火车车轮踏面摩擦控制材料粘结剂的筛选及性能研究文献综述
2020-04-15 09:44:59
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。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。
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。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。
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。
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。
刘咏等研究了钢纤维含量对树脂基摩擦材料性能的影响,发现当钢纤维含量增加至24% 时,摩擦材料的冲击强度达到最大值4.7 kJ /m2。在100~300℃温度范围内,摩擦材料的摩擦系数随着钢纤维含量的增加先增大后减小,而磨损率则逐渐增大,钢纤维的最佳含量为24%~26%。
陈东等发现钢纤维的磨损主要以粘着磨损、氧化磨损和磨粒磨损为主。摩擦过程中摩擦材料表面的钢纤维很容易发生氧化,而形成的氧化层有利于克服钢纤维与对偶之间的粘着。摩擦材料与对偶接触面之间的硬质磨屑容易划伤钢纤维导致磨粒磨损。
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