高速列车摩擦制动材料的研究进展

介绍了世界高速列车的发展和列车的摩擦制动方式、踏面制动的不足之处和盘形制动的优点;论述了高速列车上常用摩擦制动材料和新型复合材料的研究现状及优缺点;并针对国内铁路发展情况,提出了发展摩擦制动材料的建议。     

高速列车铸钢制动盘材料的研究

为满足我国高速列车快速发展、实现盘形制动装置国产化的需要,选用铸钢作为制动盘材料,对其化学成分和盘结构进行设计,并对制动盘材料进行性能研究,通过1:1制动动力试验台对制动盘进行验证试验.研究结果表明,所研制的高速列车铸钢制动盘材料在常温及高温下的力学性能良好,抗热变形能力和热稳定性能优异,韧性、耐磨性和铸造工艺性能好,是理想的制动盘材料:试制的铸钢制动盘紧急制动距离短,盘面光洁,完全满足我国高速动车组制动技术条件及<铁路主要技术政策>的规定;铸钢制动盘与粉末冶金闸片相匹配的摩擦副摩擦制动性能良好,而且安全可靠,能满足200 km/h和300 km/h高速动车组的运行要求.     

铜基粉末冶金摩擦材料增强相的研究发展状况

铜基粉末冶金摩擦材料具有组织均匀、导热性好、耐磨性高、摩擦因数稳定等优点,应用于快速列车的制动摩擦领域。目前,国内的铜基粉末冶金刹车片已基本满足250 Km/h列车的需求,但300 Km/h以上的高速列车刹车片还是依靠进口。本文综述了金属粉末、金属化合物以及陶瓷颗粒等增强相对铜基粉末冶金摩擦磨损性能的影响,指出了高速列车用铜基粉末冶金摩擦材料制备过程中存在的主要问题,并展望了铜基粉末冶金摩擦材料的发展前景。     

铜基粉末冶金刹车块与不同制动盘配副的制动摩擦行为

稳定制动和减轻簧下质量是高速列车制动系统的发展方向。碳陶材料(C/C-SiC)由于质量轻、强韧性好、耐高温等性能特点,已用于跑车、飞机等先进制动体系,但其应用于高速列车制动系统的可行性尚待评估。本研究采用粉末冶金刹车块与碳陶制动盘配副,在初始制动速度为80,120,160,200,250,300,320,350,380km/h下进行了制动摩擦实验,并与钢制动盘的制动行为进行对比。结果表明:粉末冶金块与碳陶盘配副进行制动摩擦实验,不仅展现出了整体更高的摩擦因数,且摩擦因数随速度的衰退小、摩擦稳定性高,在低速到高速的初速度范围内摩擦因数稳定因子为0.908,高于钢盘的0.895。磨损测试显示,与碳陶盘配副的刹车块磨损率最高为0.147 cm3/MJ,而与钢盘配副的磨损达到0.338 cm3/MJ,为碳陶盘配副的2.3倍。观察刹车块摩擦表面,与碳陶盘配副时,高速制动后表面轻微破损,保持着较高的摩擦面积,因此摩擦因数衰减较小。同时,刹车块材料向碳陶盘转移少,因此磨耗低。根据实验结果,碳陶制动盘应用于高速制动系统具有显著优势。     

Cu基粉末冶金闸片高速制动性能

Cu基粉末冶金闸片在高速制动时受温度的影响易发生摩擦系数的衰退，直接影响列车制动的有效性。利用1:1制动试验台进行不同速度下Cu基粉末冶金闸片的高速制动试验，分析试验后的摩擦材料和磨屑组织。结果表明：制动速度为350 km·h^-1和380 km·h^-1产生的高温使摩擦材料表层的金属基体发生软化熔融，降低了摩擦副表面微凸点的剪切阻力，导致摩擦系数下降。摩擦表面形成的金属氧化膜具有减磨作用，造成摩擦系数的进一步衰退。在380 km·h^-1制动时，石墨在高温下被氧化，摩擦表面失去稳定的润滑膜，出现粘着磨损和材料转移，磨耗量大幅增加。     

干湿态下制动载荷对粉末冶金闸片材料摩擦学性能的影响北大核心

采用粉末冶金技术制备了一种高速列车用铜基闸片材料,研究了干湿环境下制动载荷对铜基闸片材料摩擦学性能的影响,探究了闸片材料及其配对材料(铸钢材料)的磨损规律。结果表明:随着制动载荷的增加,干湿态下摩擦稳定系数均先减小后增加,平均摩擦因数不断降低,闸片材料的磨损率先快速增加后小幅减小,铸钢材料的磨损率先快速增加后缓慢增加。湿态环境可减轻低制动载荷下闸片材料的剥落程度及高制动载荷下材料的犁削,降低了摩擦因数及材料的磨损率。     

铜基粉末冶金摩擦材料的应用及展望

铜基粉末冶金摩擦材料以其在制动方面的优越性能获得了广泛地应用。本文阐述了铜基粉末冶金摩擦材料的使用要求, 系统地介绍了铜基粉末冶金摩擦材料在飞机、高速列车、风力发电和汽车等领域的应用现状, 并对铜基粉末冶金摩擦材料的未来发展进行了展望, 为铜基粉末冶金摩擦材料的进一步的发展提供参考。     

列车制动用Cu基粉末闸片材料摩擦磨损性能分析

列车的制动性能与闸片材料的摩擦磨损性能关系密切,在MM-1000Ⅱ型摩擦试验机上测试了自制的Cu基粉末列车闸片材料在不同制动速度下的摩擦磨损特性。结果表明:随着制动速度的增大,摩擦表面的微凸起遭到破坏,摩擦因数随之降低,磨损量增加;在材料接触表面产生大量的摩擦热,造成基体软化,减小了基体对材料中SiO_2等硬质颗粒的夹持能力。摩擦因数和稳定系数均随制动速度增加而降低;而摩擦温度和磨损量随制动速度增加而提高,尤其是在制动速度大于8 r/s时,摩擦表面温度上升,造成基体软化,硬质颗粒脱落,加速了材料的摩擦磨损。为列车制动用Cu基粉末闸片材料摩擦磨损性能的研究提供了理论基础。     

粉末冶金摩擦材料的应用现状及对原材料的要求

粉末冶金技术在中国的应用获得快速发展。系统介绍了粉末冶金摩擦材料在飞机刹车、坦克制动、离合器片、风电制动器主轴、高速列车制动闸片等领域的国内外应用现状,并对粉末冶金摩擦材料的原材料提出了具体要求,以期对粉末冶金技术的进一步发展提供参考。     

半金属制动材料的研制

半金属制动材料是由增强纤维、增塑剂、摩擦组元、润滑组元和树脂组成的。通过材料配方筛选、工艺试验、D -MS定速试验机试验及台架试验 ,研制成功的SMM - 94半金属制动材料的性能指标达到了2 0 0km/h高速列车制动系统所指出的要求 (磨擦表面温度低于 5 0 0℃的情况下 ,磨擦系数 0 .35± 0 .0 4,磨擦曲线满足了线性要求 ,磨擦表面没有裂纹材料也没有掉块 ,磨损率达到了国际铁路联盟标准UIC5 14- 4) ,而且材料中不含石棉、铅等对大气或水源可能造成污染的成分 ,是新一代的环保制动材料     

铁粉粒度对粉末冶金材料制动摩擦性能的影响

采用粉末冶金工艺制备含4种粒度(20μm、30μm、50μm、70μm)铁粉增强的铜基摩擦材料,研究铁粉粒度对材料力学性能和制动摩擦性能的影响。采用TM-1型惯性试验台测试材料的制动摩擦性能,试验初速度为50~380 km/h。结果表明:铁粉粒度从20μm增加到70μm时,材料硬度从55.67 HRB降低到31.83HRB,剪切强度从12.56 MPa下降到10.27 MPa。这种硬度和强度的下降使大粒度样品表现出反常的摩擦特性:随着制动速度的提高,铁粉粒度为70μm的F70样品的摩擦因数不降低反而升高,当制动速度从120 km/h上升到380 km/h时,摩擦因数从0.338持续升高到0.356,并且从350 km/h后摩擦因数稳定不变。这种高而稳定的摩擦因数是保证列车在高速下紧急制动、平稳停驶所必需的。     

国内外起重机制动技术现状及发展趋势

介绍了国内外起重机制动技术的现状及发展趋势，各种形式制动的结构特点，说明了不同工况下制动设备的选型。     

电动铲运机电磁停车制动器设计

简要分析了浮动钳盘式液压制动器和静液压工作制动存在的问题及产生的原因，系统论述了以制动扭矩和原结构空间为依据，0．75m^3电动铲运机直流电磁停车制动器的设计方法。     

时速350 km高速列车用铜基闸片材料的摩擦性能

闸片是高速列车制动系统的核心部件,本文设计了350 km·h^–1高速列车用铜基闸片材料,对闸片进行了1∶1台架实验考核,重点分析了摩擦膜的性质及闸片的摩擦磨损性能.结果表明,研制闸片不仅具有优异的摩擦系数稳定性和低的磨耗,还具有不伤盘的特点.瞬时摩擦系数和平均摩擦系数均满足TJCL/307—2019标准的要求,摩擦系数稳定性为0.0015,250～380 km?h^–1制动速率范围内的摩擦系数热衰退仅0.027,在380 km?h^–1下的平均摩擦系数仍维持在0.35,平均磨耗仅0.06 cm³?MJ^–1.闸片优异的摩擦制动性能归因于形成了高强韧、低转移速率的摩擦膜.利用大粒径摩擦组元作为外部运动障碍钉扎摩擦膜.摩擦膜中的亚微米磨屑作为摩擦膜与对偶盘的啮合点,提供摩擦阻力,以保持高速制动时的摩擦系数.添加的易氧化组元为摩擦膜源源不断提供氧化物,研磨生成的纳米氧化物作为弥散相强化摩擦膜.通过多尺度颗粒的协同增强,实现了摩擦膜的动态稳定化,赋予了闸片优异的摩擦磨损性能.     

飞机炭刹车盘的制动摩擦性能

研究了某种针刺毡结构的C/C复合材料刹车盘在不同能量、压力及湿态环境下的摩擦磨损性能,结果表明:该种材料具有稳定的摩擦性能和重复性,刹车力矩平稳,且能载水平高,磨损小;湿态环境下平均动摩擦系数降低,但随着压力的增大,这种影响减小。     

Dynamic Stress Analysis of a Ballasted Railway Track Bed during Train Passage

Scientific design of a railway track formation requires an understanding of the subgrade behavior and the factors affecting it. These include the effective resilient stiffness during train passage, which is likely to depend on the stress history and the stress state of the ground, and the stress path followed during loading. This study investigates the last of these, by means of a two-dimensional dynamic finite-element analysis. The effects of train speed, acceleration/braking, geometric variation in rail head level, and a single unsupported sleeper are considered. Results indicate that dynamic effects start to become apparent when the train speed is greater than 10% of the Rayleigh wave speed, vc, of the subgrade. At a train speed of 0.5vc, the shear stresses will be underestimated by 30% in a static analysis, and at train speeds greater than vc the stresses due to dynamic effects increase dramatically. Train acceleration/braking may increase shear stresses and horizontal displacements in the soil, and hence the requirement for track maintenance at locations where trains routinely brake or accelerate. For heavy haul freight trains, long wavelength variations in rail head level may lead to significantly increased stresses at passing frequencies (defined as the train speed divided by the wavelength of the variation in level) greater than 15, and short wavelength variations at passing frequencies of 60–70. Stress increases adjacent to an unsupported sleeper occur in the ballast and subballast layers, but rapidly become insignificant with increasing depth.     

氧枪升降小车楔形块防落制动装置分析

从防落制动装置的工作原理、楔形块的受力分析和制动总落距等三个方面对防落制动装置的制动过程进行了分析，推导出制动力、弹簧力和制动总落距的计算公式，分析讨论了影响制动效果的有关因素及减少制动总落距的一些措施，为防落制动装置的参数选择和弹簧设计提供了计算基础，给出了制动总落距的验算方法，然后通过一个实例说明制动总落距的计算步骤。     

磁悬浮列车闸片用硬质涂层的相结构及其性能研究

为改善磁悬浮列车闸片的制动性能,延长使用寿命同时降低生产成本。采用超音速喷涂工艺,在磁浮列车制动用闸片基体表面分别制备了WC-12Co和Cr_3C_2-25NiCr两种硬质涂层。硬质涂层的性能不仅与硬质相晶粒的大小有关,而且还与相组成及相转变密切相关。本研究利用扫描电子显微镜(SEM)、氧氮分析仪、万能试验机和显微硬度计等测试表征方法,分别对涂层的显微组织、氧化物含量、结合强度和显微硬度等结构和力学性能进行分析探究。从热力学的角度出发,对涂层中碳化物的生长条件及相变过程进行了讨论。结果显示,在本工艺参数条件下,超音速喷涂制备的WC-12Co和Cr_3C_2--25NiCr硬质涂层显微组织致密,孔隙率小于1%,涂层中的氧含量分别为0.78%和1.25%,平均结合强度分别为75.2 MPa和73.8 MPa,平均显微硬度分别为1355.8HV_1和1160.5HV_1。因此,通过材料设计的热力学分析,优化喷涂工艺,有利于高性能硬质陶瓷涂层的研制。