我国高速列车制动盘选材探讨
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收稿日期 :2001207220 作者简介 :宋光森 (1972 —) ,男 ,山东临朐人 ,工程师 ,硕士. email :song211 @163. com
72
北 方 交 通 大 学 学 报 第 26 卷
用寿命方面考虑的主要问题是热疲劳性和耐磨性能. 制动盘使用时 ,闸片与盘面强烈摩擦存在磨耗问题 , 同时还会引起瞬间温升和随后的急剧冷却. 温升引起的局部热点可达 500 ℃,使制动盘承受着较强烈的摩 擦作用和热疲劳冲击 ,因而其材质应具备较好的耐磨和抗疲劳性能 ,确保制动盘较长的使用寿命.
112 国外制动盘材质发展[2 ,4 ] 国外制动盘的传统材质为 H T20240 ,H T25247 ,H T30254 ,日本的窄轨线 、新干线 ,法国的东南列车均使
用过铸铁制动盘. 1983 年日本采用 H T25247 铸铁材质制动盘可担负 80 %的制动力 ,初速度为 130 km/ h 制动时 ,热应力为 - 150～ + 70M Pa ,摩擦面以下 5 mm 处温升为 130 ℃,他们认为采用这种制动盘 ,以 150 km/ h 的速度运行是可行的.
Discussion of Material Selection f or High2Speed Trains in China
S ON G Guang2sen1 , HA N Jian2m i n2 , L I W ei2ji ng2 , W A N G Ji n2hua2
(1. Department of 211 Project Management ; 2. College of Mechanical and Electronic Control Engineering ,Nort hern Jiaotong University , Beijing 100044 ,China)
表 1 制动盘实验结果
序号
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
制动速度 / km·h - 1
160 140 120
90 60 90 120 140 160 180
实际制动 距离/ m 1 185 942. 1 746. 2 352. 7 130. 6 343. 3 735. 0 1 043 1 223 1 529
实际制动 时间/ s 51. 6 52. 5 43 27. 9 16. 0 26. 8 41. 7 53. 0 53. 3 60. 8
平均摩擦系数
0. 271 0. 254 0. 235 0. 282 0. 339 0. 289 0. 239 0. 229 0. 256 0. 259
盘面最高温度 /℃ 290 150 115 105 87 87 100 121 205 345
第 26 卷 第 2002 年 8
4期 月
北 方 交 通 大 学 学
J OU RNAL OF NOR THERN J IAO TON G
报 UN IV ERSIT Y
Vol. 26 No. 4 Aug. 2002
文章编号 :100021506 (2002) 0420071203
从目前国内外制动盘材质发展情况来看[3 ] ,较先进的制动盘材料是非金属材料. 如复合材料 ,其特点 是重量轻 ,适用于高速列车轻量化的要求. 我国高速列车的发展刚刚起步 ,列车速度并不太高 (160～250 km/ h) ,对轻量化的要求不迫切. 综合使用性能 、制造技术和成本各方面的因素 ,可以认为我国目前高速列 车制动的选材主要是铁系材料和钢系材料两大类. 铁系材料主要是高强度灰铸铁 ,蠕墨铸铁和球墨铸铁 ; 钢系可选材料有碳素钢 、合金铸钢和合金锻钢. 2. 1 从使用性能要求考虑选材
第 4 期 宋光森等 :我国高速列车制动盘选材探讨
73
国外制动盘材料的进一步发展方向是复合材料 ,如碳纤维复合材料. 发展复合材料制动盘的主要目的 是降低制动盘的重量 ,提高使用寿命 ,目前因其摩擦特性以及制造成本需进一步改进和降低 ,因而没有推 广使用[3 ] .
2 我国高速列车制动盘选材探讨
Abstract :According to t he develop ment of high2speed t rains , t he applications and research of braking plate , we discuss t he material selection for braking plate of high2speed t rains. In t he case of 160 km/ h , braking plate made of wriggle carbon at low cost can serve good performance. While t he speed is increasing , it can’t serve well , and t he develop ment of forged2steel or casted2 steel alloy material is necessary. Key words :high2speed t rain ;braking plate ;material selection
1 国内外制动材质发展
1. 1 国内制动盘材质发展 1967 年青岛四方工厂曾试制过制动盘 ,采用 Ni2Cr2Mo 合金铸铁 ,由于结构和应力原因 ,制动盘使用
过程中曾出现裂纹 ,紧急制动时发生飞盘现象 ,后改用 ZG2302450 材质 ,情况有所好转 ,但仍然存在盘面 裂纹现象. 1979 年铁道科学研究院等单位对 H T20240 , H T30254 ,Q T40210 ,Cr2Mo 铸铁 , ZG2302450 等材 质的制动盘进行试验 ,闸片采用 HZ406 、HZ404 和 HZ408 有机材料. 结果表明 , H T30250/ HZ408 对偶的闸 片磨耗率最小 ,而 ZG2302450/ HZ460 对偶的闸片磨耗最大. 铸钢盘的对偶摩擦系数曲线形状较差 ,不利于 粘着利用 ,而且制动后发现铸钢制动盘的盘面有细小裂缝. 各种材料制动盘试验中 ,在 160 km/ h 高速实 行制动时 ,盘上均有红热带 ,但不严重 ,没有产生噪声 ,气味也不强. 试验完后经过表面磁粉探伤检验表明 , 采用径向联接的 H T30254 材质的制动盘最佳 ,未见裂纹.
在刚度方面 ,铁系材料中 ,球墨铸铁有刚度不足问题 ,但一般来说 ,铸铁材料的制动盘变形较小而且随 着含 C 量的增加 ,变形减少 ,刚度增强. 在钢系材料中 ,碳素钢以及 Cr2Mo 合金铸钢 ,在 175 km/ h 制动时 , 变形较大 ,刚度不足 ,需研制开发新钢种.
(2) 摩擦特性 制动盘的摩擦系数与制动闸片有关. 采用粉末冶金闸片时 ,铸钢制动盘的摩擦系数比 铸铁高 25 %～28 % ,而各类铸铁制动盘的摩擦系数没有明显差别. 均为 0. 25～0. 35. 但铸钢制动盘的摩擦 表面呈粗糙状态 ,铸铁制动盘的表面较光洁. 因此 ,从摩擦特性考虑 ,铸钢பைடு நூலகம்动盘与铸铁制动盘各有优势.
近年来 ,由于高速列车的发展 ,盘形制动得到了广泛的应用和研究. 有关盘形制动的主要研究内容包 括 : ①从制动盘的结构和材质方面 ,改进盘形制动的性能 ,提高其使用寿命和安全可靠性 ; ②降低制动机构 的重量以减少列车簧下重量 ,适应列车高速运行要求. 我国盘形制动方式的研究和应用 ,明显落后于国外 发达国家 ,目前只是在双层客车上使用盘形制动方式[1 ] . 随着我国高速列车的发展 ,研究和应用盘形制动 的工作已势在必行. 本文作者结合国内外制动盘的发展情况以及作者在这方面所做的工作 ,探讨我国高速 列车制动盘的选材问题.
作为高级制动盘材质 ,国外研制并试用了蠕墨铸铁制动盘 (如日本 、英国采用 FCV50 牌号) 、金属包层 装甲式制动盘 (如日本以锻钢 SCC60 为结构增强材料 ,以 H T25247 为摩擦面材料) ,合金铸钢和锻钢制动 盘 (如联邦 德 国 、法 国 的 大 西 洋 高 速 列 车 使 用 过 耐 热 合 金 铸 钢 , 日 本 新 干 线 干 道 1980 年 前 后 采 用 A ISI4330 锻钢制动盘) . 结果表明 : ①蠕铁制动盘抗拉强度高 ,延伸力大 ,传热性能好. 在其担负 80 %制动 力 ,车辆以 130 km/ h 初速度制动时 ,在试验台进行了 1 170 次疲劳试验 ,证明其强度性能 (包括刚度 ,热容 量 ,散热温度梯度 ,热应变 ,热应力等) 与抗拉强度成正比. ②包层式或装甲式制动盘的强度性能优于 H T25247 材质制动盘. ③锻钢制动盘的强度特性也优于 H T25247 材质制动盘. ④耐热合金铸钢与粉末冶 金闸片配偶时 ,高速运行的特性可以大大降低由于潮湿 、温度 、压力变化引起的摩擦系数的变化 ,整体性能 优于有机闸片配偶的灰铸铁或球铁制动盘.
国产新型双层客车 ,采用的是特种高强度耐热性能好的铸铁制动盘[1 ] ,闸片为 HZ408 ,摩擦系数可稳 定在 0. 30～0. 35 之间. 制动速度 120 km/ h 时 ,制动距离 800 m ,制动实验后 ,盘面氧化带较严重 ,制动盘 寿命可达 80 万 km. 1991 年作者与青岛四方二厂合作 ,研制抗热疲劳性能好的特种铸铁制动盘 ,采用 5445 合成材料闸片 ,在 1∶1 制动试验台上模拟 68. 2 t 车重 ,踏面制动功率占 32 %时 ,制动试验结果如表 1 所 示. 制动试验后 ,制动盘的盘面光滑 ,盘面氧化不明显 ,表面观察未见裂纹.
从制动盘的使用要求考虑 ,希望制动盘有足够的强度和刚度 ,良好的摩擦特性 (高而稳定的摩擦系数 , 光洁的摩擦表面等) ,从而确保制动盘具备良好的制动效果.
(1) 强度和刚度 根据有限元强度计算结果 ,当列车速度为 160 km/ h 要求制动盘材料的抗拉强度σb ≥300 MPa (塑性材料为屈服强度) . 据此 ,铁系材料可选用的材质有 H T30- 54 、蠕墨铸铁和球墨铸铁. 钢系 材料中普通碳素铸钢 ZG230- 450 又难以满足要求 ,应选用高牌号铸钢或合金钢. 当列车速度进一步提高 时 ,铁系材料的强度性能不足 ,应采用钢系材料.
制动盘是盘形制动装置的关键部件 ,对其选材要求 ,应根据制动盘的结构和使用特点加以考虑 ,高速 列车制动盘选材可归纳为下列要求 :足够的强度 ,良好的制动性能 ,较长的使用寿命 ,较轻的重量 ,易于制 造及较低的成本等. 在强度方面 ,制动盘应具备承受其高速旋转时的离心力以及制动闸片产生最大压力的 能力. 在制动性能方面 ,希望制动盘与其闸片配偶时 ,摩擦系数高且稳定 ,以期获得良好的制动效果. 在使
随着列车速度的提高 ,踏面制动方式已难以满足列车制动性能的要求 ,盘形制动以其特有的性能成为 主要的摩擦制动方式. 与踏面制动相比 ,盘形制动的主要特点是 :停车制动时动能转移能力大 ,摩擦性能 好 ,摩擦系数平稳 ,几乎不随列车速度变化 ,制动平稳. 由于大部分制动功率由盘形制动机构承担 ,减少了 踏面制动的热负荷 ,增加了轮轨寿命. 此外 ,盘形制动机构简单 、安全 、可靠. 1935 年法国在铁道车辆上开 始使用盘形制动 ,随后盘形制动方式得到了一定的发展.
我国高速列车制动盘选材探讨
宋光森1 ,韩建民2 ,李卫京2 ,王金华2
(1. 北方交通大学 211 工程建设管理处 ;2. 机械与电子控制工程学院 ,北京 100044)
摘 要 :根据高速列车发展情况 ,结合国内外制动盘选材应用和研究 ,探讨我国高速列车制动 盘的选材问题. 在准高速 (160 km/ h) 的情况下 ,选用蠕墨铸铁材料作为制动盘材质 ,可获得良 好的制动性能 、较长的使用寿命和较低的制造成本 ;列车速度进一步提高 ,蠕铁材料的强度性 能难以适应制动盘的使用要求 ,需进一步开发锻钢或铸钢合金材料. 关键词 :高速列车 ;制动盘 ;选材 中图分类号 :U260. 351 文献标识码 :A
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北 方 交 通 大 学 学 报 第 26 卷
用寿命方面考虑的主要问题是热疲劳性和耐磨性能. 制动盘使用时 ,闸片与盘面强烈摩擦存在磨耗问题 , 同时还会引起瞬间温升和随后的急剧冷却. 温升引起的局部热点可达 500 ℃,使制动盘承受着较强烈的摩 擦作用和热疲劳冲击 ,因而其材质应具备较好的耐磨和抗疲劳性能 ,确保制动盘较长的使用寿命.
112 国外制动盘材质发展[2 ,4 ] 国外制动盘的传统材质为 H T20240 ,H T25247 ,H T30254 ,日本的窄轨线 、新干线 ,法国的东南列车均使
用过铸铁制动盘. 1983 年日本采用 H T25247 铸铁材质制动盘可担负 80 %的制动力 ,初速度为 130 km/ h 制动时 ,热应力为 - 150～ + 70M Pa ,摩擦面以下 5 mm 处温升为 130 ℃,他们认为采用这种制动盘 ,以 150 km/ h 的速度运行是可行的.
Discussion of Material Selection f or High2Speed Trains in China
S ON G Guang2sen1 , HA N Jian2m i n2 , L I W ei2ji ng2 , W A N G Ji n2hua2
(1. Department of 211 Project Management ; 2. College of Mechanical and Electronic Control Engineering ,Nort hern Jiaotong University , Beijing 100044 ,China)
表 1 制动盘实验结果
序号
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
制动速度 / km·h - 1
160 140 120
90 60 90 120 140 160 180
实际制动 距离/ m 1 185 942. 1 746. 2 352. 7 130. 6 343. 3 735. 0 1 043 1 223 1 529
实际制动 时间/ s 51. 6 52. 5 43 27. 9 16. 0 26. 8 41. 7 53. 0 53. 3 60. 8
平均摩擦系数
0. 271 0. 254 0. 235 0. 282 0. 339 0. 289 0. 239 0. 229 0. 256 0. 259
盘面最高温度 /℃ 290 150 115 105 87 87 100 121 205 345
第 26 卷 第 2002 年 8
4期 月
北 方 交 通 大 学 学
J OU RNAL OF NOR THERN J IAO TON G
报 UN IV ERSIT Y
Vol. 26 No. 4 Aug. 2002
文章编号 :100021506 (2002) 0420071203
从目前国内外制动盘材质发展情况来看[3 ] ,较先进的制动盘材料是非金属材料. 如复合材料 ,其特点 是重量轻 ,适用于高速列车轻量化的要求. 我国高速列车的发展刚刚起步 ,列车速度并不太高 (160～250 km/ h) ,对轻量化的要求不迫切. 综合使用性能 、制造技术和成本各方面的因素 ,可以认为我国目前高速列 车制动的选材主要是铁系材料和钢系材料两大类. 铁系材料主要是高强度灰铸铁 ,蠕墨铸铁和球墨铸铁 ; 钢系可选材料有碳素钢 、合金铸钢和合金锻钢. 2. 1 从使用性能要求考虑选材
第 4 期 宋光森等 :我国高速列车制动盘选材探讨
73
国外制动盘材料的进一步发展方向是复合材料 ,如碳纤维复合材料. 发展复合材料制动盘的主要目的 是降低制动盘的重量 ,提高使用寿命 ,目前因其摩擦特性以及制造成本需进一步改进和降低 ,因而没有推 广使用[3 ] .
2 我国高速列车制动盘选材探讨
Abstract :According to t he develop ment of high2speed t rains , t he applications and research of braking plate , we discuss t he material selection for braking plate of high2speed t rains. In t he case of 160 km/ h , braking plate made of wriggle carbon at low cost can serve good performance. While t he speed is increasing , it can’t serve well , and t he develop ment of forged2steel or casted2 steel alloy material is necessary. Key words :high2speed t rain ;braking plate ;material selection
1 国内外制动材质发展
1. 1 国内制动盘材质发展 1967 年青岛四方工厂曾试制过制动盘 ,采用 Ni2Cr2Mo 合金铸铁 ,由于结构和应力原因 ,制动盘使用
过程中曾出现裂纹 ,紧急制动时发生飞盘现象 ,后改用 ZG2302450 材质 ,情况有所好转 ,但仍然存在盘面 裂纹现象. 1979 年铁道科学研究院等单位对 H T20240 , H T30254 ,Q T40210 ,Cr2Mo 铸铁 , ZG2302450 等材 质的制动盘进行试验 ,闸片采用 HZ406 、HZ404 和 HZ408 有机材料. 结果表明 , H T30250/ HZ408 对偶的闸 片磨耗率最小 ,而 ZG2302450/ HZ460 对偶的闸片磨耗最大. 铸钢盘的对偶摩擦系数曲线形状较差 ,不利于 粘着利用 ,而且制动后发现铸钢制动盘的盘面有细小裂缝. 各种材料制动盘试验中 ,在 160 km/ h 高速实 行制动时 ,盘上均有红热带 ,但不严重 ,没有产生噪声 ,气味也不强. 试验完后经过表面磁粉探伤检验表明 , 采用径向联接的 H T30254 材质的制动盘最佳 ,未见裂纹.
在刚度方面 ,铁系材料中 ,球墨铸铁有刚度不足问题 ,但一般来说 ,铸铁材料的制动盘变形较小而且随 着含 C 量的增加 ,变形减少 ,刚度增强. 在钢系材料中 ,碳素钢以及 Cr2Mo 合金铸钢 ,在 175 km/ h 制动时 , 变形较大 ,刚度不足 ,需研制开发新钢种.
(2) 摩擦特性 制动盘的摩擦系数与制动闸片有关. 采用粉末冶金闸片时 ,铸钢制动盘的摩擦系数比 铸铁高 25 %～28 % ,而各类铸铁制动盘的摩擦系数没有明显差别. 均为 0. 25～0. 35. 但铸钢制动盘的摩擦 表面呈粗糙状态 ,铸铁制动盘的表面较光洁. 因此 ,从摩擦特性考虑 ,铸钢பைடு நூலகம்动盘与铸铁制动盘各有优势.
近年来 ,由于高速列车的发展 ,盘形制动得到了广泛的应用和研究. 有关盘形制动的主要研究内容包 括 : ①从制动盘的结构和材质方面 ,改进盘形制动的性能 ,提高其使用寿命和安全可靠性 ; ②降低制动机构 的重量以减少列车簧下重量 ,适应列车高速运行要求. 我国盘形制动方式的研究和应用 ,明显落后于国外 发达国家 ,目前只是在双层客车上使用盘形制动方式[1 ] . 随着我国高速列车的发展 ,研究和应用盘形制动 的工作已势在必行. 本文作者结合国内外制动盘的发展情况以及作者在这方面所做的工作 ,探讨我国高速 列车制动盘的选材问题.
作为高级制动盘材质 ,国外研制并试用了蠕墨铸铁制动盘 (如日本 、英国采用 FCV50 牌号) 、金属包层 装甲式制动盘 (如日本以锻钢 SCC60 为结构增强材料 ,以 H T25247 为摩擦面材料) ,合金铸钢和锻钢制动 盘 (如联邦 德 国 、法 国 的 大 西 洋 高 速 列 车 使 用 过 耐 热 合 金 铸 钢 , 日 本 新 干 线 干 道 1980 年 前 后 采 用 A ISI4330 锻钢制动盘) . 结果表明 : ①蠕铁制动盘抗拉强度高 ,延伸力大 ,传热性能好. 在其担负 80 %制动 力 ,车辆以 130 km/ h 初速度制动时 ,在试验台进行了 1 170 次疲劳试验 ,证明其强度性能 (包括刚度 ,热容 量 ,散热温度梯度 ,热应变 ,热应力等) 与抗拉强度成正比. ②包层式或装甲式制动盘的强度性能优于 H T25247 材质制动盘. ③锻钢制动盘的强度特性也优于 H T25247 材质制动盘. ④耐热合金铸钢与粉末冶 金闸片配偶时 ,高速运行的特性可以大大降低由于潮湿 、温度 、压力变化引起的摩擦系数的变化 ,整体性能 优于有机闸片配偶的灰铸铁或球铁制动盘.
国产新型双层客车 ,采用的是特种高强度耐热性能好的铸铁制动盘[1 ] ,闸片为 HZ408 ,摩擦系数可稳 定在 0. 30～0. 35 之间. 制动速度 120 km/ h 时 ,制动距离 800 m ,制动实验后 ,盘面氧化带较严重 ,制动盘 寿命可达 80 万 km. 1991 年作者与青岛四方二厂合作 ,研制抗热疲劳性能好的特种铸铁制动盘 ,采用 5445 合成材料闸片 ,在 1∶1 制动试验台上模拟 68. 2 t 车重 ,踏面制动功率占 32 %时 ,制动试验结果如表 1 所 示. 制动试验后 ,制动盘的盘面光滑 ,盘面氧化不明显 ,表面观察未见裂纹.
从制动盘的使用要求考虑 ,希望制动盘有足够的强度和刚度 ,良好的摩擦特性 (高而稳定的摩擦系数 , 光洁的摩擦表面等) ,从而确保制动盘具备良好的制动效果.
(1) 强度和刚度 根据有限元强度计算结果 ,当列车速度为 160 km/ h 要求制动盘材料的抗拉强度σb ≥300 MPa (塑性材料为屈服强度) . 据此 ,铁系材料可选用的材质有 H T30- 54 、蠕墨铸铁和球墨铸铁. 钢系 材料中普通碳素铸钢 ZG230- 450 又难以满足要求 ,应选用高牌号铸钢或合金钢. 当列车速度进一步提高 时 ,铁系材料的强度性能不足 ,应采用钢系材料.
制动盘是盘形制动装置的关键部件 ,对其选材要求 ,应根据制动盘的结构和使用特点加以考虑 ,高速 列车制动盘选材可归纳为下列要求 :足够的强度 ,良好的制动性能 ,较长的使用寿命 ,较轻的重量 ,易于制 造及较低的成本等. 在强度方面 ,制动盘应具备承受其高速旋转时的离心力以及制动闸片产生最大压力的 能力. 在制动性能方面 ,希望制动盘与其闸片配偶时 ,摩擦系数高且稳定 ,以期获得良好的制动效果. 在使
随着列车速度的提高 ,踏面制动方式已难以满足列车制动性能的要求 ,盘形制动以其特有的性能成为 主要的摩擦制动方式. 与踏面制动相比 ,盘形制动的主要特点是 :停车制动时动能转移能力大 ,摩擦性能 好 ,摩擦系数平稳 ,几乎不随列车速度变化 ,制动平稳. 由于大部分制动功率由盘形制动机构承担 ,减少了 踏面制动的热负荷 ,增加了轮轨寿命. 此外 ,盘形制动机构简单 、安全 、可靠. 1935 年法国在铁道车辆上开 始使用盘形制动 ,随后盘形制动方式得到了一定的发展.
我国高速列车制动盘选材探讨
宋光森1 ,韩建民2 ,李卫京2 ,王金华2
(1. 北方交通大学 211 工程建设管理处 ;2. 机械与电子控制工程学院 ,北京 100044)
摘 要 :根据高速列车发展情况 ,结合国内外制动盘选材应用和研究 ,探讨我国高速列车制动 盘的选材问题. 在准高速 (160 km/ h) 的情况下 ,选用蠕墨铸铁材料作为制动盘材质 ,可获得良 好的制动性能 、较长的使用寿命和较低的制造成本 ;列车速度进一步提高 ,蠕铁材料的强度性 能难以适应制动盘的使用要求 ,需进一步开发锻钢或铸钢合金材料. 关键词 :高速列车 ;制动盘 ;选材 中图分类号 :U260. 351 文献标识码 :A