制动摩擦材料导热性能试验及其选择

　　众所周知，铁道车辆制动是由将列车的动能通过摩擦转换为热能而耗散掉来实现的。制动的效果主要取决于热负荷的消散能力。假设制动盘的热消散能力为一定值，那么提高闸片的导热性能就可以降低制动盘的热负荷，从而有助于降低制动盘的温度。

　　传统的铁道车辆制动方式是利用闸瓦与车轮间的摩擦进行制动。多年来使用的铸铁闸瓦有2个主要缺点：一是耐磨性差，二是当列车速度高于100 km／h时，摩擦因数急剧下降，其瞬时摩擦因数在120 km／h左右时只有0.07～0.08，因此铸铁闸瓦无法适应提高运行速度的要求。20世纪50年代开始出现了合成闸瓦，其优点是耐磨，而且摩擦因数受速度变化影响较小，因而得到广泛应用。

　　我国从1958年开始研制合成闸瓦，在40余年的研制过程中遇到了不少问题，其中最关键的是车轮热裂问题。1989年，浦镇车辆厂开始研制新型空调双层客车。该车采用了盘形制动机和高摩擦因数的合成闸片，从而提高了列车运行速度。最初的双层客车速度为120 km／h，制动距离为800 m。不久，广深线的准高速列车也采用了盘形制动机，速度达到160 km／h。由于该线路条件较好，制动停车次数少，运用情况比较好。1997年我国旅客列车开始提速，通过5次全国范围内的大提速，目前列车速度已达到140 km／h～160km／h，盘形制动机的制动盘也逐渐暴露出热裂问题。

　　为避免制动盘热裂，除了从制动盘的材质、工艺和结构等方面进行改进外，同时也要重视闸片的性能。闸片除应达到规定的摩擦因数、耐磨性能及物理性能要求外，还应具有良好的热传导性能。热传导性能差的闸片，会极大地影响制动盘的散热，从而导致制动盘温度偏高，热应力增加，大大增加了其在寿命周期内出现疲劳热裂的可能性。

　　本文拟采用试验的方法考察现有闸片在热传导方面的表现，从而为解决现有制动盘热裂问题提供一个新的角度和思路。

　　为了检验不同闸片的导热性能，随机选取了5种闸片进行比较试验。试样切成直径40 mm、高18mm的圆柱体。为使其导热均匀，在电加热装置上方放1块厚4 mm的紫铜板，在铜板上方放置试样，试样上方固定1块测试表面温度的数字式温度计，见图1。在外温相同的条件下，对各试样加热12 min，测试其每分钟温度上升情况，试验结果见表1，其温度随时间变化的曲线见图2。

 

 

试样编号	加热时间/min												底板温度
	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12
1	27	27	29	32	36	42	49	58	69	81	93	105	312
2	27	27	28	30	33	38	44	52	62	74	85	99	310
3	27	27	29	31	36	43	52	62	74	86	101	117	294
4	27	27	29	32	37	44	52	63	73	85	98	112	330
5	34	36	40	48	58	73	90	110	130	150	169	187	304

　　试验结果表明，各闸片的导热性能有所不同。温度上升较快的闸片，其导热性能较好，反之较差。其中，5号试样温度上升比1号～4号试样快得多，而且最终温度也高。2号试样温度上升最慢，最终温度也最低。因为各试样的比热和质量比较接近，试验时的初始温度相同，因此最终温度越低，说明其在相同时间内传导热量越少，也就是导热性能越差。所以，应该在闸片材料中增加能够改善其导热性的成分，虽然这会增加生产成本，但从盘形制动机的整个寿命周期成本来看是非常合理的。

 

 

　　合成闸片使用的树脂为粘合剂，当温度达到使树脂分解的温度时，会产生烟雾和难闻的气味。多次试验表明，合成闸片在时速达到180 km时已达到极限。

　　粉末冶金材料出现于第二次世界大战期间，由于军事车辆和飞机等的特殊要求，推动了该技术的发展。粉末冶金材料有铜基和铁基之分，铁基除了成本低外，还能耐高温。粉末冶金摩擦材料兼具金属和非金属特性，其摩擦因数可以用配方调节，而且受速度变化影响较小，可满足高速列车对盘形制动闸片的要求。

　　与树脂基闸片相比，粉末冶金闸片的污染少，而且能耐高温，尤其是热传导性能优越，这将有利于降低制动盘的热负荷，减少热裂纹的产生。其中，铁基粉末冶金材料价格低廉且容易获得，而铜基粉末冶金材料价格较贵，但性能比铁基粉末冶金材料优越。

　　粉末冶金闸片的制造工艺类似合成闸片，即以金属为基体，并附有多种金属和非金属成分，将各种不同的物质粉末进行混合搅拌，然后在钢模中压制成形，最后在炉中烧结而成，其工艺流程见图3。