于鑄鐵材料制動盤。兩種試驗(yàn)過程中鋁基復(fù)合材料制動盤表面最高溫度距離制動盤和合成閘片的最高使用溫度限值有較大冗余，有利于保持合成閘片中有機(jī)粘合劑的穩(wěn)定性，降低制動盤及合成閘瓦的磨損，提高使用壽命。

可以看出，在相同載荷、相同制動初速度及相同試驗(yàn)線路等工況下，鑄鐵材料制動盤和鋁基復(fù)合材料制動盤均滿足溫度限值要求。

通過熱容量性能試驗(yàn)對比分析，鋁基復(fù)合材料制動盤熱容量性能滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，且優(yōu)于鑄鐵材料制動盤。

2 制動性能

本文以北京地鐵某線路試驗(yàn)出發(fā)，對裝用鑄鐵材料制動盤和鋁基復(fù)合材料制動盤的某車輛在相同載荷、相同制動初速度等工況下的制動距離、制動平均減速度進(jìn)行對比分析。

測試時在車輛動力轉(zhuǎn)向架和非動力轉(zhuǎn)向架上各選取一根車軸，如圖1和圖2所示，通過在閘片上鉆孔、安裝溫度傳感器，采集閘片和制動盤表面溫度[9-10]。

可以看出，在AW0、AW2和AW3載荷時，使用鑄鐵材料制動盤和鋁基復(fù)合材料制動盤的車輛均滿足制動減速度不小于1 m/s2和制動距離不大于386 m的標(biāo)準(zhǔn)值要求。

經(jīng)過治療和護(hù)理后,觀察組共有24例被治愈,對照組共有22例被治愈,觀察組的治療效果比對照組強(qiáng),兩組結(jié)果存在統(tǒng)計學(xué)差異性(P<0.05)。

車輛的制動能力即制動走行距離是車輛安全運(yùn)行的必要保障，計算為：

試驗(yàn)時，當(dāng)車輛到達(dá)正線預(yù)定地點(diǎn)和行車速度后，切斷列車牽引力，列車惰性3 s后，以純空氣最大常用制動方式施加制動，并且保持此狀態(tài)直至列車停車，制動初速度的誤差應(yīng)在±2 km/h范圍內(nèi)，記錄每次試驗(yàn)制動初速度、制動距離、平均減速度等數(shù)據(jù)，如表2所示。

表2 制動盤制動能力試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)T/CAMET 04004.1－2018[8]，車輛處在AW0（空載狀態(tài)下車輛的重量）、AW2（乘客6人/m2時車輛和乘客的重量）和AW3載重工況下，列車從最高運(yùn)行速度到停車，應(yīng)符合≥1.0 m/s2。因此，當(dāng)＝100 km/h時，計算得：≤386 m。

兩種材料制動盤與對應(yīng)合成閘片的表面摩擦系數(shù)如表3所示[11-12]，這使得鋁基復(fù)合材料制動盤在車輛AW0、AW2和AW3載荷時的制動減速度均優(yōu)于鑄鐵材料制動盤，可提供更大的制動力。同時，在不同載荷工況下，鋁基復(fù)合材料制動盤的制動距離均明顯優(yōu)于鑄鐵材料制動盤，有利于縮短車輛在緊急情況下的制動距離，提高車輛的安全運(yùn)行能力，還可以為城市早晚高峰期時縮短地鐵列車發(fā)車間隔提供支持，減少地鐵站因客流量聚集、擁堵引起的安全事故。

通過制動性能試驗(yàn)對比分析，鋁基復(fù)合材料制動盤制動性能滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，且優(yōu)于鑄鐵材料制動盤。

3 重量

車輛與軌道之間的振動是由軌道直接傳遞給車輪，不經(jīng)過轉(zhuǎn)向架一系懸掛裝置和二系懸掛裝置減振，振動的能量與車輪的重量，即簧下重量，有直接關(guān)系。制動盤作為地鐵車輛不可缺少的關(guān)鍵部件，安裝在輪對上，屬于車輛簧下重量。由于車輪與鋼軌緊密接觸，使得輪對與軌枕（軌道系統(tǒng)）很容易共振，車輛簧下質(zhì)量的增加將增大輪軌之間的振動能量，降低乘客舒適性，影響車輛車下設(shè)備的使用壽命與安全性能，而且會造成轉(zhuǎn)向架及車輛車下吊掛設(shè)備緊固件松脫斷裂、車輪非圓化磨耗、鋼軌波磨等問題的發(fā)生[13-14]。

由主管部門制定本區(qū)公共圖書館事業(yè)發(fā)展規(guī)劃和建設(shè)實(shí)施方案。結(jié)合實(shí)際，進(jìn)一步完善工作協(xié)調(diào)機(jī)制，著力發(fā)揮圖書館總分館體系對于有效整合區(qū)域文化資源、提高公共文化服務(wù)供給能力具有重要的推動作用。作為補(bǔ)充，因地制宜建設(shè)大居圖書館、24小時自助圖書館、“移動圖書館”、城市書房、職工書屋等服務(wù)點(diǎn)，推進(jìn)城市“15分鐘圖書館服務(wù)圈”、農(nóng)村“農(nóng)家書屋”、“書刊閱覽網(wǎng)格點(diǎn)”建設(shè)。

鋁基復(fù)合材料制動盤的材料密度約為鑄鐵材料制動盤的40%，可顯著降低制動盤的重量。地鐵車輛每車設(shè)置2臺轉(zhuǎn)向架，每臺轉(zhuǎn)向架設(shè)置4套基礎(chǔ)制動裝置，即每車設(shè)置有8套基礎(chǔ)制動裝置，重量如表4所示。計算可得，相比采用鑄鐵材料制動盤，采用鋁基復(fù)合材料制動盤可使每列車（8編組列車）減重約3584 kg。

表4 制動盤重量對比

隨著城市軌道交通車輛智能化程度越來越高，車輛配套的諸如障礙物檢測裝置、脫軌檢測裝置以及走行部在線監(jiān)測裝置等智能化設(shè)備增加，導(dǎo)致車輛總重進(jìn)一步增加，降低車輛的軸重尤其是降低簧下質(zhì)量已成為迫切需要解決的問題。應(yīng)用適合于地鐵車輛的輕量化鋁基復(fù)合材料制動盤，可以減少車輛簧下重量、降低軸重、減少列車的牽引動力、降低能耗、提高車輛的制動性能，還可改善車輛的輪軌關(guān)系和車輛運(yùn)行品質(zhì)，提高車下部件的使用壽命與安全性能。

4 結(jié)語

本文研究對比了地鐵車輛鑄鐵材料制動盤和鋁基復(fù)合材料制動盤，結(jié)果表明：

（1）鋁基復(fù)合材料制動盤的熱容量性能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求的溫度限值，因其較高的比熱容和導(dǎo)熱系數(shù)，相比于鑄鐵材料制動盤溫升更低，有利于保持合成閘片中有機(jī)粘合劑的穩(wěn)定性，降低制動盤及合成閘瓦的磨損，提高使用壽命。

（2）鋁基復(fù)合材料制動盤的制動減速度和制動距離滿足標(biāo)準(zhǔn)及車輛的安全使用要求，且因摩擦系數(shù)高于鑄鐵材料制動盤，鋁基復(fù)合材料制動盤的制動減速度和制動距離更優(yōu)，有利于縮短車輛在緊急情況下的制動距離，提高車輛的安全運(yùn)行能力。

（3）鋁基復(fù)合材料制動盤可降低車輛簧下質(zhì)量，改善車輛輪軌關(guān)系，提高車下設(shè)備使用壽命與安全，滿足車輛輕量化的發(fā)展趨勢。

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Application of Aluminum Matrix Composite Brake Disc on SubwayVehicles

ZHAO Feng

( Beijing Rail Transit Technology and Equipment Group Co., Ltd., Beijing 100000, China )

The application of aluminum matrix composite brake discs instead of cast-iron can reduce the unsprung mass of vehicles, meet the development trend of vehicle lightweight, and improve the wheel/rail relationship and running quality. This research examines the subway vehicles equipped with cast-iron brake discs and aluminum-matrix composite brake discs in the actual test of a subway line. It focuses on the thermal capacity performance of both cast-iron brake discs and aluminum-matrix composite brake discs under full-axle heavy load and pure air braking conditions for two consecutive straight emergency braking at the maximum operating speed. The thermal capacity performance is studied in main line round-trip operation of the actual subway station. The maximum service braking deceleration and braking distance under different load conditions, such as empty and full axle, heavy load and pure air, are studied, and the effect of aluminum-matrix composite brake disc on vehicle lightweight is analyzed. It shows that the aluminum-matrix composite brake disc has excellent heat capacity and braking performance while improving lightweight vehicle.

subway；vehicle；brake disc；aluminum matrix composite

U270.2

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2023.10.006

1006-0316 (2023) 10-0033-05

2023-02-20

趙鋒（1989－），男，河北邢臺人，碩士研究生，工程師，主要從事城市軌道交通車輛及轉(zhuǎn)向架的研發(fā)設(shè)計工作，E-mail：zhaofeng@rtte.cn。