高速列车制动新技术及其发展

高速列车制动技术的最近研究进展

周大海0703010702

摘要：和普通列车相比．高速列车无论是对制动控制系统还是对具的制动方式，都提出了更高的技术要求。本文介绍了高

速列车对制动系统的特殊要求和其解决方法以及国内外

高速列车制动系统的技术现状.

关键词：高速列车制动方式复合制动系统制动基础制动1.高速列车对制动系统的特殊要求

随着列车运行速度的提高，机车车辆对制动系统的要求也越来越高。从能量的角度考虑．由于列车的动能与其运行速度的平方成正比，列车所具备的制动功率也至少应与其最高速度的平方成正比一从粘着利用与防滑的角度考虑．为了在规定的距离内停车．高速列车在制动时必须具有较大的减速度．对粘着的利用率也相应较高，而粘着利用率的提高必须有相应的高性能防滑装置来保障列车运行的安全；为了提高乘坐舒适度，对制动力的控制精度必须也有更高的要求。综合多方面的因素考虑，高速列车制动系统必需具备以下条件：

(I)尽可能缩短制动距离以保障行车安全

①减少列车空走时间

表1为几种制动控制方式的列车空走时间值。从表中可以看出．电气指令式电空制动机的列车空走时间最短

②采用大功率的盘形制动机，并作为高速列车制动系统的主体

[1]铁系材料

铁系材料经几十年的发展，现已形成了铸铁、铸钢、铸铁一铸钢组合材料和锻钢材料等几个体系。目前使用在高速列车制动盘上的铁系金属材料则主要是铸铁一铸钢组合材料和锻钢材料。铸铁一铸钢组合制动盘是以铸铁作为摩擦材料而以铸钢作为补强材料。2种材料相互组合制成的制动圆盘，从整体上兼顾了铸铁稳定且较高的摩擦性能和铸钢较好的耐热龟裂性，在日本、法国和德国的高速列车上都使用过这种材料,锻钢具有良好的强度和韧性等力学性能，同时还具有较高的抗热龟裂性、良好的耐磨性和耐疲劳性，使用寿命长，目前已广泛应用于日本新干线列车上。法国TGV—A列车上使用的一种Cr-Mo-V低合金锻钢制动盘，在时速300 km停车时每个制动盘可散失约18 MJ的制动能量，显示出锻钢材料的良好制动效果。国内对锻钢材料也进行了大量研究。以中碳、低合金钢为盘体材料，经纯净化处理、优化锻造等制成的制动盘，具有良好的综合性能和优异的抗热疲劳性，并认为其可满足国内时速300 km高速列车的制动要求。从国内外高速列车制

动盘的使用情况和摩擦材料的发展来看，高速列车上铁系摩擦材料将在相当长的时期内继续使用。但铁系材料的质量密度大，在发挥其优良制动性能的同时，已逐渐不适应于高速列车轻量化的发展趋势。[2] 粉末冶金材料

目前，国际上时速大于200 km 的高速列车普遍采用锻钢制动盘与粉末冶金闸片配对的盘形制动装置。中国对高速列车制动盘和闸片的大量研究表明，虽半金属闸片与锻钢制动盘配对可基本满足制动要求，但粉末冶金闸片和锻钢盘的组合才具有整体上最佳的制动效果。采用粉末冶金技术可在大范围内改变材料的组分，避免传统铸造工艺中的疏松、缩孔、材料组织的枝晶偏析及晶粒粗大等缺陷，因而有助于提高闸片的综合性能。粉末冶金闸片具有摩擦因数高、稳定性好以及磨损小等优点，在500℃以上仍可保持良好的摩擦性能，且基体为金属，导热性好，不受雨雪天气的影响，故其在高速列车上得到广泛应用。粉末冶金闸片分铁基和铜基两种。铁基粉末冶金闸片在，可在400 1 000℃内使用，但其在低速时磨损量相当大。铁基的高温高负荷下且有优良的摩擦性能，机械强度高热稳定性比铜基的要高，缺点是与对偶(如铸铁或钢)具有亲和性，易产生粘着胶合，摩擦系数波动较大，易出现异常磨损，产生噪声等。铜基粉末冶金闸片的摩擦因数在低速时高、高速时低且不增加磨损量，故虽铜基闸片成本较高，性好，因而得到广泛应用。El本的新干线、法国的TGV和德国的ICE高速列车均采用了铜基粉末冶金闸片。国内有多所院校和生产单位参与研制了粉末冶金闸片，其中中南大学、石家庄铁道学院和兰州铁道学院以及北

京华夏技术公司的研究取得了一定的进展，并进行了大量的实验，取得了一些成果。但是，相对于国外对粉末冶金摩擦材料较充分的研究、稳定的生产工艺和性能来说，中国仍未在实用化上有大的突破，因此应继续加强对粉末冶金刹车片的研究，以免受制于人。

[3]. 铝基复合材料

为进一步提高列车的速度则需轻量化，特别是要减轻簧下的重量，但传统的钢铁材料对列车的轻量化贡献却很小，因此进一步开发了铝基复合材料。铝合金复合材料是以铝合金为母体，加入碳化硅或三氧化二铝等陶瓷颗粒来增强基体性，质量密度比铁系材料低很多，故其在制动盘方面的应用得到了各国的重视。铝基复合材料一般是用陶瓷颗粒弥散分布来提高材料的摩擦性能，目前，制备方法有很多种：有将铝合金粉和强化陶瓷粉混合后再固化的粉末法；有将预处理的陶瓷粒子加入熔融的铝合金中，再搅拌混合均匀，最后进行铸造或锻造的熔融法；也可直接通过铸造方法制备；还有在多孔质陶瓷成形体中注入熔融铝合金的方法。日本、美国和德国已研制出很多性能优良的铝合金复合材料制动盘，并在高速列车上进行了实验和试运行，并取得了同铁系制动盘同等的制动性能，目前中国香港的列车上就安装了铝合金制动盘。国内也对铝基复合材料进行了大量的研究。采用移动坩锅式喷射共沉积技术及其装置制备了一种Al一20 Si／SiCp复合材料制动盘，同其自行研制的半金属闸片进行台架实验，表明在200 km

／h的制动速度各种工况条件有良好效果，基本上达到了装车试运行的要求。铝基复合材料可有效减轻簧下质量，迅速散发摩擦所产生的

热量，同铁系材料相比，铝基复合材料有更好的发展前景，有望近期内替代部分锻钢盘而应用在高速列车及城市轨道交通上。当然，铝基复合材料制动盘还存在一些问题：制动盘材料的塑韧性较低，伸长率不高，承受热交变负荷时易萌生裂纹并迅速扩展；铝的熔点较低，尽管其导热系数为铁的3倍，但铝基材料制动盘在更高速度下铝磨损将显著增加。

[4]. c／c复合材料

c／c复合材料即碳纤维增强碳基复合材料，具有质量密度小(约为铁的1／5)、质量轻、比热容高和热膨胀系数小等优点，尤其可在1000℃高温下工作，最高工作温度达2 000℃左右，首先在航空航天和赛车上进行了大力研究和开发，并得到广泛应用。日本、法国等对其在高速列车上的应用进行了大量的研究和试验。该种材料的制备可分为预成形、致密化和石墨化阶段。预成形阶段，一般选用短切碳纤维作为增强组分，并用模压法进行毛坯成形；致密化有液体致密化、化学气相沉积法(CVD)和浸渍碳化法等。其制造方法见图1_1 。

早在20世纪80年代，法国就曾在TGV列车上试验过由碳／碳纤维复合材料制成的制动盘和闸片构成摩擦副的盘形制动装置。该种材料可显著减轻簧下质量，制动能大，但也发现其摩擦因数波动较大，雨雪天气情况下磨损量急剧增加等缺点。日本对高速列车c／c复合材料也进行大量实验研究，c／c制动盘的摩擦因数随制动盘摩擦面温度的变化而变化，磨损量在中速时较小，而在高速和低速时较大。目前，c ／c复合材料在飞机制动上应用较广泛.国内有多家高校和研究院所