高铁列车刹车片的研究现状与展望

    在当今时代，火车、汽车、城轨等已毫无例外地成为人类陆地客货运输无可替代的现代化工具，在社会生活中发挥着举足轻重的作用，并在可以预见的未来相当长的时间内，车辆工业仍将是国民经济重要的支柱产业，人类对车辆的要求越来越高，如高速、重载、安全可靠、乘坐舒适、操作方便、低能耗、无公害、轻量化等，车辆工业相应呈现出蓬勃的多元发展态势。

        长期以来，我国列车一直在低速状态下运行，而铁路的高速化程度是评判国家交通发达与否的一个重要标志，早在20世纪90年代中期，日、法、德等国就已经开通了最高时速达300km/h的高速铁路，而我国从1997年4月1日到2007年4月1日共进行了6次大提速，普通动车时速已经达到160~200km/h。随着2008年6月京津城际高铁的开通，我国高铁最高时速已经超过350km/h。而今年设计时速380km/h的京沪高铁的完工标志着我国高速铁路已经走在世界的前列，为此国家在“十一五”计划纲要中指出，要逐步实现客运专线的高速化，普通动车时速要提高到200～300km/h，高速铁路最，高时速应大于350km/h。
        随着我国高速铁路的快速发展，其各项性能要求也相应的提高，尤其对制动性能提出了更严格的要求，这是因为列车的制动功率与车速呈3次方关系，也就是说，列车速度提高1倍，制动功率则需增加8倍。目前列车的紧急制动主要是依靠车辆制动系统中的制动盘和刹车片摩擦副的摩擦实现的，而制动系统中刹车片的性能好坏对列车制动效果有着非常大的影响，因此，对其性能提出了更加严格的要求。铁路车辆制动系统中刹车片的发展是随着铁路的发展而发展的，在其制动材料的研究和应用方面经历了一个漫长的发展过程。盘式制动器制动刹车片经历了合成闸瓦到粉末冶金闸瓦的发展历程，随着铁路列车向着高速和重载方向的发展，制动材料需要同时满足以下几个方面的性能要求：①较高摩擦力及优良的耐磨性能；②足够的抗冲击强度；③导热性好；④不受气候影响、摩擦系数稳定；⑤一定的经济性；⑥便于成型和实现轻量化。因此，世界各国的研究人员对高性能高速铁路刹车片材料的研究也在不断的深入，并在碳纤维复合材料及陶瓷复合材料等新型材料上取得了一定的成绩。

１ 国内外刹车片材料的发展

1.1 国外刹车片材料的发展

        日本是高速铁路发展最为迅速的国家，日本东海道新干线在1964年10月1日正式开通了世界上第一条高速铁路，列车运行速度达到了210km/h。目前，日本高铁稳定运行速度是300km/h，随着列车的高速化，其制动系统中刹车片材料的研究与应用也进入了一个新时期。
        日本高铁的刹车片材料经历了由合成材料，粉末冶金材料到碳纤维材料的过程。合成材料在高铁早期被广泛使用，但是合成刹车片在250℃高温下，磨损迅速增加的弱点使其只能在180～200km/h以下的高铁上使用[3]。随着列车速度的提升，合成刹车片已经不能满足其技术要求，随后日本开始开发粉末冶金刹车材料。由于粉末冶金刹车材料的使用温度较高，当制动单元体积温度达到500℃以上，闪点温度达到1000℃左右的时候，粉末冶金刹车片仍能保持良好的刹车性能，适用温度比合成材料提高，相应的适用速度、冲击韧性也较合成材料有了一定的提高[4-5]，因此粉末冶金刹车材料慢慢的替代了合成材料。
        继日本之后，欧美各国也竞相发展高速铁路，其中法国的TGA，德国的ICE，和西班牙的AVE都是最具代表性的高速铁路。这些国家的高铁目前所使用的制动闸片主要为粉末冶金刹车片[6]。但是作为航空业潜在竞争对手的高速铁路，人们对其速度和效率的要求也在不断提高，在这种情形下，有必要开发一种耐高温、质量轻的新型刹车材料，而目前各个发达国家不断深入研究的碳纤维复合材料和陶瓷复合材料是一种较为理想的高速铁路刹车材料。

1.2 国内刹车片材料的发展

    我国从20世纪50年代末开始发展电气化铁路以来，列车长期处于低速状态下运营，车辆制动器主要采用铸铁刹车片踏面制动方式。改革开放以来，随着我国铁路运行速度不断的提高，刹车片踏面制动方式已不能满足性能要求，在客运列车上开始采用盘形制动方式，早期在25.5m，空调双客和160km/h的准高速铁路上采用了盘形制动合成刹车片。
    1994年，中国第一条准高速铁路广深铁路建设成功并投入运营，其旅客列车速度为160～200km/h，已成为中国铁路高速化的起点。其最高时速为210km/h左右，由于合成刹车片磨损量大，机械强度较低，冲击韧性较差，并且在运行中会出现微裂纹，特别是在雨季和潮湿地区，因潮湿而导致摩擦力减小，导致其使用寿命降低。为了更好的适应我国的运行环境，随后的广深高铁采用了导热性能好、摩擦系数稳定的粉末冶金刹车片，避免了合成刹车片实际应用中的缺陷，使得高铁的制动效率和安全系数得到很大的提高。但是这一时期的粉末冶金刹车片还主要依靠进口，在一定程度上制约了我国高铁的发展，为了降低高铁的制动系统成本，我国开始自主研制高铁用粉末冶金刹车片。此后，在国内京津高铁上国产粉末冶金刹车片被广泛应用。
        综上所述，国内外刹车片材料的发展主要经历了金属材料、合成材料、粉末冶金材料等几类，表1列出了其主要材料类型及性能指标。

表１ 刹车片主要材料类型及性能比较

        随着科技的进步，高速铁路的速度得到不断提高，其刹车制动装置的使用条件也越来越苛刻，人们对其性能要求也在不断提高，这要求刹车制动装置要在短时间使得高铁停下来。这会使高铁巨大的动能转化成制动刹车片的摩擦热能，摩擦副表面温度会急剧上升，这样会影响到摩擦材料的摩擦系数，使得高铁的安全性、可靠性降低。因此，为了满足高速铁路的综合技术指标，这就需要不断的探讨和开发出高性能的刹车材料。

２ 新型刹车片材料的研究

2.1 复合型刹车片

        为了满足未来高速铁路的制动技术要求，国内外科研工作者都在努力研制开发高性能刹车片材料，以满足市场要求。其中C/C复合材料是近几年开发出来的新型制动材料，是一种C纤维增强、以C为基体的新型结构材料，它具有质量轻、模量高、比强度大、热膨胀系数低、耐高温、耐热冲击、耐腐蚀、吸震性好等一系列的优良性能，C/C复合材料的这些独特性能使之能同时完成刹车副的三项功能，即提高摩擦、传递机械载荷、吸收动能。
        从碳纤维增强体的结构来看，其可以分为三种，第一种为单层毡，其由于短纤维未能形成完整的纤维增强体，导致材料力学性能低，所以该种结构所制，备的刹车片主要用于早期的实验机型；第二种为整体毡，其碳布层结构所制的材料因其层剪切强度低，垂直导热率低等因素的影响，其应用的刹车片也是早期机型；第三种结构为针刺毡结构，非常合适CVD工艺增密，并且所制的材料具有良好的力学、热学和摩擦磨损性能，已经成为目前C/C复合材料增强体的基本结构，并取得不断改进。
        C/C复合材料制动刹车片由于成本高，主要用于飞机制动器，但是随着近年来高速铁路的发展，国内外科技工作者开始研制开发用于高速铁路的C/C复合材料制动刹车片。德国KnoorBremse公司研制的一种碳纤维复合材料制动器，实验证明，该制动器在时速高达250km/h下质量尚好。在该公司试验台以250km/h试验时，其吸收的制动能高达100MJ。法国碳工业公司制造的碳纤维复合材料的比热容是钢的2倍，线胀系数和弹性模量都比较小，具有优异的耐高温性能。它能在1000℃的高温下工作，件重仅为钢的1/4，目前已经在TGV-A上得到应用。日本新干线270km/h电动车制动系统也采用了碳纤维增强材料[12]。由此可见，碳纤维复合材料是一种国际上重点开发的刹车片材料，我国在C/C复合材料制动刹车片的研发上也已经起步。

2.2 合成刹车片

        合成摩擦材料是将金属粉末、酚醛树脂和摩擦调节剂等经充分混炼后加热压制而成，它将材料与制品工序合二为一。所用摩擦调节剂，一般是采用腰果壳油制成的颗粒。按形状与制动方式的不同，又分为合成刹车片和合成闸片。合成刹车片与闸片的配方与工艺相同，改变其配比工艺，可获得不同的摩擦系数。我国目前研制的合成刹车片分低摩擦系数合成刹车片和高摩擦系数合成刹车片。
    合成摩擦材料具有如下明显的特色：可通过改变材质配方和工艺在一定范围内可调整其物理机械性能，耐磨性好，使用寿命可达铸铁刹车片/闸片的四倍以上，制动时无火花，重量轻，高速区摩擦系数大且不随列车速度的改变而变化。合成摩擦材料也存在如下几个不足之处：一是导热性差，制动量热量难以散发，因而车轮产生温升，甚至导致热裂。其次是在湿润状态下，摩擦系数大为下降，受天气影响大，在雨雪天气制动能力下降。此外，这类刹车片与车轮踏面反复磨合后，使二者间的粘性降低；有机合成摩擦材料的使用温度一般不能超过250℃。当制动处温度达250℃时，其磨损率急剧增加。温度较高时，由于其组分的改变，摩擦系数也将改变。有机合成摩擦材料推荐使用在时速160～200km的列车上。

2.3 高磨合成刹车片

        高摩合成刹车片研究工作开展最早的有英国、美国和前苏联。1907年，英国飞洛多公司用棉毛混纺条层压成刹车片，并用于伦敦地铁。以后逐渐改进，至50年代己改用以石棉等为增强材料和酚醛树脂为黏合剂的合成刹车片。美国早在1924年就开始研制以层压木为非金属摩擦材料，并应用于铁路车辆制动。1954年以后，“Cobra” 牌号合成刹车片作为商品形式在铁路上大量使用，其主要成分为合成橡胶、石棉等，摩擦系数在每小时140公里速度时为0.26，耐磨性为铸铁刹车片的5倍。苏联在合成刹车片的研究上开始也很早，在地下铁道中早就使用层压木的塑料刹车片。不过新的合成刹车片的材质研究是从1956年开始。曾用三种类型的黏合剂，分别为酚醛树脂、合成橡胶、酚醛树脂和合成橡胶混合物。试验结果表明：采用合成橡胶为黏合剂的高摩合成闸瓦的制动性能优异。已广泛应用于快速旅客列车上。

３ 展望

        高速铁路的不断发展势必会对会其制动装置中摩擦材料的性能提出更高的要求，高铁行驶速度的提升要求摩擦材料能够在较宽的速度、温度范围内具有稳定的摩擦性能。国内外对此进行了广泛的研究，从铸铁摩擦材料、合成摩擦材料、粉末冶金摩擦材料到C/C复合摩擦材料以及高磨合成材料，其中C/C复合摩擦材料能够很好解决铸铁材料的锈蚀、摩擦性能低、摩擦噪音等问题，相对于粉末冶金材料其在质量和强度上有更大的优势。
        从刹车材料发展现状和近几年的研发方向，可看出，刹车材料的主要研究方向是开发集优良导热性、稳定摩擦系数、耐高温抗冲击、耐磨减磨、质量轻便的碳系复合材料。可预见，通过不断改进碳系复合材料，它将会在高速铁路上被广泛应用。