摘 要 近年来我国高铁发展十分迅猛，要想进一步提高列车运行速度并保证其安全可靠性，制动和牵引技术的提高迫在眉睫。而制动技术的提高，需要更加妥善的处理轮轨关系以提高其粘着系数，因此轮轨关系成为发展高速铁路亟待解决的必要课题。火车车轮踏面清扫器能够显著提高轮轨粘着系数，可以避免车轮打滑以及空转，甚至踏面清扫器可以修整车轮不圆度，因此成为高速列车制动系统不可或缺的成分。踏面清扫器要求有较高的摩擦系数（一般为0.3~0.4）和较高的耐磨性，所以，选择良好的摩擦制动材料制备优良增摩性能的踏面清扫器用来提高粘着系数是一个刻不容缓的课题，这就涉及到增摩剂的筛选与性能研究。 本毕业论文主要研究不同增摩剂对踏面清扫器摩擦磨损性能的影响，从而筛选出性能良好的增摩剂，并通过正交试验进一步对基础配方进行了优化，得到了符合期望的踏面清扫材料。 试验结果表明：

1. 钾长石能够显著提高踏面清扫材料的摩擦系数，并且摩擦系数十分稳定，磨损量较小，是比较理想的增摩剂；
2. 该摩擦体系中对摩擦系数影响程度从大到小依次为减摩剂、增摩剂、填料，减摩剂二硫化钼的加入使配方体系摩擦系数及磨损量均降低，且提高了体系摩擦稳定性；
3. 该摩擦体系接触角均大于120°，不润湿，疏水性良好；摩擦膜连续性良好，成膜厚度均小于5μm，内部组成稳定均匀；
4. 正交试验结果中，最优方案为A₃B₂C₁，即正交试验方案中的9号，其具体配方为20%腰果壳油改性酚醛树脂，49.4%钾长石，10.6%萤石，8%丁腈橡胶粉，2%芳纶浆粕，25%二硫化钼，10%锆英砂。其产品摩擦系数为0.476，邵氏硬度为68，磨损量为0.0791g，接触角134.995°，密度为1.784g/cm³，成膜厚度为0.59μm，摩擦系数稳定性良好，磨损量适中，综合摩擦磨损性能优良。

关键词：车轮；增摩；摩擦性能；踏面清扫。

Abstract

In recent years, the development of China's high-speed rail is very rapid. In order to further improve the speed of the train and ensure its safety and reliability, the improvement of braking and traction technology is imminent. The improvement of braking technology requires more proper handling of the wheel-rail relationship in order to increase its adhesion coefficient. Therefore, the wheel-rail relationship has become a necessary issue for the development of high-speed railways. The train wheel tread cleaner can significantly increase the wheel-rail adhesion coefficient, can avoid wheel slippage and idling, and even the tread cleaner can trim out-of-roundness of the wheel, thus becoming an indispensable component of the high-speed train braking system. Tread cleaners require a high coefficient of friction (usually 0.3 to 0.4) and high wear resistance. Therefore, choosing a good friction brake material to produce an excellent friction-increasing tread cleaner to improve the adhesion coefficient is an irreplaceable task. The subject, which involves the screening and performance study of friction increasing agent. This dissertation mainly studies the effects of different friction modifiers on the friction and wear performance of the tread cleaner, and thus selects the good friction modifier, and further optimizes the basic formula by orthogonal test to obtain the desired tread cleaning material. . The results showed that: 1. Potassium feldspar can significantly improve the coefficient of friction of the tread cleaning material, and the friction coefficient is very stable, and the amount of wear is relatively small, it is an ideal additional friction agent; 2. In the friction system, the influence of the friction coefficient from the largest to the smallest is the friction reducing agent, the friction increasing agent, and the filler. The addition of the friction reducing agent molybdenum disulfide reduces the friction coefficient and the wear amount of the formulation system, and improves the system. Friction stability 3. The contact angle of the sample is more than 120 °, no wetting, hydrophobicity is good; the friction film has good continuity and the internal composition is stable and uniform; 4. Orthogonal test results, the optimal program for the A₃B₂C₁, orthogonal test program on the 9th, the specific formula is 20% cashew nut shell oil modified phenolic resin, 10.6% fluorspar, 8% nitrile rubber powder, 2% Aramid pulp, 25% molybdenum disulfide, 10% cashew nut shell oil friction powder. The product has a coefficient of friction of 0.476, a Shore hardness of 68, a wear volume of 0.0791 g, a contact angle of 134.995°, a density of 1.784 g/cm3, a film thickness of 0.59 μm. The friction coefficient has good stability, moderate wear, and excellent comprehensive friction and wear properties. Keywords: wheel; friction increase; friction performance; tread cleaning. 目录 摘要 I Abstract II 第一章 绪论 1 1.1引言 1 1.2踏面清扫材料国内外研究现状 2 1.2.1国外踏面清扫材料的发展现状和趋势 2 1.2.2国内踏面清扫材料的发展现状和趋势 3 1.3踏面清扫材料使用概论 3 1.4踏面清扫材料磨损机理 4 1.4.1 粘着磨损 5 1.4.2 磨料磨损 6 1.4.3 疲劳磨损 6 1.5研究目标和研究内容 7 1.5.1研究目的 7 1.5.2研究内容 7 第二章 踏面清扫材料基础配方的选择 8 2.1引言 8 2.2粘接剂体系 8 2.3增强材料 9 2.4填料 9 2.5减摩剂 9 2.6增摩剂 10 2.6.1锆英砂 10 2.6.2碳化硅 10 2.6.3氧化铝 10 2.6.4石榴石 10 2.6.5钾长石 10 2.6.6二氧化钛 10 2.7基础配方 11 2.8本章小结 11 第三章 增摩剂的筛选及踏面清扫材料性能测试 12 3.1引言 12 3.2实验部分 12 3.2.1实验原料 12 3.2.2实验仪器 13 3.2.3工艺路线 13 3.2.4踏面清扫材料的制备 13 3.3性能测试与表征 14 3.3.1摩擦磨损性能测试 14 3.3.2硬度测试 15 3.4结果与分析 15 3.4.1摩擦磨损性能测试结果分析 15 3.4.2硬度测试结果分析 17 3.5本章小结 18 第四章 踏面清扫材料基础配方优化 19 4.1实验部分 19 4.1.1实验原料 19 4.1.2实验仪器 19 4.2正交试验设计方案 20 4.2.1正交试验设计 20 4.2.2踏面清扫材料基础配方优化设计 20 4.2.3 踏面清扫材料的制备 21 4.3性能测试与表征 21 4.3.1摩擦磨损性能测试 21 4.3.2硬度测试 21 4.3.3超景深测试 21 4.3.4密度测试 21 4.3.5接触角测试 22 4.4结果与分析 22 4.4.1摩擦磨损性能与硬度测试结果分析 22 4.4.2正交试验结果分析 25 4.4.4超景深测试结果分析 26 4.4.4其它结果分析 28 4.5本章小结 29 第五章 结论 30 致谢 31 参考文献 32

第一章 绪论

1.1引言

铁路运输因其成本低、效率高、运载能力大等优势，成为陆上运输的重要组成部分。自二次工业革命之后我国出现第一条铁路百余年以来，我国铁路工业的发展远远不及欧美国家。与发达国家相比，我国铁路在运载能力、运载距离、行车安全、技术水平等方面还有较大差距，让中华儿女不禁扼腕叹息。但从1994年我国第一条广州-深圳准高速铁路建设成并投入运营开始，我国高铁技术发展迅猛，我国铁路的运行速度已从低于100km/h发展到300km/h，铁道、车辆、线路安排等各方面的研究都有了较大的进展，与之相配套的技术和设备要求也大幅提高^[1]。 中国交通部数据显示，到2020年我国铁路总运营里程将达到15万公里，其中高铁运营里程将占总运营里程五分之一^[2]。这表明我国高铁发展水平将达到另一新高度。 而轮轨关系是发展高速铁路亟待解决的必要课题。轮轨关系与列车运行的安全可靠性以及列车运营成本有着不可割舍的联系。列车车轮和钢轨的相对运动过程中，存在着轮缘和轨侧的滑动过程，也存在着车轮踏面和钢轨轨道的滚动过程。从我国铁路的损伤调查报告中能够得出结论，列车轨道转弯路段的一般损伤类型是轮轨之间的磨损。通常有两种避免轮轨磨损的方式，既可以减少列车车轮和轨道接触面的摩擦水平，也可以减小其接触面的压强。研究表明：摩擦因数相同时，假如列车载荷变为原先的3倍，那么车轮和轨道之间的压力将增大45%；但是列车载荷相同时，假如摩擦因数变为原先的2倍，那么车轮和轨道之间的压力将增大100%。因此，车轮和轨道间的摩擦因数是干扰其磨损的一个关键因素。 随着我国列车一次又一次的大幅提速，列车车轮和轨道之间的粘着作用更轻易的被环境所干扰。为了保证高速列车在雨雪天的行驶安全，必然要求轮轨粘着系数的增大，在此基础上，还要尽量减小轮轨的磨损。制动摩擦材料是指用于飞机、火车、汽车等交通工具上制动系统的摩擦材料^[4]。传统的制动摩擦材料以半金属摩擦材料、粉末冶金摩擦材料及少量石棉摩擦材料为主，但这些摩擦材料均有一些不可弥补的缺陷，已经不可以跟上现代工业的发展要求。高且稳定的摩擦系数，良好的耐磨性与导热性越来越成为新型摩擦材料的性能目标，因此需要大力研发新型的制动摩擦材料。踏面清扫器同样属于新型制动摩擦材料的一种。车辆踏面清扫材料能够显著增加轮轨粘着系数，可以避免车轮打滑以及空转，甚至可以修整车轮表面的凹凸不平性，因此成为高速列车制动系统不可或缺的成分。 增摩剂通常是指莫氏硬度为6和以上的矿物质粉末，较小的使用量就能较大的增加材料的摩擦因数。增摩填料按照使用温度，分为常温增摩剂和高温增摩剂，常温增摩剂在比较低的温度下就可以有效增加摩擦系数，如还原铁粉、钾长石粉等；另外，还存在着高温增摩剂，在300℃以上才可以增加摩擦系数，如锆英砂、氧化铝等。 所以，选择良好的摩擦材料制备优良增摩性能的踏面清扫材料用来提高粘着系数是一个迫在眉睫的课题，这就涉及到增摩剂的筛选、配方及制备工艺优化与性能研究。

1.2踏面清扫材料国内外研究现状

上世纪六十年代日本开通高速新干线，标志着世界铁路开始了高速化发展的阶段，随后德、法等国研发的高速列车也陆续开始运营使用。当300 km/h的高速列车变成当代世界铁路司空见惯的现象时，踏面清扫材料的发展同时受到巨大的推动。 高速列车的稳定运行必须要有可靠的制动技术做支撑。研究表明，其制动功率是其运行速度的三次方，因此，在列车高速运行的基础上，制动装置就要瞬间承受庞大的能量，此时制动摩擦材料的选择就显得尤为重要^[5]。理想的制动摩擦材料应具有较高的强度和硬度，其次，高温耐磨性、耐热性、耐蠕变性和稳定的摩擦系数等性能也是选取制动摩擦材料应该考虑的重要因素。

1.2.1国外踏面清扫材料的发展现状和趋势

英国高速列车（HST）运营使用的是强化铸铁，比如对铸铁进行等温淬火贝氏体化处理，改变石墨形态得到蠕虫状石墨铸铁等，以改善摩擦磨损特性。英国的SABWabco公司为法国 TGV列车专门研发了利用碳纤维来强化的陶瓷盘形制动器，并且进行了按比例缩小的实物试验，得到其寿命能延长几倍的结论。 日本100系新干线电动车组运营速度大概在260km/h，应用的是Ni-Cr-Mo合金锻钢制动盘。日本铁道综合技术研究所研究发现，SiC、Al₂O₃等陶瓷颗粒增强的铝基复合材料具备非常独特的摩擦性质。在高速摩擦条件下，铝基复合材料的摩擦表面没有明显熔化的迹象，并且在7~21m/s的摩擦速度范围内其磨耗率和摩擦系数都和Ni-Cr-Mo合金铸铁相似（以新干线使用的铜基烧结合金闸衬为配磨材料），并通过运营时速为280km的实物制动试验，得到能够实用化的结论。 据了解，欧美发达国家的先进制动系统早就开始使用C/C复合材料。C/C复合材料可通过化学气相沉积法得到，将C沉积在碳纤维的表面或者将碳纤维浸泡在树脂中碳化并反复致密化即可。最近报道显示，法国利用碳金属纤维交叉，通过化学气相沉积法进行强化研发出了韧性优异的复合材料。该C/C复合材料在高速下的制动性能良好，并且具备优良的耐高温强度和抗冲击性能^[6]。法国还研究了碳和碳化硅纤维增强碳化硅复合材料，该复合材料的耐磨损性能超出现阶段材料良多，非常适用于高速列车的制动系统^[6]。

1.2.2国内踏面清扫材料的发展现状和趋势

国内对锻钢材料已经有了比较成熟的认知。例如，把低合金钢和中碳作为盘体材料，经过纯净化处理和优化锻造等造出来的制动盘，具有良好的摩擦性能和不错的耐磨性，研究表明该制动盘可以考虑应用于我国300km/h的高速列车^[6]。 陶瓷材料在我国已经进行了相当程度的研究，但是主要的应用在航空航天领域，21世纪初中南大学最先进行了将其用作摩擦材料的研究。研究人员进行了列车制动模拟实验，结果表明，碳纤维增强碳和碳化硅基体(C/ C-SiC)材料的摩擦因数较高，其动摩擦因数介于0.3与0.4之间，并且还有制动时不产生火花、耐磨性较好、抗氧化性能良好等众多优势。 C/C复合材料和陶瓷基复合材料的比重较小，高温条件下的摩擦性能良好，符合超高速列车的制动要求。目前我国C/ C复合材料在飞机制动上的研究更为多一些，但是高速列车的领域里的研究不是很充分，我国还处于起步研究阶段，任重而道远^[7-11]。

1.3踏面清扫材料使用概论

随着列车速度的大幅提高以及大功率盘形制动的应用，轮轨间有效黏着系数问题一度变得十分重要。在列车进行制动时，踏面清扫器将被压到轮轨接触面，然后进行清理，使车轮踏面保持比较清洁的状况，以扫除火车运行过程中吸附在车轮踏面上的砂子、铁锈、树叶、油迹等杂质，经过研磨所产生的金属粒子粘附在踏面上，在轮轨接触面充当第3体介质作用，增加轮轨表面切向力，提高轮轨间粘着系数；同时，踏面清扫器在雨天冰雪天气可以提高车轮和轨道之间黏着力，研究表明，应用踏面清扫器时车轮和轨道之间粘着力是在不曾应用时的1.5倍，这就保证了高速列车的制动过程中不会出现打滑空转的现象^[8]。 随着我国高速列车技术的迅速发展，踏面清扫装置渐渐被运用到动车组上。踏面清扫器在开始的发展史上，其材料一般用铸铁。日本国铁首先开发了一种新型的踏面清扫器，同时制备了对应的踏面清扫器材料，这种踏面清扫器被应用于高速列车。后来的踏面清扫器材料一般由铸铁和合成材料组成，采用直动气动结构，由活塞杆推动闸瓦托将增粘踏面清扫器压附在车轮踏面上。因为列车车速的大幅提高，动车组踏面清扫器的转向架要求具备更高的性能。相比于传统的列车转向架，动车组更需要保持高速运行时的稳定性，需要更加充分的减少轮轨之间的相互作用力并且增加轮轨间的粘着系数。踏面清扫器是一种类似于闸瓦的磨损件，其磨损量因行车条件和行车里程的变化而不同。作为一种易耗件，每辆的列车的每个车轮上都装有一个踏面清扫器，其厚度约为40毫米， 有效磨损量约为30毫米^[8]。从我国高速列车踏面清扫器的具体使用实例可以得出，大多数踏面清扫器的有效使用行程是十万公里，使用寿命大概为60天。