广州地铁3号线车辆制动盘与闸片国产化研究

侯品杨

（广州市地下铁道总公司，广东广州510380）

广州地铁3号线车辆制动盘与闸片国产化研究

侯品杨

（广州市地下铁道总公司，广东广州510380）

通过优化结构设计，选用蠕墨铸铁及复合材料，研制出适用于广州地铁3号线车辆的制动盘和闸片。经过台架试验、装车试验及运营验证，国产制动盘和闸片制动摩擦性能满足120 km/h地铁车辆运用要求。

120 km/h；地铁车辆；制动盘；制动闸片；国产化研究

1　制动盘和闸片结构设计

1.1制动盘结构设计

轮装制动盘采用环形整体式和分体设计，轮对外侧设计使用整体式，内侧安装分体式制动盘，实现制动盘损坏更换不需要拆卸轮对。

制动盘环的外侧为摩擦面，内侧设有多个宽度相等的条形散热筋，且沿径向均匀分布，在散热筋之间形成径向的气流通道。同时制动盘环的内侧还设有铸造凸台、螺栓凸台、对中定位台，散热筋、铸造凸台、螺栓凸台和对中定位台，这些结构分别在整个制动盘环的内侧循环对称分布，使制动盘的摩擦面受热均匀，加快制动盘内侧冷却风的流动速度，提高制动时的冷却效果，进而减少热裂纹的产生；另外这种循环对称结构可减小制动盘剩余不平衡量。

制动盘内侧设置6个键槽，沿圆周方法每隔60°角设计一个，通过定位销用于制动盘对中定位及传递制动力矩，摩擦环使用12颗径向排列的螺栓紧固，分体式制动盘，摩擦环设计两个半环，通过面齿型啮合连接，分体盘连接齿形槽处的间隙需严格控制，保证接合面处的缝隙均匀分布，半环连接处通过螺杆螺母紧固，见图1。

图1　制动盘示意图

1.2制动闸片结构设计

闸片参照UIC 541-3合成闸片通用结构设计，分为左右两片，呈对称结构。两片闸片面积为400 cm2，厚度24 m m，长度和宽度分部为400 m m和140 m m，表面设计散热排屑槽，背部设计钢片，与闸片压装为一体，尺寸与制动夹钳燕尾槽实现间隙配合，见图2。

图2　制动闸片结构示意图

2　制动盘与闸片材料选型

2.1制动盘

取140 μL PBS缓冲液（pH 8.0），20 μL药用植物供试品溶液，15 μL 0.28 U/mL的AChE溶液在微孔里混合，震荡混匀10 min，4 ℃培养20 min，依次加入10 μL DTNB溶液、10 μL ATCI溶液开始反应，震荡混匀10 min。37 ℃培养20 min后，405 nm下测量吸光度（A）值。数据分为4组，分别为实验组、阳性控制组（毒扁豆碱溶液代替供试品溶液），空白组（pH 8.0 PBS缓冲液代替供试品溶液），实验控制组（pH 8.0 PBS缓冲液代替AChE溶液）。抑制率（I）通过公式计算，所用样品平行进行3次，取平均值[7-9]。

地铁车辆制动能力的发挥，主要取决于制动盘承受制动热负荷的能力。制动盘磨耗的快慢、制动盘形成裂纹与裂纹扩展的速度都与制动盘的温升有关。在高温状态下，制动盘的金相组织、力学性能、制动摩擦性能都有变化。温升越高，制动盘出现裂纹的速度也越快。对于制动盘的主要设计依据是制动盘的温度及热应力，两者对制动盘热裂的出现直接产生影响。因此，在制动盘材料选型中摩擦材料应当能承受频繁的热变化，即能抗热疲劳，同时制动盘还应具有相当高的导热性、热容量和尽可能小的线胀系数。

进口制动盘材料采用灰铸铁，由于工艺上的原因，铸铁件的铸造缺陷难以避免，高温性能比较差。国产制动盘材料选用要求在高温工况仍有良好的耐热疲劳性，即在较高制动功作用下，不允许出现破坏性裂纹。为进一步改善组织结构，提高材料的强度和韧性，国产制动盘材料选用蠕墨铸铁，浇注时加入了Cu、M o、Ni、Ti等合金元素，其金相组织中石墨呈蠕虫状均匀分布，基体组织为珠光体+铁素体，热疲劳性能、抗热裂性能较好，并且高温下的热疲劳性能优于球铁。

2.2制动闸片

地铁闸片摩擦块多数采用有机合成材料。该材料由多组份黏合剂、混杂纤维及特殊填料制成的无石棉高摩擦系数合成闸片。制造地铁合成闸片的关键材料是高分子基体，其性能的好坏直接影响到地铁合成闸片的各种性能。一般的地铁合成闸片是由聚合物作为基体粘结其他颗粒或者纤维增强材料，聚合物基复合材料有优越的常温性能，但在摩擦制动的高温高速条件下，即便采用耐高温的高性能树脂，聚合物材料的耐高温性能始终不能满足要求。

为适应120 km/h高速制动闸片在瞬时摩擦系数、制动曲线、耐磨性、导热性和制动距离等方面的要求，国产制动闸片在配方和材料上进行了深入的研究，改进现有材料性能和引入先进复合材料，特别是纤维增强复合材料以及高分子基体的酚醛树脂与橡胶的配比、酚醛树脂的选择、耐热补强纤维、填料体系等，最终确定了国产合成闸片的材料和配方。

3　国产制动盘与闸片试制及主要技术参数

为提高铸造质量，制动盘生产过程中使用了金属模具铸造，同时采用树脂沙机器造型工艺，保证制动盘非加工面的表面粗糙度及散热筋的完整，提高透气性。根据制动盘的结构特点，采用封闭式浇注系统，在模具的内部设置环型横浇道及若干个放射状内浇道。浇注过程中加入蠕化剂、钛铁合金及硅铁合金，对制动盘进行蠕化处理。为提高铸件基体组织的珠光体含量，提高强度及硬度，对制动盘进行正火处理。制动盘主要技术参数见表1。

制动闸片采用有机合成摩擦材料生产工艺，原材料经过还原和干燥处理在混料机中混合均匀，压制成形，并经固化处理。制动闸片的几何、物理力学性能参数见表2。

按照装车要求，国产制动盘和闸片的接口尺寸要与原装车辆保持一致，其主要技术参数也要满足广州地铁3号线车辆制动系统基本技术条件。制动盘和闸片样品，见图3、图4。

表1　国产制动盘主要技术参数

表2　闸片几何、物理力学性能试验参数

图3　国产制动盘产品样图

图4　制动闸片样品图

4　1∶1制动动力试验

国产制动盘与闸片配对的摩擦制动性能能否满足120 km/h地铁车辆的制动要求，必须通过1∶1制动动力试验台进行验证试验。制动动力试验在铁道部产品质量监督检验中心机车车辆检验站的1∶1制动动力试验台上进行，分别进行了磨合试验、一次停车制动试验、常用制动试验、坡道连续制动试验和静摩擦试验。试验时应记录操作序号、制动初速度、闸片压力、实制动时间、实制动距离、摩擦因数、闸片磨耗量、制动盘摩擦面的初始温度和制动过程中制动盘的最高温度。同时，记录试验过程中制动盘摩擦面和闸片有无热斑或热斑程度，有无裂纹、剥离凹陷、粘结剂渗出、金属镶嵌等缺陷，并记录噪声、烟尘、气味等情况。

台架试验数据表明：在各个试验工况下国产制动盘和闸片摩擦性能稳定；初始速度120 km/h时紧急制动距离均小于427 m；120 km/h的常用制动减速度≥1.07 m/s2；模拟运营试验数据，最高温度为261℃；平均静摩擦系数接近0.5。试验结束后制动盘与闸片无任何热斑、裂纹、划伤及金属镶嵌等制动盘损伤现象，1∶1制动试验后制动盘和闸片的状况见图5。

图5　国产制动盘与闸片试验后状况

为了更好掌握国产制动盘和闸片与进口件性能差别，进口制动盘和闸片也以相同的试验程序在试验台上进行了试验。对比试验数据如图6所示，国产制动盘和闸片，摩擦系数曲线平稳，无论是国产化整体制动盘还是国产化分体盘与国产化闸片相配的摩擦副进行试验的摩擦系数与国外同类产品相近。

图6　平均摩擦系统对比

5　装车试验及运营可靠性验证

国产制动盘和闸片通过1∶1制动动力台架试验，具备了装车试验条件。作为替代进口件而研发的国产制动盘与闸片必须通过装车试验来验证摩擦性能与制动系统的匹配性，并且摩擦性能必须满足列车的运营安全距离要求。装车试验完成后，车辆投入运营检验制动盘和闸片的可靠性，并统计制动盘和闸片的磨损情况。其中装车试验包括：制动初速度分别为40，60，80，120 km/h等级的紧急制动距离和最大常用制动（纯空气）制动距离测试以及列车自动驾驶停车对标精度试验。

5.1装车制动距离测试

制动距离是车辆性能的关键参数之一，也是车辆制动性能的具体表现。紧急制动距离为纯摩擦制动，其中初始速度120 km/h的紧急制动距离是车辆的安全距离，必须满足。常用制动（纯空气制动）是在切除电制动的条件进行的，验证电制动失效情况下，空气制动是否满足常规制动的要求。制动距离测试一般要求在平直干燥轨道上进行测试，如果没有符合条件的试验轨道，选用正线区间坡度较小的轨道进行测试，测试数据可依据E N 13452标准制动距离公式进行修正。

国产制动盘和闸片选用了广州地铁3号线029030车作为试验车，测试记录制动初速度分别为40，60，80，120 km/h等级的紧急制动距离和最大常用制动（纯空气）制动距离，试验数据见表3。试验数据表明，各个速度等级下制动距离均满足车辆制动系统的技术要求，初始速度120 km/h的紧急制动距离≤427 m，满足车辆制动安全性能要求。

5.2列车自动驾驶（A T O）停车对标精度试验

地铁线路区间短，停站次数多，车站安装了屏蔽门，列车进站停车要保证车门与屏蔽门对中，及时疏导乘客。因此，列车自动驾驶对停车精度要求较高，A T O停车对标精度检验了制动系统低速摩擦性能，对标精度越高，说明摩擦制动与A T O曲线越吻合。A T O对标精度试验，要求列车停站时测量车门门页中间点与屏蔽门门页中间点位置偏差，精度标准为±30 cm。此项测试在广州地铁3号线天河客运站至番禺广场站上下行16个车站开展，试验结果表明，安装了国产制动盘和闸片的车辆A T O停车对标精度满足运营要求，平均负偏差为-8 m m，正偏差为+4 m m，最大偏差为-20 cm。各站对标精度数据统计见图7。

5.3运营可靠性验证及磨耗统计

国产制动盘和闸片制动距离和正线对标精度满足要求后，列车投入正线载客运营服务，运营考核不少于6个月，运营里程不少于10万km。每月定期车辆并记录制动盘和闸片厚度，检查制动盘、闸片状况，跟踪统计制动盘和闸片的磨耗情况。广州地铁3号线车辆全为动车，采用架控制动控制，制动力实施平均分配，磨耗统计试验中，A车第一转向架保留进口制动盘及闸片，便于与国产件比较。2930车运营9个月，运用里程14万 km，磨耗对比数据见表4。

表3　制动距离测试数据

图7　对标精度数据统计

表4　制动盘磨耗率对比　（mm·（万km）-1）

通过磨耗统计和比较分析，国产制动盘磨耗率仅为进口件的20%，国产闸片磨耗率为进口闸片的62.4%。国产制动盘和闸片磨耗率均优于进口制动盘和闸片磨耗率。运营跟踪期间，制动盘和闸片安全可靠，没有发生裂纹和热斑等不良现象。

6　结束语

国产制动盘结构设计充分考虑运用维护方便，设计了分体式制动盘。制动盘材料选用蠕墨铸铁，制动闸片加入高性能复合材料，提高了制动盘和闸片的性能。研究试验表明，国产制动盘和闸片摩擦性能稳定，安装了国产制动盘和闸片的列车制动距离符合列车制动技术参数要求，A T O停车精度符合运营载客条件。运营考核过程中制动盘和闸片没有产生裂纹和热斑等不良现象，磨耗率优于进口产品，国产制动盘和闸片完全满足广州地铁3号线车辆制动系统性能要求。

［1］ 巫红波.盘形装置在广州地铁车辆上的应用［J］.铁道机车车辆，2010，30（5）：57-60.

［2］ 钱坤才.高速动车组用制动盘研究［J］.铁道车辆，2009，47（4）：18-21.

Research for Home-made Train Brake Disc and Pad of Guangzhou Metro Line 3

H O U Pinyang
（Guangzhou M etro Corporation，Guangzhou 510380 Guangdong，China）

By Structure design optimization and using vermicular castiron，ho me-made train brake disc and pad of Guangzhou metro line 3 are developed.Through test and verification，the brake friction performance of ho me-made brake disc and pad fully meet the requirement of 120 km/h metro vehicles.

120 km/h；metro train；brake disc；brake pad；ho me-made research

U239.5

A

10.3969/j.issn.1008-7842.2015.05.20

1008-7842（2015）05-0087-04

侯品杨（1982—）男，工程师（2015-05-14）