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列车制动间瓦磨损与制动材料分析

来源：未知添加时间：2020/03/16 点击：

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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