国内外合成闸瓦力学性能和摩擦性能的研究_惠风裴顶峰
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595 578 587 624
75 km /h
386 359 354 403
55 km /h
208 197 201 192
磨耗量
35 km /h / g
71 0． 62 76 0． 76 74 0． 51 75 0． 87
2． 2． 2 国外高摩擦因数合成闸瓦的 1∶ 3制动摩擦 性能
通过对收集到的美国、俄罗斯、德国及日本等国 生产的闸瓦进行 1 ∶ 3 制动摩擦性能测试，得到其典 型曲线如图 2 所示，其数据如表 3 所列。
摘 要： 利用材料试验机、冲击试验仪、制动动力试验台等检测仪器设备，对国内外合
成闸瓦的力学性能和摩擦磨损性能等进行了综合测试和分析。结果表明，国外合成
闸瓦的冲击强度高，压缩强度和压缩模量低，摩擦因数低于我国闸瓦，磨耗量较小。
因此，国外合成闸瓦具有良好的使用性能和较长的使用寿命。
关键词： 合成闸瓦； 力学性能； 摩擦性能； 磨耗量
轨道交通装备与技术 第 1 期 2014 年 1 月
33 t 轴重和 2 t 的制动压力。
2． 1 国内外合成闸瓦的常规物理力学性能
磨耗量： 用摩擦试样制动试验前后的质量差计
提速货车 120 km / h 可靠性试验和大秦线重载
算磨耗量。
货车用闸瓦的综合测试显示［3 － 4］，合成闸瓦的使用
2 分析与结果
中图分类号： U260． 351
文献标识码： B
Ｒesearch of mechanical and tribological performance of
composite brake shoes at home and abroad
Hui Feng； Pei Dingfeng
Abstract： By using test instrument，such as material testers，impact testers，braking dynamic test stands，the mechanical properties and friction performance of composite brake shoes manufactured both at home and abroad are comprehensively inspected and analyzed． Experimental results indicate that overseas brake shoes have higher impact strength，lower compressive strength，compression modulus and wear rate compared with the home － made brake shoes，and consequently they have better operating performance and longer service lives． Keywords： composite brake shoe； mechanical property； tribological performance； wear rate
轨道交通装备与技术 第 1 期 2014 年 1 月
动要求。在磨耗量方面，整个循环的闸瓦磨耗量在 0． 51 ～ 0. 87 g 之间。
表 2 国内合成闸瓦的 1∶ 3制动动力试验数据表
厂家 125 km /h
TY 1 209 ZZ 1 258 BJ 1 287 LZ 1 339
制动距离 /m
95 km /h
（ 3） 为了提高国产合成闸瓦的使用寿命，在保 证摩擦性能的基础上，应在合成闸瓦体系中增加粘 合剂的含量。 参考文献：
［1］裴顶峰，党佳，贺春江． 国内外合成闸瓦标准现状与分析［J］． 铁
初速度 125 km / h、轴重 33 t 和闸瓦压力 2 t 的条件 下，国外摩擦因数控制在 0． 23 ～ 0． 30 之间，我国控 制在 0． 31 ～ 0． 39 之间，这与每个国家铁路政策要求 有关，中国的信号区间短，需要在充分利用粘着的基 础上缩小制动距离。
国外高摩擦因数合成闸瓦的耐磨性高。国外闸 瓦使用寿命明显高于我国闸瓦，是我国闸瓦平均寿 命的 1 ～ 4 倍，近年来出口贸易的反馈意见也显示我 国闸瓦的使用寿命不足。分析国内外合成闸瓦的 FT － IＲ 和 TGA 测试结果［6］，国外合成闸瓦体系中
岛： 四方机车车辆研究所，2008． ［5］ 裴顶峰． 重载提速制动材料及其评价体系的研究［Z］． 北京： 中
图 1 我国高摩擦因数合成闸瓦典型的 μ － v 图
从所得的数据值和曲线形状来看，合成闸瓦的 速度 125 km / h、轴重 33 t 和闸瓦压力 2 t 的条件下， 摩擦曲线比较集中，说明闸瓦的耐速性能优异； 在初 制动距离在 1 339 ～ 1 209 m 之间，符合中国铁路制
2
惠 风 裴顶峰 国内外合成闸瓦力学性能和摩擦性能的研究
应降低高摩擦因数合成闸瓦的压缩强度。
Q = K·μ·P1/4 ·V1/2
（ 1）
式中： Q 为热斑点温度； P 为闸瓦压力； μ 为平
均摩擦因数； V 为制动速度； K 为与压缩模量 E 有关
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
的常数。
（ 4） 国外合成闸瓦的硬度远小于国内的平均
值。硬度低，闸瓦同车轮的贴合性好，闸瓦承受的单
位压力小，对车轮热损伤小。 （ 5） 国外闸瓦的密度较小［5］是因为其有机粘合
压缩强度和压缩模量： 按 GB / T 1041 － 1992 标 准进行。
冲击强度： 按 GB / T 1043 － 1993 标准进行。 洛氏硬度： 按 GB / T 9342 － 1988 标准进行。 制动摩擦性能： 利用 1∶ 3制动动力试验台，模拟
1
惠 风 裴顶峰 国内外合成闸瓦力学性能和摩擦性能的研究
随着我国铁路高速重载和安全计划的实施，合 成闸瓦作为铁路机车车辆制动系统的重要部件，已 得到广泛应用，它不仅关系着行车安全，对车辆维修 成本也有重要影响。通过近几年同国外的技术交流 和引进，对国外合成闸瓦的技术条件和制造技术有 了一定的了解［1 － 2］，但按照中国铁路相关标准，对国 外产品测试工作尚无深入研究和分析，为此依据中 国铁道标准，通过对收集到的国内外合成闸瓦性能 进行综合测试，研究了国内外合成闸瓦的物理力学 性能、摩擦磨损性能数据，藉此提出我国铁路合成闸 瓦的发展方向，促进我国合成闸瓦产品质量的提高。
掉块率接近 30% 。因此我国合成闸瓦的冲击强度
需要提高。
（ 2） 国外合成闸瓦的压缩强度和压缩模量明显
低于我国闸瓦。从压缩强度方面来分析，我国高摩
擦因数合成闸瓦紧急制动时，闸瓦压力为 2 t，通过
制动系统压力计算，其平均压缩强度不到 1. 0 MPa，
考虑到制动时的有效接触面积和偏磨等现象，其压
缩强度不需要太高。
技术装备
轨道交通装备与技术 第 1 期 2014 年 1 月
文章编号： 2095 － 5251（ 2014） 01 － 0001 － 03
国内外合成闸瓦力学性能和摩擦性能的研究
惠 风1 裴顶峰2 （ 1． 上海铁道科技公司 上海 201803； 2． 中国铁道科学研究院金属及化学研究所 北京 100081）
特性同其物理力学性能相关，表 1 所示是国内外合 成闸瓦的物理力学性能数据。
表 1 国内外高摩擦因数合成闸瓦的物理力学性能
闸瓦代号
HGM － B NabtESCO
COBＲA OTK JUＲID
冲击强度 / （ kJ·m － 2 ）
2． 44 ～ 4． 28 6． 7 9． 8 11． 3 7． 9
压缩强度 / MPa
从所得的数据值和曲线形状来看： 合成闸瓦的 摩擦曲线比较集中， 说明闸瓦的耐速性能优异； 在
图 2 国外高摩擦因数合成闸瓦典型的 μ － v 曲线图
表 3 国外高摩擦因数合成闸瓦 1： 3 制动动力试验数据表
破坏能量大，使磨耗量降低； 同时由于摩擦因数低，
制动距离 /m
磨耗量
厂家
125 km /h 95 km /h 75 km /h 55 km /h 35 km /h / g
俄罗斯 1 706
813
502
266
104 0． 10
美国 1 687
788
481
235
93 0． 24
日本 1 804
821
450
222
87 0． 05
德国 1 780
966
598
313
103 0． 18
初速度 125 km / h、轴重 33 t 和闸瓦压力 2 t 的条件
下，制动距离在 1 687 ～ 1 804 m 之间，其摩擦因数都
非常低，相当于我国的低摩擦因数合成闸瓦数值； 同
时另一个非常显著的特点就是磨耗量非常低。经过
一个制动循环，美国 COBＲA 闸瓦的磨耗量为 0． 24
g，俄罗斯、德国闸瓦的磨耗量为 0． 10 ～ 0． 18 g，而日
本闸瓦磨耗量仅为 0． 05 g。
2． 2． 3 国内外高摩擦因数闸瓦摩擦特性的比较
国铁道科学研究院金属及化学研究所，2009． ［6］ 裴顶峰． 25t 及其以上轴重、120km 货车用高摩擦因数合成闸瓦
25． 6 ～ 36． 4 26． 6 23． 5 18． 9 23． 5
从表 1 数据中可以看出：
（ 1） 国外合成闸瓦的冲击强度均高于国产闸
瓦。这可能是我国合成闸瓦容易出现掉块的原因，
由于摩擦材料冲击强度低，在制动力反复作用下，出
现脆性断裂。结合现场调研情况，我国某些工厂生 产的合成闸瓦的冲击强度在 2． 4 kJ / m2 左右，现场
剂含量高。合成闸瓦中添加高密度的金属粉（ 即通
常认为的半金属摩擦材料） 应该不是合成闸瓦的发
展方向。
2． 2 国内外合成闸瓦的摩擦磨损性能
2． 2． 1 国内高摩擦因数合成闸瓦的 1∶ 3制动摩擦
性能
通过对国内新型高摩擦因数合成闸瓦 1∶ 3制动
试验，得到其典型曲线如图 1 所示，其制动距离和磨
耗量数据如表 2 所示。
我国高摩擦因数合成闸瓦的摩擦因数偏高。在
制动功率小因而磨耗量也小。
3 结论
（ 1） 为了提高合成闸瓦良好的使用性能，配方 设计时应提高合成闸瓦的冲击强度，可以适当降低 合成闸瓦的压缩强度和硬度。
（ 2） 为了减少因高摩擦因数合成闸瓦对车轮踏 面的热损伤，应降低合成闸瓦硬度和压缩模量，增加 同车轮的贴合性。
1 试验部分
收稿日期： 2013 － 03 － 28 作者简介： 惠 风（ 1963 － ） ，男，本科学历，高级工程师，从事机车车 辆闸瓦研发和生产工作。
1． 1 样品来源 由太原机车车辆配件厂（ TY） 、上海铁道科技公
司（ SH） 、北京和福通机车车辆配件厂（ BJ） 、郑州北 车辆段铸造厂（ ZZ） 、兰州铁路局修配段（ LZ） 等制 造的 HGM － B 新型高摩擦因数合成闸瓦； 俄罗斯 OTK 高摩擦因数合成闸瓦； 中国和谐号机车上应用 的美国 COBＲA 的 Shoe － V330 型高摩擦因数合成 闸瓦； 深圳地铁公司使用的德国 JUＲID 公司生产的 836 型 合 成 闸 瓦； 北 京 地 铁 公 司 使 用 的 日 本 NabtESCO 公司生产的合成闸瓦。 1． 2 合成闸瓦的性能测试
（ 3） 压缩模量数据的大小能影响车轮的热损
伤，热损伤的根源是制动时车轮踏面热斑。公式 1
是大量研究后显示的热斑点温度同压缩模量的关
系。目前日本、欧洲为了保证热斑点温度在车轮相
变 650 ～ 700℃ 以下，要求合成摩擦材料的压缩模量
在 1 000 MPa 以下。根据我国铁路相关技术规范要
测试性能
压缩模量 / MPa
道技术监督，2011，39（ 2） ： 7 － 9． ［2］裴顶峰． 我国铁路合成摩擦材料的现状和发展趋势［J］． 摩擦密
封材料，2008（ 3） ： 2 － 18． ［3］王京波． 提速货车 120km / h 可靠性试验第一阶段（ 环形线） 试验
总报告［Ｒ］ ． 北京： 中国铁道科学研究院机车车辆研究所，2008． ［4］刘会英，张澎湃． 大秦线 25t 轴重货车用闸瓦试验报告［Ｒ］． 青
490 ～ 1 290 760 136 123 355
硬度 / HHＲ
46． 6 ～ 86． 4 32 12 8 27
密度 / （ g·cm － 3 ）
2． 42 ～ 2． 45 2． 04 1． 97 1． 93 2． 00
求，在闸瓦制动压力、制动初速度和制动距离不变的
情况下，要减少对车轮的热损伤，降低热斑点温度，
75 km /h
386 359 354 403
55 km /h
208 197 201 192
磨耗量
35 km /h / g
71 0． 62 76 0． 76 74 0． 51 75 0． 87
2． 2． 2 国外高摩擦因数合成闸瓦的 1∶ 3制动摩擦 性能
通过对收集到的美国、俄罗斯、德国及日本等国 生产的闸瓦进行 1 ∶ 3 制动摩擦性能测试，得到其典 型曲线如图 2 所示，其数据如表 3 所列。
摘 要： 利用材料试验机、冲击试验仪、制动动力试验台等检测仪器设备，对国内外合
成闸瓦的力学性能和摩擦磨损性能等进行了综合测试和分析。结果表明，国外合成
闸瓦的冲击强度高，压缩强度和压缩模量低，摩擦因数低于我国闸瓦，磨耗量较小。
因此，国外合成闸瓦具有良好的使用性能和较长的使用寿命。
关键词： 合成闸瓦； 力学性能； 摩擦性能； 磨耗量
轨道交通装备与技术 第 1 期 2014 年 1 月
33 t 轴重和 2 t 的制动压力。
2． 1 国内外合成闸瓦的常规物理力学性能
磨耗量： 用摩擦试样制动试验前后的质量差计
提速货车 120 km / h 可靠性试验和大秦线重载
算磨耗量。
货车用闸瓦的综合测试显示［3 － 4］，合成闸瓦的使用
2 分析与结果
中图分类号： U260． 351
文献标识码： B
Ｒesearch of mechanical and tribological performance of
composite brake shoes at home and abroad
Hui Feng； Pei Dingfeng
Abstract： By using test instrument，such as material testers，impact testers，braking dynamic test stands，the mechanical properties and friction performance of composite brake shoes manufactured both at home and abroad are comprehensively inspected and analyzed． Experimental results indicate that overseas brake shoes have higher impact strength，lower compressive strength，compression modulus and wear rate compared with the home － made brake shoes，and consequently they have better operating performance and longer service lives． Keywords： composite brake shoe； mechanical property； tribological performance； wear rate
轨道交通装备与技术 第 1 期 2014 年 1 月
动要求。在磨耗量方面，整个循环的闸瓦磨耗量在 0． 51 ～ 0. 87 g 之间。
表 2 国内合成闸瓦的 1∶ 3制动动力试验数据表
厂家 125 km /h
TY 1 209 ZZ 1 258 BJ 1 287 LZ 1 339
制动距离 /m
95 km /h
（ 3） 为了提高国产合成闸瓦的使用寿命，在保 证摩擦性能的基础上，应在合成闸瓦体系中增加粘 合剂的含量。 参考文献：
［1］裴顶峰，党佳，贺春江． 国内外合成闸瓦标准现状与分析［J］． 铁
初速度 125 km / h、轴重 33 t 和闸瓦压力 2 t 的条件 下，国外摩擦因数控制在 0． 23 ～ 0． 30 之间，我国控 制在 0． 31 ～ 0． 39 之间，这与每个国家铁路政策要求 有关，中国的信号区间短，需要在充分利用粘着的基 础上缩小制动距离。
国外高摩擦因数合成闸瓦的耐磨性高。国外闸 瓦使用寿命明显高于我国闸瓦，是我国闸瓦平均寿 命的 1 ～ 4 倍，近年来出口贸易的反馈意见也显示我 国闸瓦的使用寿命不足。分析国内外合成闸瓦的 FT － IＲ 和 TGA 测试结果［6］，国外合成闸瓦体系中
岛： 四方机车车辆研究所，2008． ［5］ 裴顶峰． 重载提速制动材料及其评价体系的研究［Z］． 北京： 中
图 1 我国高摩擦因数合成闸瓦典型的 μ － v 图
从所得的数据值和曲线形状来看，合成闸瓦的 速度 125 km / h、轴重 33 t 和闸瓦压力 2 t 的条件下， 摩擦曲线比较集中，说明闸瓦的耐速性能优异； 在初 制动距离在 1 339 ～ 1 209 m 之间，符合中国铁路制
2
惠 风 裴顶峰 国内外合成闸瓦力学性能和摩擦性能的研究
应降低高摩擦因数合成闸瓦的压缩强度。
Q = K·μ·P1/4 ·V1/2
（ 1）
式中： Q 为热斑点温度； P 为闸瓦压力； μ 为平
均摩擦因数； V 为制动速度； K 为与压缩模量 E 有关
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
的常数。
（ 4） 国外合成闸瓦的硬度远小于国内的平均
值。硬度低，闸瓦同车轮的贴合性好，闸瓦承受的单
位压力小，对车轮热损伤小。 （ 5） 国外闸瓦的密度较小［5］是因为其有机粘合
压缩强度和压缩模量： 按 GB / T 1041 － 1992 标 准进行。
冲击强度： 按 GB / T 1043 － 1993 标准进行。 洛氏硬度： 按 GB / T 9342 － 1988 标准进行。 制动摩擦性能： 利用 1∶ 3制动动力试验台，模拟
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惠 风 裴顶峰 国内外合成闸瓦力学性能和摩擦性能的研究
随着我国铁路高速重载和安全计划的实施，合 成闸瓦作为铁路机车车辆制动系统的重要部件，已 得到广泛应用，它不仅关系着行车安全，对车辆维修 成本也有重要影响。通过近几年同国外的技术交流 和引进，对国外合成闸瓦的技术条件和制造技术有 了一定的了解［1 － 2］，但按照中国铁路相关标准，对国 外产品测试工作尚无深入研究和分析，为此依据中 国铁道标准，通过对收集到的国内外合成闸瓦性能 进行综合测试，研究了国内外合成闸瓦的物理力学 性能、摩擦磨损性能数据，藉此提出我国铁路合成闸 瓦的发展方向，促进我国合成闸瓦产品质量的提高。
掉块率接近 30% 。因此我国合成闸瓦的冲击强度
需要提高。
（ 2） 国外合成闸瓦的压缩强度和压缩模量明显
低于我国闸瓦。从压缩强度方面来分析，我国高摩
擦因数合成闸瓦紧急制动时，闸瓦压力为 2 t，通过
制动系统压力计算，其平均压缩强度不到 1. 0 MPa，
考虑到制动时的有效接触面积和偏磨等现象，其压
缩强度不需要太高。
技术装备
轨道交通装备与技术 第 1 期 2014 年 1 月
文章编号： 2095 － 5251（ 2014） 01 － 0001 － 03
国内外合成闸瓦力学性能和摩擦性能的研究
惠 风1 裴顶峰2 （ 1． 上海铁道科技公司 上海 201803； 2． 中国铁道科学研究院金属及化学研究所 北京 100081）
特性同其物理力学性能相关，表 1 所示是国内外合 成闸瓦的物理力学性能数据。
表 1 国内外高摩擦因数合成闸瓦的物理力学性能
闸瓦代号
HGM － B NabtESCO
COBＲA OTK JUＲID
冲击强度 / （ kJ·m － 2 ）
2． 44 ～ 4． 28 6． 7 9． 8 11． 3 7． 9
压缩强度 / MPa
从所得的数据值和曲线形状来看： 合成闸瓦的 摩擦曲线比较集中， 说明闸瓦的耐速性能优异； 在
图 2 国外高摩擦因数合成闸瓦典型的 μ － v 曲线图
表 3 国外高摩擦因数合成闸瓦 1： 3 制动动力试验数据表
破坏能量大，使磨耗量降低； 同时由于摩擦因数低，
制动距离 /m
磨耗量
厂家
125 km /h 95 km /h 75 km /h 55 km /h 35 km /h / g
俄罗斯 1 706
813
502
266
104 0． 10
美国 1 687
788
481
235
93 0． 24
日本 1 804
821
450
222
87 0． 05
德国 1 780
966
598
313
103 0． 18
初速度 125 km / h、轴重 33 t 和闸瓦压力 2 t 的条件
下，制动距离在 1 687 ～ 1 804 m 之间，其摩擦因数都
非常低，相当于我国的低摩擦因数合成闸瓦数值； 同
时另一个非常显著的特点就是磨耗量非常低。经过
一个制动循环，美国 COBＲA 闸瓦的磨耗量为 0． 24
g，俄罗斯、德国闸瓦的磨耗量为 0． 10 ～ 0． 18 g，而日
本闸瓦磨耗量仅为 0． 05 g。
2． 2． 3 国内外高摩擦因数闸瓦摩擦特性的比较
国铁道科学研究院金属及化学研究所，2009． ［6］ 裴顶峰． 25t 及其以上轴重、120km 货车用高摩擦因数合成闸瓦
25． 6 ～ 36． 4 26． 6 23． 5 18． 9 23． 5
从表 1 数据中可以看出：
（ 1） 国外合成闸瓦的冲击强度均高于国产闸
瓦。这可能是我国合成闸瓦容易出现掉块的原因，
由于摩擦材料冲击强度低，在制动力反复作用下，出
现脆性断裂。结合现场调研情况，我国某些工厂生 产的合成闸瓦的冲击强度在 2． 4 kJ / m2 左右，现场
剂含量高。合成闸瓦中添加高密度的金属粉（ 即通
常认为的半金属摩擦材料） 应该不是合成闸瓦的发
展方向。
2． 2 国内外合成闸瓦的摩擦磨损性能
2． 2． 1 国内高摩擦因数合成闸瓦的 1∶ 3制动摩擦
性能
通过对国内新型高摩擦因数合成闸瓦 1∶ 3制动
试验，得到其典型曲线如图 1 所示，其制动距离和磨
耗量数据如表 2 所示。
我国高摩擦因数合成闸瓦的摩擦因数偏高。在
制动功率小因而磨耗量也小。
3 结论
（ 1） 为了提高合成闸瓦良好的使用性能，配方 设计时应提高合成闸瓦的冲击强度，可以适当降低 合成闸瓦的压缩强度和硬度。
（ 2） 为了减少因高摩擦因数合成闸瓦对车轮踏 面的热损伤，应降低合成闸瓦硬度和压缩模量，增加 同车轮的贴合性。
1 试验部分
收稿日期： 2013 － 03 － 28 作者简介： 惠 风（ 1963 － ） ，男，本科学历，高级工程师，从事机车车 辆闸瓦研发和生产工作。
1． 1 样品来源 由太原机车车辆配件厂（ TY） 、上海铁道科技公
司（ SH） 、北京和福通机车车辆配件厂（ BJ） 、郑州北 车辆段铸造厂（ ZZ） 、兰州铁路局修配段（ LZ） 等制 造的 HGM － B 新型高摩擦因数合成闸瓦； 俄罗斯 OTK 高摩擦因数合成闸瓦； 中国和谐号机车上应用 的美国 COBＲA 的 Shoe － V330 型高摩擦因数合成 闸瓦； 深圳地铁公司使用的德国 JUＲID 公司生产的 836 型 合 成 闸 瓦； 北 京 地 铁 公 司 使 用 的 日 本 NabtESCO 公司生产的合成闸瓦。 1． 2 合成闸瓦的性能测试
（ 3） 压缩模量数据的大小能影响车轮的热损
伤，热损伤的根源是制动时车轮踏面热斑。公式 1
是大量研究后显示的热斑点温度同压缩模量的关
系。目前日本、欧洲为了保证热斑点温度在车轮相
变 650 ～ 700℃ 以下，要求合成摩擦材料的压缩模量
在 1 000 MPa 以下。根据我国铁路相关技术规范要
测试性能
压缩模量 / MPa
道技术监督，2011，39（ 2） ： 7 － 9． ［2］裴顶峰． 我国铁路合成摩擦材料的现状和发展趋势［J］． 摩擦密
封材料，2008（ 3） ： 2 － 18． ［3］王京波． 提速货车 120km / h 可靠性试验第一阶段（ 环形线） 试验
总报告［Ｒ］ ． 北京： 中国铁道科学研究院机车车辆研究所，2008． ［4］刘会英，张澎湃． 大秦线 25t 轴重货车用闸瓦试验报告［Ｒ］． 青
490 ～ 1 290 760 136 123 355
硬度 / HHＲ
46． 6 ～ 86． 4 32 12 8 27
密度 / （ g·cm － 3 ）
2． 42 ～ 2． 45 2． 04 1． 97 1． 93 2． 00
求，在闸瓦制动压力、制动初速度和制动距离不变的
情况下，要减少对车轮的热损伤，降低热斑点温度，