纤维增强合成闸片摩擦磨损特性的试验研究

　　国内外高速列车普遍采用盘形制动方式,闸片与制动盘之间的摩擦磨损性能直接影响列车运行的安全性和舒适性[1, 2].盘形制动要求高而稳定的摩擦系数、良好的耐磨性和力学性能及优良的使用性能[3~8].自20世纪90年代我国开始运行速度120~160 km/h列车以来,为了满足列车的制动安全性要求,试制并筛选出HZ408合成闸片(双层客车)和HZ5445合成闸片(准高速列车)与H300低合金铸铁制动盘[8],但这些闸片能否满足更高速度下的制动要求还没有充分根据.因此,有必要发展更多的闸片材料[6~8].

　　国内外运行速度在120~200 km/h范围内的车辆多采用高分子树脂及多种纤维合成闸片[9, 10],这类材料具有较高速度下摩擦系数稳定及耐磨等特点.本文作者对新研制的纤维增强合成闸片和HZ408合成闸片与H300制动盘配副进行制动摩擦试验,重点分析了不同材料配副时的摩擦系数和磨损量与温度的变化规律,为研制新型闸片材料提供实验依据.

　　1　实验部分

　　1.1　试验材料

　　试验所用纤维增强合成闸片主要成分为酚醛树脂、矿物纤维、炭纤维和金属纤维等,按一定的配方和工艺制成.为了比较,采用目前铁路上使用的制动闸片HZ408作为对比试验材料.配副材料选用铁路制动盘使用的低合金特种铸铁[8].

　　1.2　试验方法及参数

　　采用MM21000型摩擦磨损试验机[9],闸片和制动盘试样均为外径75 mm,内径53 mm的圆环,两端面用磨床磨削平整.试验前,低速磨合摩擦面使之达到80%以上的贴合程度. 2个试环构成1对摩擦副,动环由制动盘材料制成,与驱动主轴通过键槽连接,随主轴及惯性飞轮旋转到设定速度后脱开驱动马达,接通刹车压力,使之与静试环(由闸片材料制成)相对滑动产生摩擦而实现刹车制动.通过测量摩擦制动力矩计算得到制动摩擦系数,摩擦系数和温升(制动中材料的最高温度与制动前的温度差)为3次测试结果的平均值.采用精密电子天平测量磨损量,测量精度为0. 01 mg,取30次制动测试结果的平均值作为磨损量.根据单位面积摩擦功相等、摩擦半径处线速度相等和单位面积制动压力相等的原则设计制动摩擦试验.通过计算取惯性飞轮的转动惯量为0. 31 kg·m2.试验参数如下:表面接触压力0. 6MPa,制动初速度分别为1 000 r/min、1 500 r/min、2 000 r/min、2 500 r/min、3 000 r/min、3 500 r/min、4 000 r/min、4 500 r/min和5 000 r/min.每档速度制动3次,实际计算从制动缸压力由0上升到95%时开始算起,每次制动前试样温度低于40℃.

　　1.3　试验数据测量及处理方法

　　采用应变片配动态应变仪测量制动力矩,采用转速测量仪的变送信号测量制动转速的变化,采用高速动态数据采集系统进行数据采集.另外,采用热电耦配温度显示仪测量静试环的温度变化(温升),热电耦与摩擦面的距离为0. 5~1. 0 mm.试验中测得的摩擦力矩曲线经过降噪处理后得到所需摩擦力数据.利用制动过程中摩擦功等效原理计算距离平均摩擦力F,然后计算距离平均摩擦系数μ.采用激光共焦扫描电子显微镜(CLSM)对磨痕表面形貌进行观察分析.