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列车制动间瓦磨损与制动材料分析

来源:添加时间:2020-03-16 05:45:24 点击:87
        随着列车的提速及铁路货运重载化,对制动装置及制动材料也提出了更高的要求。列车的基础制动方式有摩擦制动、电阻制动、磁轨涡流制动和再生制动等,其中以摩擦制动应用较广,它又可分为踏面制动与盘形制动两种,前者制动元件为闸瓦,后者为制动圆盘/闸片(瓦)摩擦副,两类制动方式均要求摩擦力高、耐磨性能优良的制动摩擦材料。由于闸瓦是消耗量极大的磨损件,其摩擦耗损不仅提高了运输成本,而且因闸瓦频繁更换,列车停运维修次数增加,大大降低了铁路营运能力。为提高闸瓦使用寿命,有必要对制动闸瓦的磨损与摩擦制动材料的选用进行分析,研究重点为列车的踏面制动方式及其制动材料。
一、制动闸瓦的磨损简析

        列车制动过程中,闸瓦与车轮踏面接触并产生摩擦制动,闸瓦的摩擦面同时受到正应力和沿摩擦方向的切应力作用,磨损剧烈。理论上,闸瓦弧面应平行挤压车轮踏面,此时摩擦是均匀的,不会造成闸瓦偏磨,但实际上闸瓦偏磨现象十分常见,严重时(闸瓦磨穿后)甚至偏磨至闸瓦托上。
        由于间断刹车,闸瓦摩擦面上的正应力和切应力均具有明显的疲劳交变载荷的特征。此外,因剧烈摩擦,闸瓦表面温度瞬时可高达900℃左右,并有热循环冲击特点。
        为满足列车制动需要,防止闸瓦早期失效,对闸瓦材料的要求是:合适且稳定的高摩擦系数,耐磨、耐热裂性能优良,制动火花少。
        目前用于闸瓦(片)的制动材料可归类为铸铁闸瓦合成闸瓦粉末冶金闸瓦和复合材料闸瓦等4种。
(1)铸铁材料

        铸铁闸瓦在铁道车辆上使用已有百年以上的历史。铸铁制动材料的主要优点是:
        ①摩擦系数受环境影响小而较为稳定,具有“全天候”运行特征;
        ②导热性较好,对车轮热损害小;
        ③可使车轮踏面粗化,从而获得较大的粘着力,减小车轮的机械擦伤;
        ④坚固耐用、价格低廉。
        但普通灰铸铁机车闸瓦(片状石墨)的摩擦系数较小,且随摩擦速度的提升,摩擦系数迅速下降,在列车高速运行时尤为明显,故普通铸铁闸瓦一般多用于低速运行的客货列车。对高速列车闸瓦,可从提高铸铁的含磷量和加人少量合金元素两方面来改进其性能。实际上,现在使用的多种铸铁闸瓦,即是中高磷铸铁、含磷蠕墨铸铁、合金铸铁等长寿命的特殊铸铁闸瓦。铸铁的含磷量增加,组织中析出大量磷共晶,使闸瓦的摩擦系数提高、耐磨性改善,列车的制动距离也将缩短。如将含磷量从0.5%提高到3.0%(质量分数)左右,闸瓦的摩擦系数提高了2O%以上,闸瓦的耐磨性也成比例地提高,制动距离可缩短30%-45%。但磷共晶增加了铸铁闸瓦的脆性,使用中不可避免地产生裂纹,故需采用钢瓦背来补强。即便如此,高磷铸铁闸瓦的耐热裂性仍较差,其摩擦系数随列车运行速度的提升而急剧下降的缺点未得到改善。
(2)合成材料

        合成闸瓦的主要优点是:
        ①高速区摩擦系数大且稳定;
        ②通过改变材料配比和加工工艺,使闸瓦的力学性能和物理性能在一定范围内可以调整;
        ③耐磨性优良,使用寿命可达铸铁闸瓦的4倍以上;
        ④制动时无火花;
        ⑤重量轻。
        但合成材料闸瓦也存在不足:其一是材料的导热性差,制动时摩擦热量难以散发,因而车轮温度升高明显,甚至产生热裂;其次是在湿润状态下,摩擦系数显著下降,即列车制动受天气环境影响大,在雨雪天气制动能力下降;此外,合成材料闸瓦与车轮踏面反复磨合后,使二者间的粘着系数降低,导致列车制动时车轮滑行而引起踏面擦伤。合成材料闸瓦在高速列车发展的早期曾得到了广泛的重视与应用,如我国双层旅客列车上就采用了这种制动闸瓦材料,但因其在高温下磨损急剧增加,限制了合成材料闸瓦只能在一定范围内使用汤」车运行速度一般不应高于20okmh/,其制动处温度一般不能超过250℃。此外,合成材料闸瓦的“全天候”工作特性较差,也不适应列车营运重载化的发展趋势。
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