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闸瓦材料分析 1 闸瓦的种类 闸瓦是指制动时 压紧在车轮踏面上以产生制动作用的制动块 车轮使用的闸瓦可分为铸铁闸瓦和合成闸瓦 在铸铁闸瓦中 又可分为中磷铸铁闸瓦和高磷铸铁闸瓦 在合成闸瓦中 按基本成分 可分为合成树脂闸瓦和石棉橡胶闸瓦 按摩擦系数高度 又可分为高摩擦系数合成闸瓦和低摩擦系数合成闸瓦 简称高磨合成闸瓦和低磨合成闸瓦 中磷铸铁闸瓦 高磷铸铁闸瓦和低摩合成闸瓦 成为通用闸瓦 可互换使用 不可改变基础制动装置的结构 1 1铸铁闸瓦高磷铸铁闸瓦与中磷铸铁闸瓦相比较 主要是提高了含磷量 中磷铸铁闸瓦的含磷量为0 7 1 0 高磷铸铁闸瓦的含磷量为10 以上 高磷铸铁闸瓦的耐磨性比中磷铸铁闸瓦高1倍左右 运用实践表明 高磷闸瓦的使用寿命约为中磷闸瓦的2 5倍以上 高磷闸瓦还有一个特点就是制动时火花少 铸铁闸瓦的摩擦系数是随含磷量的增大而增大 故高磷闸瓦的摩擦系数大于中磷闸瓦 但含磷量过高将会增加闸瓦的脆性 当含磷量超过1 0 时 闸瓦如不加钢被 便有裂损的可能 所以高磷闸瓦闸瓦需采用钢背补强 1 2合成闸瓦合成闸瓦是采用黏合剂将增强材料和填料 三元体 黏结在一起 各自发挥在制动时的作用 直接与对偶件相互作用产生摩擦力 黏合剂主要包括酚醛树脂及改性物 天然及其人工合成橡胶 增强材料主要有石棉 钢纤维 铸铁纤维 人工合成纤维 天然纤维等 大部分无机化合物都能作为填料使用 发挥改善摩擦系数 温度 速度 曲线形状和稳定摩擦系数的作用 保证行车安全 平稳的摩擦系数及足够制动力 合成闸瓦 在高速时其摩擦系数降低较小 能维持足够的制动力 并可由调整材料配比研制出停车时摩擦系数较小的品种 使停车时较为平稳 使用寿命长 合成闸瓦的使用寿命随其成分及使用条件的不同而不同 但一般比铸铁闸瓦长3 10倍 因此 可以大大减少更换闸瓦的工作量 从而节省维修费用和闸瓦费用 重量轻 合成闸瓦重量仅为铸铁闸瓦的1 4 1 3 便于更换闸瓦 并减轻劳动强度 防止火灾事故 铸铁闸瓦的磨耗铁沫易坏机车车辆的电器设备及轨道回路绝缘 紧急制动中产生的红热铁沫火花 四处飞溅易引起沿线火灾 合成闸瓦在制动时没有或有很少的火花 有利于防止火灾 2 列车制动材料的选用分析 为满足列车制动需要 防止闸瓦早期失效 对闸瓦材料的要求是 合适且稳定的高摩擦系数 耐磨 热裂性能优良 制动火花少 目前用于闸瓦的制动材料可归类为铸铁闸瓦 合成闸瓦 粉末冶金闸瓦和复合材料闸瓦等4种 2 1 铸铁材料铸铁闸瓦在铁道车辆上使用已有百年以上的历史 铸铁制动材料的主要优点是 1擦系数受环境影响小而较为稳定 具有 全天候 运行特征 2导热性较好 对车轮热损害小 3可使车轮踏面粗化 从而获得较大的粘着力 减小车轮的机械擦伤 4坚固耐用 价格低廉 但普通灰铸铁 片状石墨 闸瓦的摩擦系数较小 且随摩擦速度的提升 摩擦系数迅速下降 在列车高速运行时尤为明显 故普通铸铁闸瓦一般多用于低速运行的客货列车 对高速列车闸瓦 可从提高铸铁的含磷量和加人少量合金元素两方面来改进其性能 实际上 现在使用的多种铸铁闸瓦 即是中高磷铸铁 含磷蠕墨铸铁 合金铸铁等长寿命的特殊铸铁闸瓦 铸铁的含磷量增加 组织中析出大量磷共晶 使闸瓦的摩擦系数提高 耐磨性改善 列车的制动距离也将缩短 如将含磷量从0 5 提高到3 0 质量分数 左右 闸瓦的摩擦系数提高了20 闸瓦的耐磨性也成比例地提高 制动距离可缩短30 一45 但磷增加了铸铁闸瓦的脆性 使用中不可避免地产生裂纹 故需采用闸瓦背来补强 即便如此 高磷铸铁闸瓦的耐热裂性仍较差 其摩擦系数随列车运行速度的提升而急剧下降的缺点未得到改善 2 2 合成材料由于铸铁闸瓦的摩擦系数在高速时迅速下降 故高速车辆制动闸瓦可采用合成材料 它是由有机树脂粘结剂 如酚醛树脂 金属或化合物粉末 如铁 铜 铅与氧化铁 氧化铝等 和摩擦润滑调节剂等经充分混炼后成型加工 焙烧而成 它将材料与制品工序合二为一 改变合成材料的配比 可使合成闸瓦获得不同的摩擦系数 我国目前研制的合成闸瓦分低摩擦系数合成闸瓦和高摩擦系数合成闸瓦 合成材料闸瓦的主要优点是 1 摩擦性能可按需要进行调整 2 耐磨性好 使用寿命长 3 节约铸铁材料 4 对车轮踏面的磨耗小 可延长车轮使用寿命 5 重量轻 一般只为铸铁闸瓦的1 2 1 3 6 可避免磨耗铁粉的污损及因制动喷射火星而引起火灾事故 并减轻对电气设备的不良影响 7 摩擦系数从比较平稳并能保证有足够的制动力 8 由于摩擦系数值可以充分提高 采用合成闸瓦与小直径的制动缸配套 可节约压缩空气 在高坡地区连续制动时可缩短再充气时间 提高列车在坡道地区运行的安全性 但合成材料闸瓦也存在不足 其一是材料的导热性差 制动时摩擦热量难以散发 因而车轮温度升高明显 甚至产生热裂 其次是在湿润状态下 摩擦系数显著下降 即列车制动受天气环境影响大 在雨雪天气制动能力下降 此外 合成材料闸瓦与车轮踏面反复磨合后 使二者间的粘着系数降低 导致列车制动时车轮滑行而引起踏面擦伤 合成材料闸瓦在高速列车发展的早期曾得到了广泛的重视与应用 如我国双层旅客列车上就采用了这种制动闸瓦材料 但因其在高温下磨损急剧增加 限制了合成材料闸瓦只能在一定范围内使用列车运行速一般不应高于200km h 其制动处温度一般不能超250 此外 合成材料闸瓦的 全天候 也不适应列车营运重载化的发展趋势 2 3 粉末冶金材料粉末冶金材料是以金属粉末为基体 适当添加摩擦剂 润滑剂等成分 通过压制成型 可控高温烧结 900 1050 而制得 粉末冶金闸瓦具有高而稳定的摩擦系数 耐磨损 导热性优良 抗热裂性好 雨雪天气环境下摩擦系数稳定等优点 其缺点是对车轮刮削倾向大 粉末冶金闸瓦不仅在质量与性能上有突出的优点 而且在组分设计 产品多样化上也极具灵活性 目前 粉末冶金闸瓦主要有铁基和铜基材料两大类 铜基粉末冶金闸瓦虽原材料贵重 但因其导热性极佳 本身抗热裂 且对制动盘和车轮的热按伤隐患小 故也具有较高的应用价值 为充分发挥粉末冶金材料的性能潜力 以铜铁镍合金为基体的粉末冶金闸瓦已在日本应用 其列车的运行速度可高达350km h 粉末冶金材料闸瓦2 4 复合材料为满足铁路营运高速化 重载化 车辆的轻量化以及在规定范围内刹车的要求 材料学家已研究 应用了新型复合材料闸瓦 主要有C C纤维复合材料和金属基复合材料 C C纤维复合材料是用碳纤维强化碳基体的复合材料 具有质轻 高强度 高模量 低热膨胀系数 高抗裂性和优良的耐高温性能 能在1000 温度下正常工作 它已在飞机和赛车上得到了广泛的应用 法国已在TGV高速列车上使用了这种复合材料制动装置 效果显著 金属基复合材料是以铝为基体 以均匀分布的陶瓷颗粒为强化相 它克服了铝材热稳定性差 耐磨性欠佳的缺点 具有较高的强度 优良的耐热性与抗裂性 3 结论 列车制动闸瓦工作失效主要形式为磨损 严重时为磨粒磨损和粘着磨损 在制动温度较高时 氧化磨损的作用也不可忽视 目前用于制动闸瓦的材料有铸铁 合成材料 粉末冶金材料和复合材料等4大类 将上述各种制动材料进行组合而获得优异特性也是今后闸瓦材质的发展方向之一 如在合成闸瓦中掺人铸铁片等闸瓦已有部分应用在选择应用闸瓦材料时应主要考虑列车运行速度和运行气候环境等两大因素 从铁路车辆运行高速化 营运重载化和车体轻量