南京地铁车辆合成闸瓦技术方案探讨
低摩擦因数合成闸瓦性能特点及工艺
文 献 标 识 码 ： Ｂ
合成 闸瓦具 有 比较平 稳 的摩 擦 因数 及保证 足 够制
点 等条件 ， 外 ， 需 要考虑 不 同季 节情 况 下保证 橡 胶 此 还 乳 液 的稳 定性 等一 系 列 问题 。 在 传统 的“ — ２ 基 础 上 改进 的配 方 中 ， 用 的粘 ４ ” 所 合 剂体 系为 热塑性 酚醛 树 脂 ， 同时 采 用 丁 苯胶 乳 进 行 改性 ， 脂乳 液和 橡 胶的相 容性 相 对较 差 ， 树 但也达 到 了 橡 胶增 韧 酚醛 树 脂 的 目的 ， 同时 克 服 了酚 醛 树 脂 和橡 胶乳 液 在合 成过 程 中的稳 定性 。
运 用 检 修
文 章 编 号 ：０ ２７ ０ （０ ２ ０ —０ ９０ １０ —６ ２ ２ ０ ） ７０ ３ —３
铁道车辆 第４ 卷第７ ０２ 月 ０ 期２０ 年７
低 摩 擦 因 数 合 成 闸 瓦 性 能 特 点 及 工 艺
肖 枢
（ 都 车 轮 厂 丰 铁 实 业开 发公 司 ， 川 成 都 ６ ０ ０ ） 成 四 １ ５ ４
１ １ ２ “ — ２ ”所 用粘 合 剂 体 系 ．． ４ Ｗ
动 力 ， 用 寿命 长 ， 量轻 ， 使 质 防火 。 本文 着重 介绍 目前大
量 应用 的“ —２ 、 ４ ２ ” 摩擦 因数 合 成 闸瓦 的材 ４ ”“ — Ｗ 低 质 、 艺 、 能 ， 阐述 低 摩 擦 因数 合成 闸瓦 的发 展方 工 性 并
整 范 围很大 。国内采 用 的粘 合剂 体 系按 配 方牌 号 主要
有 “ —２ 、“ —２ ” ４ ” ４ Ｗ ２种 。
１１ １ “ — ２所 用粘 合 剂体 系 ．． ４ ”
按照 材 料的 稳定性 和 硬度 等参 数对 摩擦性 能 的影 响 ，４ ” “ —２ 用石 墨等 为 固体 润 滑剂 ， 铝矾 土和 还原 铁粉 等 为 摩擦 性 能调 节 剂 ， 虑 到 合成 闸瓦 的机 械性 能和 考 降 低成 本 ， 也选 用 了硫酸 钡作 为 粉状填 料 。
汽车装配工艺 14.闸瓦更换工艺
闸瓦更换工艺1 范围本文规定了闸瓦更换的有关规定，适用于南京地铁二号线车辆。
2 规范性引用文件《南京地铁二号线列车使用维护手册》3 安全注意事项3.1 禁止供电，仅在最终测试时供电3.2 禁止供气，仅在最终测试时供气3.3 用轨道铁靴止住车轮，并悬挂禁动牌和防护灯4 需要的工具材料及准备工作序号名称规格型号数量备注1 双闸瓦2块2 46mm开口扳手1把3. 小号撬棍1把4. 主控钥匙1把5 作业人员的要求5.1 作业最少需要两人，具备电客车维修资质的工作人员5.2 作业时需要按规定穿带防护用品6 主要部件定义（见图1）6.1 六角头复位螺母—编号136.2 闸瓦钎—编号156.3 闸瓦销—编号141图17 检修工序及内容，以带停放制动单元为例（不带停放制动单元的，只需将BSR截断塞门打至垂直位）7.1拆卸：7.1.1将BSR截断塞门和PB截断塞门打到垂直位，使踏面制动单元气体排空。
如图2所示：图27.1.2 对于带停放制动的制动单元，操作停放制动紧急缓解拉杆，确保制动闸瓦完全回退。
7.1.3使用46mm开口扳手旋转六角头复位螺母，将制动闸瓦回拖（图3），以使车轮与闸瓦达到较大间隙（以方便安装新闸瓦）。
图37.1.4将闸瓦销从销孔中取出，如图4所示。
图47.1.5 松下闸瓦钎（见图5），将旧闸瓦取出。
图57.2安装：7.2.1将两个新闸瓦放置到位，确保它们紧贴闸瓦托，然后用闸瓦钎将其锁紧到位。
7.2.2将闸瓦销穿入销孔。
8 检验和记录8.1检查各部件安装情况。
8.2将BSR截断塞门和PB截断塞门打至水平位，使踏面制动单元充气。
8.3施加缓解几次制动（这个动作将自动调节制动闸瓦与车轮之间的间隙），检查闸瓦工作状态。
8.4制动缓解后测量制动闸瓦与车轮之间的间隙，间隙为5-9mm。
8.5 填写相应修程记录。
合成材料闸瓦制备技术
合成材料制备技术王秀飞2011年12月wangxf4346@摩擦材料发展史最初的摩擦片采用棉布最初的摩擦片采用棉布、、皮革等作为基材皮革等作为基材；；石棉基摩擦材料石棉基摩擦材料；；无石棉摩擦材料无石棉摩擦材料；；半金属摩擦材料半金属摩擦材料；；粉末冶金摩擦材料粉末冶金摩擦材料；；炭/炭复合摩擦材料炭复合摩擦材料；；炭/碳化硅复合摩擦材料碳化硅复合摩擦材料。
摩擦材料的分类按工作功能分按工作功能分：：传动(离合器)和制动(刹车片)摩擦材料材料；；按产品形状按产品形状：：刹车片刹车片、、刹车带刹车带、、闸瓦闸瓦、、离合器片和异型摩擦片异型摩擦片；；按材质分按材质分：：石棉摩擦材料石棉摩擦材料、、无石棉摩擦材料无石棉摩擦材料、、粉末冶金摩擦材料冶金摩擦材料、、炭/炭复合摩擦材料和炭/碳化硅复合材料铁路摩擦材料种类我国的铁路摩擦材料按其摩擦材料分类，可以分为低摩闸瓦摩闸瓦、、高摩闸瓦高摩闸瓦。
按用途分类：机车用合成闸瓦和闸片机车用合成闸瓦和闸片、、货车用合成闸瓦和闸片以及客车用闸瓦和闸片瓦和闸片以及客车用闸瓦和闸片。
按推广的配方体系分：4-2低摩合成闸瓦低摩合成闸瓦、、4-2w 无石棉低摩合成闸瓦棉低摩合成闸瓦、、机车低摩合成闸瓦机车低摩合成闸瓦；；407G 高摩合成闸瓦闸瓦、、TK-81无石棉高摩合成闸瓦无石棉高摩合成闸瓦；；机车高摩闸瓦机车高摩闸瓦、、HGM-A 新型高摩合成闸瓦新型高摩合成闸瓦、、HGM-B 新型高摩闸瓦新型高摩闸瓦。
摩擦材料的技术要求适宜而稳定的摩擦系数良好的耐磨性具有良好的机械强度和物理性能 制动噪音低对偶面磨损小对摩擦材料的要求☺无石棉无石棉，，无污染化无污染化；；美国环境保护局1983提出禁止使用石棉提出禁止使用石棉，，我国于1999年开始实施GB12676-1999禁止使用石棉禁止使用石棉。
70 年代后期年代后期，，世界卫生组织证实石棉粉尘从呼吸道进入肺内世界卫生组织证实石棉粉尘从呼吸道进入肺内，，经积累可造成石棉肺外累可造成石棉肺外，，石棉还是一种致癌物质石棉还是一种致癌物质。
南京地铁车辆段轨道技术综述
试车线
地 面段
弹 条 Ｉ型 Ｉ型检 查坑
混凝 土枕 、 双层碎 石道 床 墙 式 检 查坑 整 体道 床
库线 。 一 釜 慧 内 Ｊｔ 囊 Ｋ 型体 ５
Ｄ ＴⅣ１型
库 外 线
木枕 、 层碎 石道 床 单
早 期
弹 条 Ｉ型
混凝 土枕 、 层碎 石道 床 单
后 期
上 述 扣 件 方 案 中 ， 外 线 碎 石 道 床 采 用 有 螺 栓 弹 库
ｌ７ ６ ７ （ ０ ０）６— ０ ４— ４ ６ ２— ０ ３ ２ １ ０ ０ ５ ０
— — … 一 — —— ．一 — — ～————— —— 一 — — Ｊ —— —． ． — …
２ ２ 扣 件 及 道 床 ．
２ ２ １ 结构 方案 ． ．
南 京 地 铁 车 辆 段 （ 车场 ） 地 段 的扣 件 及 道 床 类 停 各
类 型 均 与正 线 一 致 。
内外 先 进 技 术 ， 轨 道 设 备免维护化 、 准 化 及 系 列 在 标
收 稿 日期 ： ０ ０— ４。 ７ 修 回 Ｅ期 ： ０ ０。 ５‘ ９ ２１ ０ ２ ｌ ２ １ ０ １
作者简介 ：赵红光 ， ． 士 。 男 学 南京 地铁 建设分 公司 副经理 。 工程 师 。
条扣件 ， 轨面标 高的调 整可通过调高 扣件实现 ， 从而无 需进行 抬道作 业 ， 好地 满 足 了碎 石 道床 的养 护维修 很 要求 。为方便施工及 养护维修 、 减少 轨道结构 类型 ， 铺
设 ６ １ 钢 轨 的 出 入 线 、 车 线 地 段 ， 扣 件 及 道 床 ０ｋ １ ３ 试 其
工 程 均采 用 Ａ型 车 ， 辆 最 大 轴 重 为 １ ， 高 运 行 速 车 ６ｔ最 度 为 ８ ｍ ｈ 采 用 Ｄ ５０Ｖ 架 空 接 触 网受 电方 式 。 ０ｋ ／ ， Ｃ１ ０ 早 期 的 小行 车 辆 段 轨 道 工 程 已 历 经 ３年 多 的运 营 检验 ， 至今 状 态 良好 ， 地 铁 列 车 运 营 提 供 了 安 全 、 为 平 稳 、 维 修 的走 行 基 础 。 近 期 修 建 的 车 辆 段 （ 车 场 ） 少 停 轨 道 工 程 ， 继 承 既 有 成 熟 技 术 的基 础 上 ， 过 吸 收 国 在 通
新型高摩擦系数合成闸瓦配方及工艺的研究
新 型 高摩 擦 系数 合成 闸瓦 配方 及 工 艺 的研 究
裴 顶峰 ， 张 国文 ，党 佳 ，贺 春 江
（ 中国铁 道科学研究 院 金 属及化学研究 所 ，北京
摘
１０ ８ ） ００ １
要 ：研 究 了配 方 及 工 艺 对 新 型 高 摩 擦 系数 合 成 瓦 性 能 的 影 响 。研 究 结 果 表 明 ，当 配 方 中 的 粘 合 剂 含 １ ，树 脂 与 橡 胶 比例 为 １： ～ ２：ｌ ６ １ 、纤 维 含 量 为 ２ ～ ３ 、填 料 中石 墨 和 钾 长石 比例 为 ４ ５ Ｏ Ｏ ５： ５
中 图 分 类 号 ：Ｕ２０ ３ １ ７ ． ５ 文 献 标 识 码 ：Ａ
针 对部 分高 摩 擦 系数 合 成 闸瓦 出 现 的 “ 渣 、 掉
速 度 ｌ ｍｍ ・ｍｉ ，样 品 ２ ｎ× １ ｎ ０ ｍｉ ０ ｍｍ × １ ０
ｍ ｍ 。
掉块 ” 以及 “ 属镶嵌 ”等 问题 ，本 文在研 制高 摩 金 擦 系数 合成 闸片成 功经 验基础 上 ，结合 国外 发达 国
１ １ ２ 闸 瓦加 工 工 艺 ． ．
ｋ ・ 条件 下 ，研 究 了粘合 剂含 量对 磨耗 量 及摩 ｍ ｈ
擦系数 的影 响 ，结 果见 表 ｌ 。
表 １ 粘 合 剂 对 磨 耗 量 及 摩 擦 系数 的 影 响
粘合剂含量／ 磨 耗 量 ／ ｇ・（ｏ次 ） ） （ １
１ ． ５ ２ ６ １ ． ７ １ ４ ５ ２ｌ ．
１３ ． ５
摩 擦 系 数
将 各种 原材 料经 干燥 、称量 、混 合 、热压 等工 序制成 橡胶 改性 树脂基 的 高摩擦 系数 合成 闸瓦 。 １２ 新型 高摩擦 系数 合成 闸 瓦材料 力学 性能测 试 ．
国产闸瓦在南京地铁的扩大应用
安 装 了 国 产 闸 瓦 ） ， 发 现全 部 存 在
责任编辑
冒一平
擦痕 ，于 是 盘 查 使 用 过 的 国 产 和 进 口闸 瓦 ， 同样 发现 有 擦 痕 ，且 使 用 到 限 ， 因此 ， 决 定 观 察 使 用 。 产 生 擦 痕 的 原 因大 概 有 几 个 方 面 ：首 先
４ 结束语
设 备 国 产 化 是 一 项 长期 复 杂 的
［ ］２ ０ ． Ｒ ．０７
［】 道 部 产 品质 量监 督检 验 中心机 ５铁
车 车辆检 验 站 ． 铁 合 成 闸 瓦摩 地
擦 性 能 检 验 报 告 ［ ］２ ０ ． Ｒ ．０ ７
２ ｌ 年 ９ １ 日 ，架 修 中 心 报 工 作 ，国 产 闸瓦 项 目组 历 经３ ，经 ０ １ 月 ５ 年
告 新 架 修 的 １ ２ 车 国产 闸瓦 钢 背 表 过 无 数 次 试 验 ，投 入 大 量 的 人 力 物 ９０
面 有 明显 擦 痕 ，９ ２ 日，工 作 组对 力 ，最 终 研 制 成 功 。 在 扩 大 推 广 的 月 ８
收 稿 日期 ２ １ － １１ ０ ２０ － １
ｌ２ 车 的２ Ａ ２ Ｂ ９０ ０ 和 ０ 国产 闸 瓦进 行普 过 程 中 ， 为确 保 行 车 安 全 ，专 门成
具有 一定 的弹 性 ，通过 闸瓦Ｍ槽 最低 技 术 通 知 ，在 无 特 殊 情 况 下 ，每 一 ［ ３ ］南京 地 铁 ．南京地 铁 新 型 合 成 闸 点压紧 闸瓦使闸瓦密贴在瓦托上 ， 列 架 修 车 上 全 部 安 装 国 产 闸 瓦 ，逐
基于改性基体树脂的地铁合成闸瓦技术方案探讨
质应 尽量减 少对 车轮 的磨耗 ； （） ５ 注重 绿色 环保 。 新研 制 的 高摩 合 成 闸 瓦材
对 酚醛 树脂 进行 改 性 ， 保 持 了 酚醛 树脂 原 有 的优 既 点 ， 改善 了酚醛 树 脂 固有 的硬 、 的缺 点 ， 使 得 又 脆 更
酚醛树 脂 高 温 降 解 残 留物 的摩 擦 粘 流 特 性 得 到 提
维普资讯
研 究 开 发
文 章编 号 ：０ ７ ６ ３ （ ０ ７） ５０ ０ ．３ １ ０ －０ ４ ２ ０ ０ －０ ８０
机车车辆工艺 第 ５ ２０ 年 ｌ 期 ０７ ０月
基 于改 性 基体 树 脂 的地 铁 合 成 闸 瓦技 术 方 案探 讨
辆用 合成 闸瓦进 行 了理 化性 能 指 标 测试 ； 在铁 道 部
产 品质监 中心 １ １ ： 制动 动力 试验 台上进 行不 同制 动 压力 下各项 摩擦 、 耗 性 能 测试 。在 取得 第 一 手 资 磨 料 的同时 ， 照 了 国 内外 其他 同类 型 闸 瓦技 术 指 标 参
合 材料 闸瓦 。该 种 闸 瓦具 有 优 越 的 常温 性 能 ， 在 但
应 之 丁 ， 姜 敏 陈财根 裴 顶峰 ， ，
（． １ 同济大 学 ， 海 ２ ０ ９ ； ． 上 ０ ０ ２ ２ 上海 华信摩 擦材 料 有限公 司， 上海 ２ １０ ； ０ ２ ３
３ 铁道 部科 学研 究 院金 化所 ， 京 １０ ８ ） ． 北 ０ ０ １
摘 要 ： 文分 析 了地 铁 车 辆 使 用 的 合 成 闸 瓦 技 术 要 求 ， 对 合 成 闸 瓦 所 用 材 料 进 行 了探 讨 。 重 本 并
颗 粒或 者纤 维增 强材 料 而 形 成 的 ， 就造 成 了一种 这
地铁车辆合成闸瓦的研制及制动性能1∶1台架试验
地铁车辆合成闸瓦的研制及制动性能1∶1台架试验文国富;尹彩流;王秀飞;蓝奇【摘要】根据地铁车辆合成闸瓦存在的问题,设计了新型摩擦材料配方,采用干法生产工艺制造了新型的地铁车辆合成闸瓦.对研制的合成闸瓦进行制动性能1∶1台架试验,包括摩擦磨损性能试验、坡道试验和洒水试验.研究结果表明:所研制的合成闸瓦在80 km·h-1速度下的最大制动距离、最长制动时间和踏面最高温度分别为161.9 m、15.4 s和118℃,平均摩擦系数为0.294～0.303,试验结束后测得停车制动磨耗量0.73 cm3 /MJ.合成闸瓦制动过程中无噪音、火花和难闻气味.研制的地铁车辆合成闸瓦具有冲击强度高、压缩强度和压缩模量适中、吸水率和吸油率低、磨损量低和摩擦性能稳定等优点,完全能够满足地铁车辆制动的使用要求.【期刊名称】《广西民族大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2015(021)003【总页数】4页(P82-85)【关键词】合成闸瓦;制动性能;摩擦系数【作者】文国富;尹彩流;王秀飞;蓝奇【作者单位】广西民族大学摩擦材料研究所,广西南宁 530006;广西民族大学摩擦材料研究所,广西南宁 530006;广西民族大学摩擦材料研究所,广西南宁 530006;广西民族大学摩擦材料研究所,广西南宁 530006【正文语种】中文【中图分类】U270.35为满足经济发展与交通运输的城际化需求，地铁和轻轨车辆不断增加，运营速度也不断提高，而车辆的制动动能与车速呈平方关系，随着车辆速度的提高，其动能不断增加，制动非常频繁，所以对车辆的制动装置及其制动闸瓦的摩擦磨损性能提出了更苛刻要求［1］.地铁闸瓦的制动性能直接影响地铁车辆运营的安全，目前存在的主要问题有裂纹、金属镶嵌、湿态摩擦系数不稳定等问题［2－4］，传统的普通型合成闸瓦制动材料已很难满足制动要求.早在2001年任翠纯工程师［5］研制地铁车辆制动闸瓦取代进口并在广州地铁一号线上试装，取得较好效果.日本的狄野智久［6］通过在合成闸瓦中插入铸铁块增大车轮与钢轨间的黏着系数改善了闸瓦的耐热性能和雨雪天气下摩擦系数下降的问题.宋大伟等［7］采用干法生产工艺研制国产合成闸瓦并在南京地铁1号装车试用并取得良好效果.然后，从目前的参考文献资料来看，我国目前应用于城市轨道车辆的制动闸瓦依靠进口较多，性能指标和实际应用效果和国外发达国家相比还是有很大差距.国内的摩擦材料研究人员和相关生产企业，急需自主生产出性价比高的城市轨道列车制动闸瓦，以满足国内需求.为满足地铁车辆制动要求，本文研究了一种新的地铁闸瓦材料，并对制备的地铁制动合成闸瓦进行制动性能1∶1台架试验，通过对试验结果进行分析，探索其各种因素对地铁闸瓦制动性能影响，为闸瓦制动性能的最优化提供依据，具有现实意义和经济价值.1 合成闸瓦的制备1.1 原材料及配方黏合剂：采用腰果壳油改性的酚醛树脂作为黏合剂，并加入丁腈橡胶进行软化处理，达到合成闸瓦所需要的硬度值，固化剂为六次甲基四胺.增强纤维：使用具有高强、耐热性纤维包括碳纤维、钢纤维和海泡石纤维作为增强体，这些纤维之间的耦合作用使摩擦材料具有一定的强度和韧性，在承受热冲击、剪切、拉伸、压缩等作用下不至于出现裂纹，断裂，崩缺等机械损伤.填料：填料的主要作用是摩擦材料的摩擦磨损性能进行多方面的调节使材料能够更好地满足各种工况条件下的制动要求.不同填料来调节摩擦材料的硬度、密度、结构密实度、制品外观，以及改善制动噪声等性能.本研究中使用的填料有：氧化铁粉，鳞片石墨，铬铁矿粉，沉淀硫酸钡，钾长石粉，有机摩擦粉.地铁合成闸瓦原材料配方如表1所示.表1 合成闸瓦原材料配方（wt.%）Tab.1 Raw materials recipe of composite brake shoe（wt.%）腰果壳油改性酚醛树脂丁腈橡胶六次甲基四胺碳纤维海泡石纤维钢纤维其他填料1.2 制造工艺干法生产工艺是应用最广泛的摩擦材料生产工艺形式.在干法工艺中黏合剂和填料均为粉末，将按比例配好的原材料投加到混料机中，进行充分搅拌.达到均匀混合后，将物料放出，得到粉状的混合物料；采用预成形工艺制成冷坯后再进行热压成形，制成所需形状、尺寸和性能的摩擦材料.本研究冷压成形压力为22±2MPa，热压成形压力为22±2MPa，压制温度为160±10℃，保温时间为30±3min，固化热处理温度为180±50℃，保温时间为4±0.5h.地铁合成闸瓦的工艺流程如图1所示.图1 地铁车辆合成闸瓦的工艺流程图Fig.1Process flow diagram of composite brake shoe for metro1.3 性能测试对制造完成的地铁车辆合成闸瓦进行物理和机械性能测试.密度试验方法按GB／T 1033－2008规定进行测试，样品尺寸为10mm×10mm×10mm；洛氏硬度试验方法按洛氏硬度GB／T 3398.2－2008规定进行，样品尺寸为50mm×50mm×25mm；冲击强度试验方法按GB／T1043.1－2008规定进行，样品尺寸为（120±1）mm×（15±0.2）mm×（10±0.2）mm；压缩强度和压缩模量按GB／T 1041－2008规定进行测试，样品尺寸均为（10.4±0.2）mm×（10.4±0.2）mm×（20±0.5）mm.吸水性和吸油性试验按GB／T 1034－1998规定进行，样品尺寸为40mm×40mm×10mm.制动性能测试采用1∶1制动动力试验台进行，测试中模拟的轴重为14.0T，湿度68%，车轮直径840mm.磨合试验以制动初速度80km／h，闸瓦压力28KN，初始温度小于50℃，连续进行10次磨合试验后，观察磨合面积，使磨合面大于85%.停车制动试验：闸瓦制动压力为35.0kN，进行单次制动停车试验，依次记录制动距离及时间，瞬时摩擦系数，车轮踏面温度，平均摩擦系数.试验时制动初速度顺序如下：80km／h、60km／h、40km／h、20km／h、20km／h、40km ／h、60km／h、80km／h.试验前后分别对闸瓦称重，两者的差值即为磨耗量.静摩擦系数试验：闸瓦压力5±0.2KN，闸瓦压紧车轮后，对车轮施加转矩直至车轮转动，记录车轮开始转动瞬间的摩擦系数作为静摩擦系数.2 试验结果与分析2.1 物理、力学性能试验根据1.3中的测试要求对地铁合成闸瓦进行物理、力学性能分析，如表2所示.从表2中可以看出，所制造的地铁合成闸瓦的各项物理和力学性能指标到达了TB／T 2403－2010的要求.表2 合成闸瓦的理化性能Tab.2 Physics and chemistry properties of composite brake shoe密度／g·cm－3洛氏硬度／HRR冲击强度kJ／cm2压缩强度／MPa压缩模量／MPa吸水率／%吸油率／%2.2 台架制动试验结果为了考察所研制合成闸瓦的制动摩擦磨损性能，结合地铁车辆的实际运营条件，干态和湿态下制动试验在中铁隆昌铁路器材有限公司1∶1制动动力试验台进行测试，得到不同制动初速度下的实际制动距离、实际制动时间、踏面最高温度和停车制动磨耗量等数据.由表3可知，在干态条件下所研制的合成闸瓦在80km·h－1速度下的最大实际制动距离、最长实际制动时间和以及面最高温度分别为161.9m、15.4s和118℃，平均摩擦系数为0.294～0.303，试验结束后测得停车制动磨耗量0.73cm3／MJ，完全满足80km·h－1速度下紧急制动距离小于248m、车轮踏面最高温度小于390℃、重车制动的磨耗量小于1.5cm3／MJ和平均摩擦系数为0.3左右的使用要求［3］.在湿态条件下，制动距离为219.3～278.8m，制动时间为19.8～24.8m，平均摩擦系数为0.216～0.280，踏面最高温度为81℃～124℃.表3 合成闸瓦1∶1制动试验台测试结果Tab.3 Results of composite brake shoe under 1∶1brake bench test初速度（km／h） 80 60 40 20 20 40 6080实制动干态 225 93.1 34.2 7.8 7.6 33.7 89.5 198.7距离（m）湿态219.3 122.3 63.9 13.0 14.3 78.6 0150.0 278.7制动时干态 20.4 11.6 6.6 3.1 3.1 6.5 11.2 18.3间（s）湿态 19.8 14.8 11.8 4.7 5.3 14.1 17.7 24.8平均摩擦干态 0.321 0.341 0.374 0.324 0.325 0.376 0.352 0.329系数湿态 0.280.277 0.269 0.269 0.263 0.270 0.282 0.286踏面最高干态 72 64 49 23 23 49 70 99温度（℃）湿态 124 72 48 47 44 54 68 81停车制动磨耗量（cm3／MJ）0.73备注制动过程无噪声、无振动、无火花和无难闻气味图2为合成闸瓦分别在20km、40km、60km和80km初始制动速度与摩擦系数之间的关系曲线.从图2可以看出，在各种制动速度下，制动过程平稳.图2 不同制动速度下的摩擦系数—速度曲线Fig.2 Friction coefficient－speed curve of different brake speeds图3坡道连续制动试验的摩擦系数——时间曲线，试验条件为轴重为14.0t、制动压力为8.0KN和制动平均速度为40km·h－1时，持续时间10min.从图中可以看出，在制动过程中，摩擦系数从0.39减少到0.28，满足规定时间内坡道匀速连续制动摩擦系数≥0.21的要求；制动盘踏面最高温度为250℃，摩擦系数缓慢下降，且从1～10min过程中动摩擦系数较为平稳.图3 坡道连续制动试验的摩擦系数—时间曲线Fig.3 friction coefficient－time curve of continually gradient brake test所研制地铁合成闸瓦的静摩擦系数随实验次数变化如图4所示.由图4可知，经过5次试验，静摩擦系数平均值为0.336，满足≥0.25的技术要求，稳定可靠.图4 合成闸瓦的静摩擦系数Fig.4Static friction coefficient of composite brake shoe以上数据均能满足地铁车辆用合成闸瓦的技术参数要求.同时，制动过程中无噪音、无振动、火花和难闻气味.试验完成后，经检验车轮表面无金属镶嵌、热斑、热裂纹、异常磨耗等损伤，闸瓦无偏磨、无剥离、无龟裂、掉渣和掉块等现象.合成闸瓦制动试验前后照片如图5（a）和（b）所示.图5 合成闸瓦制动前后摩擦表面照片（a）实验前；（b）试验后Fig.5 Surface images of composite brake shoe before（a）and after（b）experiment3 结论以腰果壳油改性酚醛树脂和丁腈橡胶作为黏合剂，碳纤维、钢纤维和海泡石纤维为增强纤维，氧化铁粉、鳞片石墨、铬铁矿、硫酸钡、钾长石、摩擦粉等为填料，经高速混合后，通过冷压和热压成形及固化热处理工艺制备地铁车辆用合成闸瓦完全可行；研制的地铁车辆合成闸瓦具有冲击强度高、韧性好、压缩强度和压缩模量适中、吸水率低、吸油率低等性能特征；经1∶1台架试验证明：在车辆制动过程中，具有摩擦性能稳定，且磨损率低等优点，完全能够满足地铁车辆制动的使用要求. ［参考文献］【相关文献】［1］吴磊，温泽峰，金学松.轮轨摩擦温升有限元分析［J］.铁道学报，2008，30（3）：19－25. ［2］李广刚.国产闸瓦在南京地铁的扩大应用［J］.现代城市轨道交通，2012，4：18－20. ［3］巫红波，王明娟，吕劲松.广州地铁二号线车辆闸瓦与车轮磨耗异常分析及改进［J］.电力机车与城轨车辆，2006，29（5）：51－52.［4］ZHU Zhen－cai，PENG Yu－xing，SHI Zhi－yuan，et al.Three－dimensional Transient Temperature Field of Brake Shoe During Hoist’s Emergency Braking［J］.Applied Thermal Engineering，2009，29（5－6）：932－937.［5］任翠纯.地铁车辆制动闸瓦国产化的研制与试验［J］.铁道车辆，2001，39（10）：5－9. ［6］狄野智久，彭惠民.日本东京地铁车辆用闸瓦的研发［J］.国外机车车辆工艺，2011（2）：7－10.［7］宋大伟，韩莎莎，李亚东，等.南京地铁1号线国产闸瓦试验研究［J］.城市轨道交通研究，2010（3）：38－40.。
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南京地铁车辆合成闸瓦技术方案探讨吴井冰1 姜 敏2 应之丁2 裴顶峰3(1.南京地下铁道有限公司运营分公司,210012,南京; 2.同济大学铁道与城市轨道交通研究院,200092,上海;3.铁道部科学研究院金化所,100081,北京 第一作者,工程师)摘 要 分析了国内外铁路车辆应用的合成闸瓦技术,并对地铁车辆使用的合成闸瓦特点进行探讨。
提出研究聚合物基复合摩阻材料的地铁车辆合成闸瓦初步技术方案,重点解决适用于地铁车辆制动工况的关键技术,包括耐热高聚物的改性和应用研究、增强材料的应用研究和设计材料结构与性能,并对合成闸瓦的生产工艺进行初步探讨。
关键词 地铁车辆,合成闸瓦,技术方案,生产工艺中图分类号 U260.351On Technical Solution for Composition Brake Shoe in Nanjing MetroWu Jingbing,Jiang M in,Y ing Zhiding,Pei Ding fengAbstract In t his paper,many kinds o f composit ion br ake shoe used in railw ay rolling-stock worldw ide are introduced fo r the ex plor atio n of the features of brake shoe installed in metro cars. T he technical solution of composit ion brake shoe is to use phe-nolic resins compounded w ith the rubbing resistance material, and this so lution applied in metro v ehcilesr has been analysized to offer higher pr operties and lower cost.T o improve the ther-mal resistance and mechanical propert ies,it is necessary to im-prove the pr operties of synthetic fiber and their applicat ion in t he brake shoe.F inally,the manufacturing technolog y of co m-position brake shoe is also discussed.Key words metro vehicle,composition brake shoe,technical solution,technolog yFirs-t author s address Nanjing M etro Affiliated Company of O peration,210012,N anjing,China1 国内外使用合成闸瓦情况简介目前已成熟地应用在铁路车辆上的合成闸瓦有:橡胶闸瓦(丁苯橡胶、顺丁橡胶等)及改性酚醛树脂基半金属合成闸瓦。
它们主要应用在速度120 km/h以下的列车。
在近两年国内有研究单位和厂家相继推出了适用于速度120km/h以上列车的高摩合成闸瓦产品。
这些合成闸瓦产品的性能有了很大的提高,逐步替代同类进口产品。
但与国外同类产品相比,在解决合成闸瓦耐热、摩擦性能的稳定性问题,特别是高温摩擦性能的稳定性和潮湿状态下摩擦因数的稳定性等方面,还有一定欠缺。
法国国营铁路50多年前就已经开始研究合成闸瓦。
在不同场合采用两种不同特性的合成闸瓦,即高摩擦因数闸瓦(亦称K型闸瓦, =0.25)和低摩擦因数闸瓦(亦称L型闸瓦, =0.17)。
这种合成材料制成的闸瓦是通过把树脂、金属粉未,外加增强材料、摩擦材料等混合在一起,加热后压缩制成的。
法国T GV PSE列车上使用的合成材料制动闸片的成分是: 粘接剂为丁醛(丁二烯)苯乙烯(SBR)弹性粘结剂或是甲醛酚醛树脂; 铁和氧化铁; 硅和二氧化硅(磨料); 氧化铝; 硫酸钡; 锌和氧化锌; 氧化镁; 铜。
闸片的制造工艺采用成形加工(压铸)和焙烧。
近些年来,盘形制动用的合成材料闸片的主要发展方向是研制不含石棉的闸片。
采用的石棉代用材料有钢丝棉、铁粉、铜屑、玻璃纤维、碳纤维、钛酸钾晶须、硼酸铝晶须等。
日本非石棉化技术通常是采用耐热的芳族聚酰胺纤维代替石棉纤维,也有使用金属纤维的。
这些合成闸瓦材质,除了上述纤维外,还混合石墨、橡胶等材料,用酚醛树脂成型: 热固性的酚醛树脂是作为制动闸瓦的基体材料,连结各种材料(填充物)起到成型作用。
这种酚醛树脂当摩擦热熔化或者炭化时,将增大闸瓦的磨耗,从而引起摩擦力的降低,因此在保持整体的强度范围内,应调整它的含量。
石墨通常是作为润滑剂来调整摩擦性能和磨耗量的。
通过对石墨的品种和粒径反复进行研究得知,石墨的粒度大小可以影响摩擦力。
配上具有弹性性能的高分子合成橡胶时,制动闸瓦即可提高柔软性。
合成橡胶对增大真实接触面积起到了重要作用,然而其含量多少影响着闸瓦的耐热性。
纤维是为确保制动闸瓦的强度而配的。
这41里使用的纤维是采用聚酰胺系和陶瓷系的纤维,并且以弥补各材料性能的形式使其混合化,其效果有:提高了机械强度,增加了材料气孔系数而使之柔软化,提高了振动阻尼特性而控制了制动噪声。
这种新开发的制动闸片性能经制动试验台试验,结果表明,其表面摩擦因数为0.35~0.40,比较稳定,摩擦面在进入高温的高速区域内,未发现有衰减现象(摩擦力急剧下降)。
另外,获得了磨耗量比目前使用的闸片低约50%的好结果,并且制动时无噪声。
2 地铁车辆合成闸瓦技术分析从国内外研制的合成闸瓦来看,一般是将酚醛材脂、金属粉末和润滑材料经混合加热压制而成闸瓦。
与常用的铸铁闸瓦相比,合成闸瓦的特点是:高速区摩擦因数为0.15~0.35,且不随列车速度的改变而变化,并可通过改变配方和工艺进行调整;耐磨性好,使用寿命可达铸铁闸瓦的4倍以上;制动时无火花;质量小(仅为铸铁闸瓦的1/2~l/3);等等。
一般合成闸瓦尚存在以下缺点:一是在润滑状态下摩擦因数大为降低,因而在雨雪天气制动能力下降;二是导热性差,制动时热量难以散发,因而使车轮温度升高,甚至使车轮材料的组织、性能发生变化,导致热裂;此外,这种闸瓦会把车轮踏面磨得光滑如镜,便粘着系数降低。
目前这些缺点尚未得到有效解决。
而地铁列车制动频繁,尤其上、下坡道多而长,对闸瓦耐热要求更高;为防止对车轮产生异形磨耗,要求闸瓦与车轮踏面贴合性较好,闸瓦硬度值较低,此外还要考虑降噪等效果。
2007年初,对上海地铁和南京地铁的车辆用合成闸瓦分别做了理化性能指标测试。
在铁道部产品质量监督检验中心机车车辆检验站1 1制动动力试验台上进行了不同制动压力下的各项性能测试,取得了第一手资料,并和北京、天津地铁用的闸瓦做了分析比较。
最终,南京地铁车辆决定采用多橡胶、混杂纤维结构型式的合成闸瓦。
因多橡胶结构使得闸瓦摩擦面与车轮踏面贴合性较好,常温状态下摩擦因数较高(0.35~0.45),而温度较高时摩擦因数略有下降。
从多次试验结果看,由于是采用湿法多橡胶结构,其耐热性及抗热衰退性较差,磨耗率较高,对于多项复杂的制动工况,特别是在坡道试验上,表现出摩擦因数衰退较大;一次停车试验曲线(18次连续制动)摩擦因数热衰退性也较大。
从试验结果的总体上看,为保护车轮采用多橡胶成分,在连续制动产生高温时会造成摩擦因数降低。
但是,地铁列车通常工况下很大一部分是依靠再生制动作用,故一般不会发生连续性的摩擦制动,因此这种闸瓦也适用于地铁制动工况。
3 南京地铁车辆合成闸瓦的初步技术方案国内对地铁列车用闸瓦的理化要求、耐磨性要求,以及独立承担制动要求(即摩擦因数要求)是非常严格的,设置了许多基本指标。
多橡胶成分结构在高温时偏软,在制动过程中易粘结车轮踏面、产生冷焊效应;同时,橡胶等非金属材料的导热性较差,难以散发制动热量,热量主要集聚传导到车轮,故对车轮表面影响较大。
国内在研制合成闸瓦时已经历了多个阶段,一直到现在多采用改性橡胶和树脂混杂合成。
国内橡胶改性技术应用于摩擦材料在世界上是领先的,这是因为国内铁路对机械制动功率要求和连续长时间制动工况要求是世界各国少见的。
地铁车辆闸瓦课题组研制的闸瓦坚持采用树脂改性工艺,这样既可以保证闸瓦贴合性,又可保持在高温时闸瓦强度、硬度和摩擦因数的稳定。
高分子基体是制造合成闸瓦的关键材料,其性能的好坏,直接影响到合成闸瓦的各种性能。
我国研制合成闸瓦基本上均选用热固性树脂和橡胶弹性体进行共混改性,选用溶解度参数较为接近、相容性好的材料共混得到互为补强的体系。
聚合物基复合材料有着优越的常温性能。
但在摩擦制动的高温高速条件下,即便采用耐高温的高性能树脂,聚合物材料的耐高温性能始终不能满足要求。
一般的合成闸瓦是由聚合物作为基体粘结其他颗粒或者纤维增强材料,这就造成了一种两难的处境:要提高复合材料闸瓦的耐高温性能,聚合物基体的含量要尽可能的低;但是基体树脂含量过低时,增强材料将不能被有效粘结,造成材料性能恶化。
这就必须采用新的材料和工艺方法,在保证复合材料的粘结强度的前提下,尽可能降低树脂的含量。
国内研究单位目前尝试采用无机粘结剂与树脂相结合,以及在多孔陶瓷纤维增强复合材料骨架中原位聚合耐热高聚物材料等办法,在解决聚合物基闸瓦的 三热 问题上取得了一些进展。
国内关于合成闸瓦聚合物基复合摩阻材料的研究主要集中在以下几个方面: 耐热高聚物的改性和应用的研究,如酚醛树脂的各种改性和应用,耐热42橡胶的改性和应用,聚酰胺、聚酰亚胺等耐热聚合物在摩擦材料上的应用,橡胶与树脂的共混应用等。
各种增强材料的应用研究,如取代石棉用的各种矿物纤维海泡石纤维、硅灰棉及其他天然矿物棉的应用,人造矿物纤维如玻璃纤维、复合矿物纤维等的应用,有机纤维如Interfiber、Kevelar纤维、碳纤维,金属纤维如钢纤维、铜纤维等的应用研究。
目前最成熟和实用的是以钢纤维为主体增强纤维,配合其他增强材料的半金属合成闸瓦。
合成闸瓦生产工艺、使用性能及其摩擦学机理的研究。
目前国内闸瓦在瞬时摩擦因数、制动曲线、耐磨性、导热性和制动距离等方面尚不能满足列车的技术发展要求。
在研制新型地铁车辆合成闸瓦时,要注重于改进现有材料性能和引入先进复合材料,特别是纤维增强复合材料。
聚合物基复合材料制动闸瓦是以玻璃纤维、Kevlar纤维、碳纤维、金属纤维等纤维材料为增强材料,以橡胶、酚醛树脂或改性的酚醛树脂、聚酰亚胺等耐热聚合物为粘结剂,加上摩擦组元材料、润滑组元材料、填料等经混合后热压而成的摩擦材料。