廣州地鐵3號(hào)線車輛制動(dòng)盤與閘片國產(chǎn)化研究

侯品楊

（廣州市地下鐵道總公司，廣東廣州510380）

廣州地鐵3號(hào)線車輛制動(dòng)盤與閘片國產(chǎn)化研究

侯品楊

（廣州市地下鐵道總公司，廣東廣州510380）

通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，選用蠕墨鑄鐵及復(fù)合材料，研制出適用于廣州地鐵3號(hào)線車輛的制動(dòng)盤和閘片。經(jīng)過臺(tái)架試驗(yàn)、裝車試驗(yàn)及運(yùn)營驗(yàn)證，國產(chǎn)制動(dòng)盤和閘片制動(dòng)摩擦性能滿足120 km/h地鐵車輛運(yùn)用要求。

120 km/h；地鐵車輛；制動(dòng)盤；制動(dòng)閘片；國產(chǎn)化研究

1　制動(dòng)盤和閘片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1制動(dòng)盤結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

輪裝制動(dòng)盤采用環(huán)形整體式和分體設(shè)計(jì)，輪對(duì)外側(cè)設(shè)計(jì)使用整體式，內(nèi)側(cè)安裝分體式制動(dòng)盤，實(shí)現(xiàn)制動(dòng)盤損壞更換不需要拆卸輪對(duì)。

制動(dòng)盤環(huán)的外側(cè)為摩擦面，內(nèi)側(cè)設(shè)有多個(gè)寬度相等的條形散熱筋，且沿徑向均勻分布，在散熱筋之間形成徑向的氣流通道。同時(shí)制動(dòng)盤環(huán)的內(nèi)側(cè)還設(shè)有鑄造凸臺(tái)、螺栓凸臺(tái)、對(duì)中定位臺(tái)，散熱筋、鑄造凸臺(tái)、螺栓凸臺(tái)和對(duì)中定位臺(tái)，這些結(jié)構(gòu)分別在整個(gè)制動(dòng)盤環(huán)的內(nèi)側(cè)循環(huán)對(duì)稱分布，使制動(dòng)盤的摩擦面受熱均勻，加快制動(dòng)盤內(nèi)側(cè)冷卻風(fēng)的流動(dòng)速度，提高制動(dòng)時(shí)的冷卻效果，進(jìn)而減少熱裂紋的產(chǎn)生；另外這種循環(huán)對(duì)稱結(jié)構(gòu)可減小制動(dòng)盤剩余不平衡量。

制動(dòng)盤內(nèi)側(cè)設(shè)置6個(gè)鍵槽，沿圓周方法每隔60°角設(shè)計(jì)一個(gè)，通過定位銷用于制動(dòng)盤對(duì)中定位及傳遞制動(dòng)力矩，摩擦環(huán)使用12顆徑向排列的螺栓緊固，分體式制動(dòng)盤，摩擦環(huán)設(shè)計(jì)兩個(gè)半環(huán)，通過面齒型嚙合連接，分體盤連接齒形槽處的間隙需嚴(yán)格控制，保證接合面處的縫隙均勻分布，半環(huán)連接處通過螺桿螺母緊固，見圖1。

圖1　制動(dòng)盤示意圖

1.2制動(dòng)閘片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

閘片參照UIC 541-3合成閘片通用結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，分為左右兩片，呈對(duì)稱結(jié)構(gòu)。兩片閘片面積為400 cm2，厚度24 m m，長度和寬度分部為400 m m和140 m m，表面設(shè)計(jì)散熱排屑槽，背部設(shè)計(jì)鋼片，與閘片壓裝為一體，尺寸與制動(dòng)夾鉗燕尾槽實(shí)現(xiàn)間隙配合，見圖2。

圖2　制動(dòng)閘片結(jié)構(gòu)示意圖

2　制動(dòng)盤與閘片材料選型

2.1制動(dòng)盤

取140 μL PBS緩沖液（pH 8.0），20 μL藥用植物供試品溶液，15 μL 0.28 U/mL的AChE溶液在微孔里混合，震蕩混勻10 min，4 ℃培養(yǎng)20 min，依次加入10 μL DTNB溶液、10 μL ATCI溶液開始反應(yīng)，震蕩混勻10 min。37 ℃培養(yǎng)20 min后，405 nm下測(cè)量吸光度（A）值。數(shù)據(jù)分為4組，分別為實(shí)驗(yàn)組、陽性控制組（毒扁豆堿溶液代替供試品溶液），空白組（pH 8.0 PBS緩沖液代替供試品溶液），實(shí)驗(yàn)控制組（pH 8.0 PBS緩沖液代替AChE溶液）。抑制率（I）通過公式計(jì)算，所用樣品平行進(jìn)行3次，取平均值[7-9]。

地鐵車輛制動(dòng)能力的發(fā)揮，主要取決于制動(dòng)盤承受制動(dòng)熱負(fù)荷的能力。制動(dòng)盤磨耗的快慢、制動(dòng)盤形成裂紋與裂紋擴(kuò)展的速度都與制動(dòng)盤的溫升有關(guān)。在高溫狀態(tài)下，制動(dòng)盤的金相組織、力學(xué)性能、制動(dòng)摩擦性能都有變化。溫升越高，制動(dòng)盤出現(xiàn)裂紋的速度也越快。對(duì)于制動(dòng)盤的主要設(shè)計(jì)依據(jù)是制動(dòng)盤的溫度及熱應(yīng)力，兩者對(duì)制動(dòng)盤熱裂的出現(xiàn)直接產(chǎn)生影響。因此，在制動(dòng)盤材料選型中摩擦材料應(yīng)當(dāng)能承受頻繁的熱變化，即能抗熱疲勞，同時(shí)制動(dòng)盤還應(yīng)具有相當(dāng)高的導(dǎo)熱性、熱容量和盡可能小的線脹系數(shù)。

進(jìn)口制動(dòng)盤材料采用灰鑄鐵，由于工藝上的原因，鑄鐵件的鑄造缺陷難以避免，高溫性能比較差。國產(chǎn)制動(dòng)盤材料選用要求在高溫工況仍有良好的耐熱疲勞性，即在較高制動(dòng)功作用下，不允許出現(xiàn)破壞性裂紋。為進(jìn)一步改善組織結(jié)構(gòu)，提高材料的強(qiáng)度和韌性，國產(chǎn)制動(dòng)盤材料選用蠕墨鑄鐵，澆注時(shí)加入了Cu、M o、Ni、Ti等合金元素，其金相組織中石墨呈蠕蟲狀均勻分布，基體組織為珠光體+鐵素體，熱疲勞性能、抗熱裂性能較好，并且高溫下的熱疲勞性能優(yōu)于球鐵。

2.2制動(dòng)閘片

地鐵閘片摩擦塊多數(shù)采用有機(jī)合成材料。該材料由多組份黏合劑、混雜纖維及特殊填料制成的無石棉高摩擦系數(shù)合成閘片。制造地鐵合成閘片的關(guān)鍵材料是高分子基體，其性能的好壞直接影響到地鐵合成閘片的各種性能。一般的地鐵合成閘片是由聚合物作為基體粘結(jié)其他顆粒或者纖維增強(qiáng)材料，聚合物基復(fù)合材料有優(yōu)越的常溫性能，但在摩擦制動(dòng)的高溫高速條件下，即便采用耐高溫的高性能樹脂，聚合物材料的耐高溫性能始終不能滿足要求。

為適應(yīng)120 km/h高速制動(dòng)閘片在瞬時(shí)摩擦系數(shù)、制動(dòng)曲線、耐磨性、導(dǎo)熱性和制動(dòng)距離等方面的要求，國產(chǎn)制動(dòng)閘片在配方和材料上進(jìn)行了深入的研究，改進(jìn)現(xiàn)有材料性能和引入先進(jìn)復(fù)合材料，特別是纖維增強(qiáng)復(fù)合材料以及高分子基體的酚醛樹脂與橡膠的配比、酚醛樹脂的選擇、耐熱補(bǔ)強(qiáng)纖維、填料體系等，最終確定了國產(chǎn)合成閘片的材料和配方。

3　國產(chǎn)制動(dòng)盤與閘片試制及主要技術(shù)參數(shù)

為提高鑄造質(zhì)量，制動(dòng)盤生產(chǎn)過程中使用了金屬模具鑄造，同時(shí)采用樹脂沙機(jī)器造型工藝，保證制動(dòng)盤非加工面的表面粗糙度及散熱筋的完整，提高透氣性。根據(jù)制動(dòng)盤的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，采用封閉式澆注系統(tǒng)，在模具的內(nèi)部設(shè)置環(huán)型橫澆道及若干個(gè)放射狀內(nèi)澆道。澆注過程中加入蠕化劑、鈦鐵合金及硅鐵合金，對(duì)制動(dòng)盤進(jìn)行蠕化處理。為提高鑄件基體組織的珠光體含量，提高強(qiáng)度及硬度，對(duì)制動(dòng)盤進(jìn)行正火處理。制動(dòng)盤主要技術(shù)參數(shù)見表1。

制動(dòng)閘片采用有機(jī)合成摩擦材料生產(chǎn)工藝，原材料經(jīng)過還原和干燥處理在混料機(jī)中混合均勻，壓制成形，并經(jīng)固化處理。制動(dòng)閘片的幾何、物理力學(xué)性能參數(shù)見表2。

按照裝車要求，國產(chǎn)制動(dòng)盤和閘片的接口尺寸要與原裝車輛保持一致，其主要技術(shù)參數(shù)也要滿足廣州地鐵3號(hào)線車輛制動(dòng)系統(tǒng)基本技術(shù)條件。制動(dòng)盤和閘片樣品，見圖3、圖4。

表1　國產(chǎn)制動(dòng)盤主要技術(shù)參數(shù)

表2　閘片幾何、物理力學(xué)性能試驗(yàn)參數(shù)

圖3　國產(chǎn)制動(dòng)盤產(chǎn)品樣圖

圖4　制動(dòng)閘片樣品圖

4　1∶1制動(dòng)動(dòng)力試驗(yàn)

國產(chǎn)制動(dòng)盤與閘片配對(duì)的摩擦制動(dòng)性能能否滿足120 km/h地鐵車輛的制動(dòng)要求，必須通過1∶1制動(dòng)動(dòng)力試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)。制動(dòng)動(dòng)力試驗(yàn)在鐵道部產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心機(jī)車車輛檢驗(yàn)站的1∶1制動(dòng)動(dòng)力試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行，分別進(jìn)行了磨合試驗(yàn)、一次停車制動(dòng)試驗(yàn)、常用制動(dòng)試驗(yàn)、坡道連續(xù)制動(dòng)試驗(yàn)和靜摩擦試驗(yàn)。試驗(yàn)時(shí)應(yīng)記錄操作序號(hào)、制動(dòng)初速度、閘片壓力、實(shí)制動(dòng)時(shí)間、實(shí)制動(dòng)距離、摩擦因數(shù)、閘片磨耗量、制動(dòng)盤摩擦面的初始溫度和制動(dòng)過程中制動(dòng)盤的最高溫度。同時(shí)，記錄試驗(yàn)過程中制動(dòng)盤摩擦面和閘片有無熱斑或熱斑程度，有無裂紋、剝離凹陷、粘結(jié)劑滲出、金屬鑲嵌等缺陷，并記錄噪聲、煙塵、氣味等情況。

臺(tái)架試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明：在各個(gè)試驗(yàn)工況下國產(chǎn)制動(dòng)盤和閘片摩擦性能穩(wěn)定；初始速度120 km/h時(shí)緊急制動(dòng)距離均小于427 m；120 km/h的常用制動(dòng)減速度≥1.07 m/s2；模擬運(yùn)營試驗(yàn)數(shù)據(jù)，最高溫度為261℃；平均靜摩擦系數(shù)接近0.5。試驗(yàn)結(jié)束后制動(dòng)盤與閘片無任何熱斑、裂紋、劃傷及金屬鑲嵌等制動(dòng)盤損傷現(xiàn)象，1∶1制動(dòng)試驗(yàn)后制動(dòng)盤和閘片的狀況見圖5。

圖5　國產(chǎn)制動(dòng)盤與閘片試驗(yàn)后狀況

為了更好掌握國產(chǎn)制動(dòng)盤和閘片與進(jìn)口件性能差別，進(jìn)口制動(dòng)盤和閘片也以相同的試驗(yàn)程序在試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行了試驗(yàn)。對(duì)比試驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖6所示，國產(chǎn)制動(dòng)盤和閘片，摩擦系數(shù)曲線平穩(wěn)，無論是國產(chǎn)化整體制動(dòng)盤還是國產(chǎn)化分體盤與國產(chǎn)化閘片相配的摩擦副進(jìn)行試驗(yàn)的摩擦系數(shù)與國外同類產(chǎn)品相近。

圖6　平均摩擦系統(tǒng)對(duì)比

5　裝車試驗(yàn)及運(yùn)營可靠性驗(yàn)證

國產(chǎn)制動(dòng)盤和閘片通過1∶1制動(dòng)動(dòng)力臺(tái)架試驗(yàn)，具備了裝車試驗(yàn)條件。作為替代進(jìn)口件而研發(fā)的國產(chǎn)制動(dòng)盤與閘片必須通過裝車試驗(yàn)來驗(yàn)證摩擦性能與制動(dòng)系統(tǒng)的匹配性，并且摩擦性能必須滿足列車的運(yùn)營安全距離要求。裝車試驗(yàn)完成后，車輛投入運(yùn)營檢驗(yàn)制動(dòng)盤和閘片的可靠性，并統(tǒng)計(jì)制動(dòng)盤和閘片的磨損情況。其中裝車試驗(yàn)包括：制動(dòng)初速度分別為40，60，80，120 km/h等級(jí)的緊急制動(dòng)距離和最大常用制動(dòng)（純空氣）制動(dòng)距離測(cè)試以及列車自動(dòng)駕駛停車對(duì)標(biāo)精度試驗(yàn)。

5.1裝車制動(dòng)距離測(cè)試

制動(dòng)距離是車輛性能的關(guān)鍵參數(shù)之一，也是車輛制動(dòng)性能的具體表現(xiàn)。緊急制動(dòng)距離為純摩擦制動(dòng)，其中初始速度120 km/h的緊急制動(dòng)距離是車輛的安全距離，必須滿足。常用制動(dòng)（純空氣制動(dòng)）是在切除電制動(dòng)的條件進(jìn)行的，驗(yàn)證電制動(dòng)失效情況下，空氣制動(dòng)是否滿足常規(guī)制動(dòng)的要求。制動(dòng)距離測(cè)試一般要求在平直干燥軌道上進(jìn)行測(cè)試，如果沒有符合條件的試驗(yàn)軌道，選用正線區(qū)間坡度較小的軌道進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試數(shù)據(jù)可依據(jù)E N 13452標(biāo)準(zhǔn)制動(dòng)距離公式進(jìn)行修正。

國產(chǎn)制動(dòng)盤和閘片選用了廣州地鐵3號(hào)線029030車作為試驗(yàn)車，測(cè)試記錄制動(dòng)初速度分別為40，60，80，120 km/h等級(jí)的緊急制動(dòng)距離和最大常用制動(dòng)（純空氣）制動(dòng)距離，試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表3。試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，各個(gè)速度等級(jí)下制動(dòng)距離均滿足車輛制動(dòng)系統(tǒng)的技術(shù)要求，初始速度120 km/h的緊急制動(dòng)距離≤427 m，滿足車輛制動(dòng)安全性能要求。

5.2列車自動(dòng)駕駛（A T O）停車對(duì)標(biāo)精度試驗(yàn)

地鐵線路區(qū)間短，停站次數(shù)多，車站安裝了屏蔽門，列車進(jìn)站停車要保證車門與屏蔽門對(duì)中，及時(shí)疏導(dǎo)乘客。因此，列車自動(dòng)駕駛對(duì)停車精度要求較高，A T O停車對(duì)標(biāo)精度檢驗(yàn)了制動(dòng)系統(tǒng)低速摩擦性能，對(duì)標(biāo)精度越高，說明摩擦制動(dòng)與A T O曲線越吻合。A T O對(duì)標(biāo)精度試驗(yàn)，要求列車停站時(shí)測(cè)量車門門頁中間點(diǎn)與屏蔽門門頁中間點(diǎn)位置偏差，精度標(biāo)準(zhǔn)為±30 cm。此項(xiàng)測(cè)試在廣州地鐵3號(hào)線天河客運(yùn)站至番禺廣場(chǎng)站上下行16個(gè)車站開展，試驗(yàn)結(jié)果表明，安裝了國產(chǎn)制動(dòng)盤和閘片的車輛A T O停車對(duì)標(biāo)精度滿足運(yùn)營要求，平均負(fù)偏差為-8 m m，正偏差為+4 m m，最大偏差為-20 cm。各站對(duì)標(biāo)精度數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)見圖7。

5.3運(yùn)營可靠性驗(yàn)證及磨耗統(tǒng)計(jì)

國產(chǎn)制動(dòng)盤和閘片制動(dòng)距離和正線對(duì)標(biāo)精度滿足要求后，列車投入正線載客運(yùn)營服務(wù)，運(yùn)營考核不少于6個(gè)月，運(yùn)營里程不少于10萬km。每月定期車輛并記錄制動(dòng)盤和閘片厚度，檢查制動(dòng)盤、閘片狀況，跟蹤統(tǒng)計(jì)制動(dòng)盤和閘片的磨耗情況。廣州地鐵3號(hào)線車輛全為動(dòng)車，采用架控制動(dòng)控制，制動(dòng)力實(shí)施平均分配，磨耗統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)中，A車第一轉(zhuǎn)向架保留進(jìn)口制動(dòng)盤及閘片，便于與國產(chǎn)件比較。2930車運(yùn)營9個(gè)月，運(yùn)用里程14萬 km，磨耗對(duì)比數(shù)據(jù)見表4。

表3　制動(dòng)距離測(cè)試數(shù)據(jù)

圖7　對(duì)標(biāo)精度數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

表4　制動(dòng)盤磨耗率對(duì)比?。╩m·（萬km）-1）

通過磨耗統(tǒng)計(jì)和比較分析，國產(chǎn)制動(dòng)盤磨耗率僅為進(jìn)口件的20%，國產(chǎn)閘片磨耗率為進(jìn)口閘片的62.4%。國產(chǎn)制動(dòng)盤和閘片磨耗率均優(yōu)于進(jìn)口制動(dòng)盤和閘片磨耗率。運(yùn)營跟蹤期間，制動(dòng)盤和閘片安全可靠，沒有發(fā)生裂紋和熱斑等不良現(xiàn)象。

6　結(jié)束語

國產(chǎn)制動(dòng)盤結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)充分考慮運(yùn)用維護(hù)方便，設(shè)計(jì)了分體式制動(dòng)盤。制動(dòng)盤材料選用蠕墨鑄鐵，制動(dòng)閘片加入高性能復(fù)合材料，提高了制動(dòng)盤和閘片的性能。研究試驗(yàn)表明，國產(chǎn)制動(dòng)盤和閘片摩擦性能穩(wěn)定，安裝了國產(chǎn)制動(dòng)盤和閘片的列車制動(dòng)距離符合列車制動(dòng)技術(shù)參數(shù)要求，A T O停車精度符合運(yùn)營載客條件。運(yùn)營考核過程中制動(dòng)盤和閘片沒有產(chǎn)生裂紋和熱斑等不良現(xiàn)象，磨耗率優(yōu)于進(jìn)口產(chǎn)品，國產(chǎn)制動(dòng)盤和閘片完全滿足廣州地鐵3號(hào)線車輛制動(dòng)系統(tǒng)性能要求。

［1］ 巫紅波.盤形裝置在廣州地鐵車輛上的應(yīng)用［J］.鐵道機(jī)車車輛，2010，30（5）：57-60.

［2］ 錢坤才.高速動(dòng)車組用制動(dòng)盤研究［J］.鐵道車輛，2009，47（4）：18-21.

Research for Home-made Train Brake Disc and Pad of Guangzhou Metro Line 3

H O U Pinyang
（Guangzhou M etro Corporation，Guangzhou 510380 Guangdong，China）

By Structure design optimization and using vermicular castiron，ho me-made train brake disc and pad of Guangzhou metro line 3 are developed.Through test and verification，the brake friction performance of ho me-made brake disc and pad fully meet the requirement of 120 km/h metro vehicles.

120 km/h；metro train；brake disc；brake pad；ho me-made research

U239.5

A

10.3969/j.issn.1008-7842.2015.05.20

1008-7842（2015）05-0087-04

侯品楊（1982—）男，工程師（2015-05-14）