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列車制動間瓦磨損與制動材料分析

來源:未知添加時間:2020/03/16 點擊:
        隨著列車的提速及鐵路貨運重載化,對制動裝置及制動材料也提出了更高的要求。列車的基礎制動方式有摩擦制動、電阻制動、磁軌渦流制動和再生制動等,其中以摩擦制動應用較廣,它又可分為踏面制動與盤形制動兩種,前者制動元件為閘瓦,后者為制動圓盤/閘片(瓦)摩擦副,兩類制動方式均要求摩擦力高、耐磨性能優良的制動摩擦材料。由于閘瓦是消耗量極大的磨損件,其摩擦耗損不僅提高了運輸成本,而且因閘瓦頻繁更換,列車停運維修次數增加,大大降低了鐵路營運能力。為提高閘瓦使用壽命,有必要對制動閘瓦的磨損與摩擦制動材料的選用進行分析,研究重點為列車的踏面制動方式及其制動材料。
一、制動閘瓦的磨損簡析

        列車制動過程中,閘瓦與車輪踏面接觸并產生摩擦制動,閘瓦的摩擦面同時受到正應力和沿摩擦方向的切應力作用,磨損劇烈。理論上,閘瓦弧面應平行擠壓車輪踏面,此時摩擦是均勻的,不會造成閘瓦偏磨,但實際上閘瓦偏磨現象十分常見,嚴重時(閘瓦磨穿后)甚至偏磨至閘瓦托上。
        由于間斷剎車,閘瓦摩擦面上的正應力和切應力均具有明顯的疲勞交變載荷的特征。此外,因劇烈摩擦,閘瓦表面溫度瞬時可高達900℃左右,并有熱循環沖擊特點。
        為滿足列車制動需要,防止閘瓦早期失效,對閘瓦材料的要求是:合適且穩定的高摩擦系數,耐磨、耐熱裂性能優良,制動火花少。
        目前用于閘瓦(片)的制動材料可歸類為鑄鐵閘瓦、合成閘瓦、粉末冶金閘瓦和復合材料閘瓦等4種。
(1)鑄鐵材料

        鑄鐵閘瓦在鐵道車輛上使用已有百年以上的歷史。鑄鐵制動材料的主要優點是:
        ①摩擦系數受環境影響小而較為穩定,具有“全天候”運行特征;
        ②導熱性較好,對車輪熱損害小;
        ③可使車輪踏面粗化,從而獲得較大的粘著力,減小車輪的機械擦傷;
        ④堅固耐用、價格低廉。
        但普通灰鑄鐵機車閘瓦(片狀石墨)的摩擦系數較小,且隨摩擦速度的提升,摩擦系數迅速下降,在列車高速運行時尤為明顯,故普通鑄鐵閘瓦一般多用于低速運行的客貨列車。對高速列車閘瓦,可從提高鑄鐵的含磷量和加人少量合金元素兩方面來改進其性能。實際上,現在使用的多種鑄鐵閘瓦,即是中高磷鑄鐵、含磷蠕墨鑄鐵、合金鑄鐵等長壽命的特殊鑄鐵閘瓦。鑄鐵的含磷量增加,組織中析出大量磷共晶,使閘瓦的摩擦系數提高、耐磨性改善,列車的制動距離也將縮短。如將含磷量從0.5%提高到3.0%(質量分數)左右,閘瓦的摩擦系數提高了2O%以上,閘瓦的耐磨性也成比例地提高,制動距離可縮短30%-45%。但磷共晶增加了鑄鐵閘瓦的脆性,使用中不可避免地產生裂紋,故需采用鋼瓦背來補強。即便如此,高磷鑄鐵閘瓦的耐熱裂性仍較差,其摩擦系數隨列車運行速度的提升而急劇下降的缺點未得到改善。
(2)合成材料

        合成閘瓦的主要優點是:
        ①高速區摩擦系數大且穩定;
        ②通過改變材料配比和加工工藝,使閘瓦的力學性能和物理性能在一定范圍內可以調整;
        ③耐磨性優良,使用壽命可達鑄鐵閘瓦的4倍以上;
        ④制動時無火花;
        ⑤重量輕。
        但合成材料閘瓦也存在不足:其一是材料的導熱性差,制動時摩擦熱量難以散發,因而車輪溫度升高明顯,甚至產生熱裂;其次是在濕潤狀態下,摩擦系數顯著下降,即列車制動受天氣環境影響大,在雨雪天氣制動能力下降;此外,合成材料閘瓦與車輪踏面反復磨合后,使二者間的粘著系數降低,導致列車制動時車輪滑行而引起踏面擦傷。合成材料閘瓦在高速列車發展的早期曾得到了廣泛的重視與應用,如我國雙層旅客列車上就采用了這種制動閘瓦材料,但因其在高溫下磨損急劇增加,限制了合成材料閘瓦只能在一定范圍內使用湯」車運行速度一般不應高于20okmh/,其制動處溫度一般不能超過250℃。此外,合成材料閘瓦的“全天候”工作特性較差,也不適應列車營運重載化的發展趨勢。
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