（机械设计及理论专业论文）铁道制动材料的测试分析和性能研究.pdf

摘要 摘要：随着我国铁路安全、重载、提速、高速计划的实施，铁路制动材料已经成 为铁路机车车辆制动系统的重要组成部分，关系着铁路运输安全及成本。本论文 针对新型高摩合成闸瓦使用现状和发展要求，在调研了大量现场使用情况、查阅 和分析国内外文献的基础上，通过理论和试验研究，建立了一套科学合理的铁道 制动材料的综合评价体系，对快速有效判断制动材料的真正品质，避免对车轮产 生热损伤，指导配方和工艺研究，满足行车要求，提高经济效益具有重要的指导 和现实意义。 本论文主要从以下几个方面进行探讨和系统研究： 通过台架试验，定量研究了不同热效应、压力、速度、接触面积对两种基体 合成制动材料摩擦特性的影响，应用t g a 、x p s 、s e m 等先进检测手段表征了不 同能量下的摩擦面形貌和性能，找到了测试条件对合成制动材料摩擦特性影响的 内在规律；用高分子热滞后理论解释了其摩擦系数波动的原因，将界面膜理论引 用到合成制动材料的研究当中，建立了演变模型。 系统研究了金属镶嵌、异常磨耗、热裂纹等热损伤现象，分析了产生的条件 和形成的机理，提出了减少和防治的措施办法，设计并制定了快速有效预检各类 热损伤现象的试验程序及工装。 基于合成制动材料摩擦特性和热损伤性能研究，结合我国铁路的实际运行情 况，建立了高摩合成制动材料评价标准体系，规范了配方及检测应遵守的原则， 让标准更贴近实际，使之与国际接轨。 对全文进行了总结，同时展望了后续研究方向。 关键词：合成制动材料；摩擦；磨损；热损伤；评价标准 分类号：t p 3 1 2 a bs t r a c t a b s t r a c t ：a l o n gw i t ht h ea p p l i c a t i o no ft h er a i l w a ys e c u r i t y , h e a v yl o a d , s p e e d i n c r e a s i n ga n dh i 曲s p e e dp l a n ，t h er a i l w a yb r a k i n gm a t e r i a lb e c o m e st h ei m p o r t a n tp a r t o ft h er a i l w a yl o c o m o t i v ea n dv e h i c l es y s t e m ，r e l a t i n gt ot h er a i l w a yt r a n s p o r t a t i o n s e c u r i t ya n dc o s t t h ea r t i c l ea i m sa tt h ec o n d i t i o na n dd e v e l o p m e n tr e q u i r e m e n to ft h e n e wt y p eh i g hf i i c t i o nb r a k eb l o c k , b e i n gb a s e do na m o u n to fa p p l i c a t i o nc o n d i t i o n , l o o k i n gu pa n da n a l y z i n gd o m e s t i ca n da b r o a dl i t e r a t u r e ，s t u d y i n go nt h e o r ya n dt e s t , s e t t i n gu pac o m p o s i t es c i e n t i f i ce v a l u a t i o ns y s t e mo nr a i l w a yb r a k i n gm a t e r i a l i t m a k e sg r e a ts e n s et oe s t i m a t et h eq u a l i t yo ft h eb r a k i n gm a t e r i a la n da v o i d st h eh e a t d a m a g et ot h er e e l ，g u i d i n gt h er e c i p ea n dp r o c e s ss t u d ya n dm e e t i n gt h et r a n s p o r t a t i o n r e q u i r e m e n ta sw e l la si m p r o v i n gt h ee c o n o m yb e n e f i t t h ea r t i c l es t u d i e sa n dr e s e a r c h e so nt h ef o l l o w i n g a s p e c t s ： b ym e a n so fb e n c ht e s t , t h ea r t i c l eq u a n t i f i c a t i o n a l l ys t u d i e st h ee f f e c to nf r i c t i o n a n da b r a s i o nc h a r a c t e r i s t i c sd u et od i f f e r e n th e a te f f e c t , p r e s s u r e , v e l o c i t y 勰w e l la s f r i c t i o ns u r f a c ea n dd e m o n s t r a t e st h ef r i c t i o ns u r f a c ea n dc h a r a c t e r i s t i e sw i t ht h e a d v a n c e dt e s tm e a s u r e ss u c ha st g a 、x p s 、s e m t h el a wt h a tt e s tc o n d i t i o nt ot h e c o m p o s i t eb r a k i n gm a t e r i a lc h a r a c t e r i s t i cw a sf o u n d t h er e a s o nf o r t h ef r i c t i o n c o e f f i c i e n tf l u c t u a t i o nw a se x p l a i n e db ym a c r o m o l e c u l eh e a tl a gt h e o r ya n dt h es u r f a c e f i l mt h e o r yw a si n t r o d u c e dt ot h es t u d yo nc o m p o s i t em a t e r i a la sw e l la st h er e v o l u t i o n m o d e lw a ss e tu p t h es y s t e ms t u d i e do nm e t a ls t u d , a b n o r m a lg r i da n dh e a tc r a c ka sw e l la sa n a l y s i s o ft h ep h e n o m e n ac o n d i t i o na n dm e c h a n i s m t h em e a s u r et or e d u c ea n da v o i dt h e d a m a g ew a sa d v a n c e d t e s tp r o c e d u r ea n de q u i p m e n tt or a p i d l ya n de f f i c i e n t l yp r e - t e s t a l lt y p eo fh e a td a m a g ew a sd e s i g n e da n dd e t e r m i n e d b a s e do nt h es t u d yo nc h a r a c t e r i s t i c so ft h ec o m p o s i t eb r a k i n gm a t e r i a la n dt h e h e a td a m a g ef e a t u r e ，c o n s i d e r i n gt h er a i l w a yt r a n s p o r t a t i o nc o n d i t i o n , t h eh i g hf r i c t i o n c o m p o s i t eb r a k eb l o c ke v a l u a t i o ns y s t e mi sa d v a n c e d t h ep r i n c i p l et h a tr e c i p ea n dt e s t m u s to b e yi ss t a n d a r d i z e ds ot h a tt h es t a n d a r di sm o r ec l o s et ot h er e a l i t ya n d i n t e g r a t e d i n t ot h ei n t e r n a t i o n a lo n e a c o n c l u s i o nt ot h ew h o l ea r t i c l ei sm a d e i nt h es a m et i m e ，t h ep r o c e e d i n gs t u d yi s e x p e c t e d k e y w o r d s ：c o m p o s i t eb r a k i n gm a t e r i a l ；f r i c t i o n ；a b r a s i o n ；h e a td a m a g e ；e v a l u a t i o n c r i t e r i a c i 。a s s n o ：t p 3 】2 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) ) 学位论文作者签名2 獬巧， 签字日期：炒君年c , 9l 乙日 导师签名： 如j 么 0 签字日期：弘畸舻年厶月，2 日 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：签字日期：切占年石月1 2 _ 日 致谢 本论文的工作是在我导师杜永平教授悉心指导下完成的，杜永平教授严谨的 治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。导师不遗余力的谆谆教诲 和悉心指导使得我的专业水平和科研能力得到了进一步的巩固、拓展和提高，为 我以后的学习和工作奠定了良好的基础。导师学术上博学严谨、高度敏锐、深邃 的洞察力和高屋建瓴的哲学思维；待人谦逊温和、平易近人、循循善诱，是我学 习的楷模并将让我终生受益。在此衷心感谢两年来导师对我的关心和指导。 感谢铁科院摩擦材料学术带头人裴顶峰博士在学习和生活中给予我的极大关 心和帮助，从论文的选题、制定实验方案、实验过程中各种问题的讨论和解决， 直至本论文的写作都给予了详尽的指导，并倾注了大量的心血，在此向裴博士表 示衷心的谢意。 在整个论文的工作过程中，铁道部装备部、齐齐哈尔车辆厂、四方车辆研究 所、铁科院机辆所及全路2 3 家闸瓦生产厂的相关专家对现场使用情况的分析和讨 论给了我很大的启发。铁科院金化所党佳、兰铁修配段胡兰江等同志对我论文中 的试样制备及现场调研给予了热情帮助，在此向他们表达我的感激之情。 特别感谢兰州铁路局兰州车辆修配段赵恒宇段长，对我全力而无私的支持和 帮助；感谢我的家人，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学业。感 谢他们的关心和默默无闻的帮助使我走到了今天。 再次向所有支持、关心和帮助过我的人表示衷心的感谢，祝福大家健康、快 乐! 作者：魏儒东 2 0 0 8 年6 月于红果园 1 绪论 随着我国国民经济的高速发展，铁路运输量的日益增长，技术装备的跨越式 发展，列车时速的不断提升，使得列车动能成倍的增加，为保证其运行安全，对 列车制动装置及制动材料的制动性能也提出了更为严格的要求。在列车制动装置 中主要有粘着和非粘着两种类型的制动方式，尤以粘着为主的摩擦制动应用最为 广泛，摩擦制动又分为踏面制动和盘形制动，分别采用闸瓦和闸片进行制动。 铁道制动材料是摩擦制动装置上的关键性部件，它最主要的功能是通过摩擦 来吸收动能，将列车的动能转变为热能，消散于大气中，最终使列车能够安全可 靠地工作。据统计，我国每年各种车辆因制动失灵造成的事故损失平均约为十亿 元，可见制动材料及其结构已成为制约铁路工业发展和上水平、上档次的技术障 碍之一。 近年来国内外制动材料行业的生产、技术和市场情况也发生了重要变化，使 制动材料面临着更加严峻的形势。 1 1 铁道车辆制动材料的发展简史 自从有铁路以来，摩擦制动方式就一直被沿用下来，随着铁路的大提速，技 术装备的大发展，制动材料的种类也出现了多样化、系列化，到目前为止大体分 为以下几种：铸铁材料、合成材料、粉末冶金材料、炭基及陶基材料。 1 1 1 铸铁制动材料 早期铁路用的制动材料就是取用当时马车上用的木瓦，但很快就被铸铁制动 材料代替了。铸铁制动材料价格便宜，易于冶炼成形，并且对车轮钢本身的损伤 很小，其摩擦系数不受雨、雪的影响，它不管在什么样的气候条件下，都具有稳 定制动性能。铸铁制动材料适用于较低速度的摩擦制动，随着运行速度的提高， 由于铸铁制动材料温度的剧升，使轮瓦间的摩擦系数大幅度地下降。铸铁制动材 料在高速时摩擦系数很小而在低速时又急剧增大，这使它不能在任何速度下产生 粘着系数所允许的制动力，因而使制动效能降低，制动距离延长。另外，铸铁制 动材料容易磨损，更换周期短，劳动强度大。由于铸铁制动材料制动易产生火花， 不能在森林区域使用n 刊。目前，为了有效地利用铸铁制动材料在雨雪天气不会增 大制动距离而且制动时不易发生车轮滑行( 轨道与车轮间的粘着系数大) 等优点， 日本的研究人员力求提高铸铁制动材料的耐磨性和摩擦系数，成功开发了合金铸 铁制动材料，实现了“北斗 特快和“白箭 特快时速为2 3 0 公里d , 时运行速度 的制动要求，延长了制动材料寿命，降低了运输成本舯1 。 1 1 2 合成制动材料 合成制动材料的材质包括粘合剂、增强材料、填料三个方面。即采用粘合剂 将增强材料和填料粘结在一起，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。所用的粘合剂主要有酚醛树脂及其改性物、天然及其人工合成橡 胶；所用的增强材料主要有石棉、钢纤维、铸铁纤维、人工合成纤维、矿物纤维、 天然纤维等；大部分无机化合物都作为填料使用，在粘合剂增强材料体系中稳定 摩擦因数速度曲线，从而保证行车安全。一般分为：石棉有机、半金属、非石棉 及混杂纤维制动材料。 1 1 2 1 石棉有机制动材料 2 0 世纪的2 0 - 8 0 年代，石棉有机制动材料几乎是一统天下。从1 9 7 2 年国际肿 瘤医学会确认石棉及高温挥发物属于致癌物后，国际上掀起一股禁止使用石棉制 动材料的浪潮，美国职工安全与保护研究所( n i o s h ) 把石棉列为8 6 种主要工业原 料中十个强致癌原料之一。此外，随着铁路装备的重载、高速的计划实施，使制 品表面温度达3 0 0 - 5 0 0 。石棉摩擦材料导热性和耐热性差，在4 0 0 左右将失去 结晶水，5 5 0 时结晶水完全丧失，已基本失去增强效果。石棉脱水后会造成摩擦 性能不稳定、工作层材料变质、磨损加剧，出现明显的“热衰退 现象【7 j 。很显然， 石棉有机摩擦材料已不适应现代工业和社会发展需求，将逐步被新材料所取代。 虽然石棉有机摩擦材料对人体健康和环境污染有害，但到目前为止还很难找到一 种能够完全替代石棉的增强纤维，加之非石棉纤维还存在着混合性不好、易断、 结团、分散性差、价格偏高、制品性能稳定性差等问题。因此在一定时期内，特 别是对我国这样的发展中国家来讲，石棉有机摩擦材料仍将继续使用。 1 1 2 2 半金属制动材料 以钢纤维或金属粉( 铸铁粉、海棉铁粉、还原铁粉) 代替石棉纤维，是7 0 年代 初美国本迪斯公司开发的无石棉摩擦材料【8 】。半金属摩擦材料具有如下主要特点： 摩擦系数在4 0 0 。c 以下非常稳定，不产生热衰退，热稳定性好；耐磨性好，使 用寿命是石棉摩擦材料的3 5 倍；在较高负荷下具有良好的摩擦性能，摩擦系数 稳定；导热性好，温度梯度小，特别适合载重大、速度要求高的机车车辆使用； 制动噪音小。到7 0 年代末，使用中发现半金属摩擦材料存在如下缺点：钢纤维 容易生锈，锈蚀后易出现粘着对偶或损伤对偶，使摩擦片强度降低，磨损加剧， 摩擦系数稳定性变差；由于半金属摩擦材料热传导率高，当摩擦温度高于3 0 0 0 时，一方面易于使摩擦材料与钢背间粘结树脂分解，加之温度差引起热应力甚至 出现剥落、掉块现象；另一方面大量的摩擦热迅速传递到制动机构，导致密封圈软 化和制动液发生气化而造成制动失灵；半金属摩擦材料虽然消除了石棉摩擦材料 容易产生的高频噪音，却易产生低速下的低频噪音。半金属摩擦材料的组成是决 定其摩擦学特性的主要因素。有学者将模糊优化技术应用于半金属摩擦材料配方 的优化设计和综合评价中【9 1 。在组成半金属摩擦材料的组分中，粘结剂、增强纤维 和填料是主要成分。因为酚醛树脂耐热性、成型加工性和成本方面都比较优越， 因而是目前广泛使用的粘结剂。文献【l o 】也报道了使用橡胶与酚醛树脂共混物作为 粘结剂所获得的良好效果。至于用硅树脂、聚酰亚胺树指、邻二甲酸二烯脂等树 脂作为粘结剂还处在研究阶段【1 1 1 。半金属摩擦材料使用的增强纤维主要是钢纤维 和铜纤维，也有使用灿2 0 3 、s i 0 2 等陶瓷纤维和碳纤维。虽然钢纤维有一定的缺点， 但在认真设计下仍可满足现阶段使用要求。目前，国内许多厂家已开始批量生产 钢纤维，其价格也降至每吨约6 0 0 0 元。生产的半金属制动材料在s s 电力机车等 多种车型上得到应用【l 。2 。 1 1 2 3 非石棉制动材料及混杂制动材料 近2 0 年的研究绝大部分集中在非石棉有机摩擦材料方面。在代替石棉的纤维 中，除了钢纤维外，目前比较多见的有：玻璃纤维、芳纶纤维以及这些纤维相混 合的混杂纤纠d j 。 ( 1 ) 玻璃纤维增强非石棉制动材料 玻璃纤维的特点是硬度高、热稳定性较好、与树脂亲和性好、价格低廉。玻 璃纤维发展历史较长，其表面处理工艺和粘结剂的研究已比较成熟。因此，玻璃 纤维是早期无石棉摩擦材料中使用较多的纤维，以玻璃纤维为增强材料的无石棉 摩擦材料已在铁道车辆工业的一定范围内得到应用。玻璃纤维增强的有机摩擦材 料的摩擦学特性主要取决于纤维的机械物理性能和摩擦条件。v i s h w a n a t h d 4 i 等的研 究表明，其摩擦系数和磨损率受法向载荷滑动速度的影响较小。熔融的聚合物聚 集于玻璃纤维的端部并有变黑的现象，表明了粘结剂在摩擦过程发生熔融和聚集， 从而对摩擦材料的摩擦学特性产生影响。表面粗糙度、载荷和滑动速度是影响其 摩擦磨损特性的主要因素。环氧树脂、聚醛树脂、p e e k 和p b t 为基体的玻璃纤 维摩擦材料都表现出很高的磨损率，有的甚至超过未增强材料的磨损率。一般认 为，造成高磨损率的原因是由于玻璃纤维的热传导率很差，从而使摩擦表面和次 3 表层的温度很高且具有极高的温度梯度，聚合物在此高温下软化和分解使纤维和 基体的粘结程度减弱。除此之外，玻璃纤维硬度过高而塑性极差也是造成高磨损 率的原因之一，同时也会对偶件产生擦伤和磨损。有人认为玻璃纤维摩擦材料摩 擦磨损特性对载荷、滑动速度及制动温度等因素反应敏感，在重载高温下，摩擦 系数波动较大，稳定性较差【l5 1 。玻璃纤维摩擦表面形成的由无机填料、玻璃纤维 材料、铁或碳组成的转化膜是引起热衰退的重要原因。这层转化膜极不稳定，一 般在低温下滑动1 2m i n 就会被破坏从而造成摩擦系数的不稳定。降低玻璃纤维的 硬度和采用适当的改性树脂可以改善玻璃纤维摩擦材料磨损率大及热稳定性差等 缺剧1 6 1 7 】。单一的玻璃纤维作为增强材料的摩擦材料很难满足高速制动下的高温 摩擦学性能要求。 ( 2 ) 芳纶纤维增强制动材料 芳纶纤维是一种芳族酰胺有机人造纤维，其一般特征是具有相当高的强度、 中等的模量、很小的密度、耐磨、耐热、高温下尺寸稳定好。其主要特征是在非 复合形式下具有高韧性，没有碳纤维与玻璃纤维所呈现的脆性，因此非常适合于 作高温高速摩擦下工作的摩擦材料，也是最有希望取代石棉成为下一代摩擦材料 的增强材料。用于摩擦材料的k e v l a r 纤维主要有6 1 3m i l l 的短纤维和2 5i m 的 浆粕形式的纤维。l o k e n y i l8 】针对k e v l a r 纤维在搅拌中容易结团、难以分散的问 题进行了研究，结果表明，搅拌混合有一最佳时间，搅拌时间过长反而会引起结 团而造成纤维在混合物中的不均匀分散。对不同长度、形态及排列方向的模压 k e v l a r 摩擦材料试验研究表明：k e v l a r 增强的摩擦材料具有较高的摩擦系数，而 其耐磨性好于石棉摩擦材料，特别是高温下具有和半金属摩擦材料相近的耐磨性。 摩擦材料中k e v l a r 的含量会对其摩擦学特性产生较大的影响。t a k a h i s a k a t o 1 9 】 等人的研究认为，摩擦材料的硬度和导热率随k e v l a r 含量的增加而线性减少，当 k e v l a r 的含量超过1 0 时，摩擦系数降低5 0 ，磨损率降低一个数量级，但k e v l a r 含量继续增加，摩擦系数基本保持不变，而磨损率随k e v l a r 含量增加而继续下降， 当摩擦材料中k e v l a r 含量达到4 0 时，其磨损率仅是不含k e v l a r 材料的1 1 0 0 ， 这表明，k e v l a r 的加入极大地提高了摩擦材料的耐磨性，但其摩擦系数也随之下 降。尽管芳纶纤维增强的摩擦材料具有极明显的耐磨性优势，并且在行车试验中 也得到了令人满意的结果，但由此引起的摩擦系数的降低却是汽车摩擦材料所不 希望的。b f i s e o e 2 眦3 】对k e v l a r 增强的摩擦材料作了较系统的研究指出：芳纶纤维 增强的摩擦材料，在摩擦过程中产生的润滑膜与摩擦界面的温度有密切的联系。 1 1 3 粉末冶金制动材料 4 粉末冶金制动材料的使用温度较高，当制动温度达到5 0 0 c 时，它仍能保持较 小的磨损率和较优良的摩擦特性，对制动盘的热影响较小，并能保证列车在恶劣 气候条件下( 雨、雪天气) 安全运行。日本、德国和法国高速列车上均采用了粉末冶 金制动材料。用于制动材料的烧结金属材料按基体材料可分为铁基烧结金属和铜 基烧结金属。铁基烧结金属制动材料的摩擦系数与铸铁制动材料相似，但在低速 时磨耗量相当大，而铜基烧结金属制动的摩擦系数在低速时高，在高速时低，磨 耗量在高速时不增加。虽然铜基材料成本较高，但其摩擦、磨损性能及对制动圆 盘的热影响都优于铁基材料，日本、德国和法国等国家的高速列车现在一般采用 铜基粉末冶金制动材料。早期开发的粉末冶金制动材料的使用速度极限为 2 4 0 k m h 。近几年来，随着列车的进一步高速化，制动不断向小型化和轻量化发展， 制动材料需要吸收的制动能量越来越大，为了满足这些要求，又开发新型的粉末 合金制动材料。新研制的粉末合金制动的使用速度极限可达到3 5 0 k m h ，并且摩擦 系数非常稳定【2 4 】。国内在粉末冶金制动材料的研究和制动应用也取得了不菲的成 绩，如中南大学成功研制出适用于s s 9 、s s l l 的铁基电力机车制动材料和适用于 “中华之星一动车组的i 、i i 、i i i 型制动材料，已经过现场装车考验；北京、兰州 交通大学、中科院、山东大学等关于提速列车粉末冶金制动材料的研制也取得了 不错的成绩。另外国内刚刚运行的动车组部分采用铜基粉末冶金制动材料，每片 进价4 0 0 0 多元，面对国内市场的需求，急需我们研制出满足列车提速性能的国产 化替代产品。 1 1 4 炭基、陶基制动材料 碳纤维有机摩擦材料的突出优点是其高温摩擦稳定性好、耐磨。因此作为摩 擦材料常用在飞机刹车和赛车制动器上。碳纤维有机摩擦材料的研究已有多年， 但结论却并不一致。g i l t r o w j p t 2 5 】认为，碳纤维的类型( 高模量和超高模量) 对摩擦 材料的摩擦磨损特性有较大的影响，而纤维的排列方向和摩擦过程中界面第三体 对摩擦系数和磨损率影响甚小。 自2 0 世纪9 0 年代中期以来，国外在铁路高性能制动材料的应用研究明显加快， 其政府资助炭纤维制动材料研究和企业斥巨资开发新产品的报道频频出现，这期 间炭纤维制动闸片的专利申请大量增加。国外炭纤维在列车方面的应用势头更为 迅猛。德国k n o o rb r e m s e 公司在1 9 9 5 年获得政府基金资助并得到联邦铁路部门支持 研制了炭纤维复合材料盘式制动装置，试验证明在3 5 0 k m h 下制动时质量尚好啪1 。 法国研制的“s e p c a r ds a 3 d 炭炭复合材料盘型制动器，可吸收制动功高达9 0 k j ， 目前已在t g v a 和t g v p s e 列车上试用。日本新干线3 7 0 k m h 动车制动系统也 采用了炭纤维增强材料口引。 另外陶瓷材料由于高强度、耐高温、耐腐蚀、耐磨损等优点，发达国家尝试 将其制成制动材料应用与高速、重载列车上，取得了不错的效果，也将是今后发 展方向。 1 2 铁道合成制动材料的发展概况 铁道车辆合成制动材料的研制与试验经历了漫长的岁月。从上世纪4 0 年代开 始，很多国家都开始了合成制动材料的研究工作，我国的合成制动材料研究起步 较晚，始于1 9 5 8 年，大致经历了三个阶段：石棉合成制动材料、n a o ( 无石棉摩 擦材料) 型合成制动材料、适用于快速、重载的高摩合成制动材料。 1 2 1 石棉合成制动材料 在发展合成制动材料的过程中，各国都走过了一条漫长的道路。由于各国情 况不同，进展也不一样，但存在的问题基本相同。初期研制的合成制动材料存在 车轮的热损害。如：原苏联从1 9 6 1 年起在很多车辆上都装用合成制动材料，特别 是德聂伯罗夫斯克一莫斯科间1 5 1 6 次快车，在1 9 6 2 - - 一1 9 6 5 年间使用合成制动材 料曾引起严重的轮箍裂纹，不少裂纹扩展到很深的程度( 1 0 - 1 2 豪米) 、日本也 发生过类似问题，1 9 5 9 年4 月，在大井叮线由删1 型3 辆车编组的列车上，有一辆车 装有合成制动材料，进行比较试验发现了擦伤和鳞状剥离现象，后因发生了制动 材料脱落事故而停止使用【l “】。 合成制动材料对车轮的热损害的本质并非是其散热性问题，真实接触面积是 影响车轮热损伤的关键因素，真实接触面积越大，摩擦制动对车轮的热影响越小。 7 0 年代初，各国的研究人员将材料进行改性，使其弹性模量降低，增加了制动过 程的实际接触画积，基本上消除了车轮的热裂纹问题，使合成制动材料的用量不 断增大。 美国考布拉合成制动材料使用得最为广泛，7 0 年代开发的新型w 一2 9 2 号材料 在雨雪天气下摩擦系数约降低1 0 ，在- 4 0 c 时进行停车试验没有发现摩擦系数降 低，车轮的磨耗很小。1 9 6 4 年使用考布拉合成间瓦的车辆仅有3 8 0 0 0 辆，1 9 7 0 年增 至3 6 8 0 0 0 辆，而1 9 7 7 年增至7 5 3 0 0 0 辆【l 6 j 。 日本有七家公司研制和制造合成制动材料，7 0 年代，日本铁道技术研究所认 6 为日本合成制动材料在摩擦系数特性和耐磨性方面已基本能满足要求。据1 9 7 4 年 报导，使用高摩擦系数合成制动材料的机车车辆已达1 3 0 0 0 余辆( 其中动车组5 6 0 0 辆，客车9 5 0 辆，另外还有电力机车和内燃机车也装用合成制动材料) ，截至1 9 7 6 年已增加至i l j l 7 8 1 0 辆【l 6 j 。 在国际铁路联盟会员国中，1 9 6 2 年仅英国、瑞典等六个会员国的铁路采用高 摩合成制动材料，装用在车数仅7 9 6 0 辆，1 9 7 2 年发展到英、法、西德、东德、瑞 典、意、奥、比、芬、瑞士和伦敦运输局等1 1 个会员国，有机车、客车、货车和 动车总共2 0 2 8 0 辆采用合成制动材料，其中高摩擦合成制动材料有1 6 9 1 9 辆，低摩 擦合成制动材料3 3 6 1 辆，1 9 7 4 年又扩大至l j l 8 个会员国。据1 9 7 8 年资料报导，欧洲 已有2 0 新造的现代联运货车采用高摩擦合成制动材料【1 6 1 4 】。 我国1 9 5 8 年开始研制和试验合成制动材料，1 9 5 8 - - - 1 9 6 7 年以含石棉高摩合成 制动材料为主，使用后发现制动材料摩擦表面上镶嵌有金属粉末，有的车轮踏面 发生了微细裂纹且耐磨性差故未能推广使用。从1 9 7 1 年开始，为使新式制动材料 适应我国大多数车辆现有制动机状况，用合成闸瓦直接代替铸铁制动材料，开始 了含石棉低摩合成制动材料的研制工作。与铸铁制动材料相比，新研制的低摩合 成制动材料具有使用寿命长，瞬时摩擦系数稳定，制动几乎无火花等优点，这些 优点主要来自于它复杂和精细的配方。但是，在1 9 7 4 和1 9 7 5 年部分石棉厂生产的 有石棉低摩闸瓦对车轮造成明显的热斑和热裂纹，对此，1 9 7 5 年铁道部科技司立 项，由铁科院负责对“热斑和热裂 组织攻关【2 9 1 。经过深入的研究此项工作于第 二年完成，后经三年的现场考核，于1 9 7 9 年通过部级鉴定，命名为“4 2 型石棉低 摩合成制动材料 并在全路推广。 在含石棉合成制动材料的研制阶段，我国基本上与国外的研究水平同步。 1 2 2 n a o 型合成制动材料 自从1 9 7 2 年国际肿瘤医学会确认石棉属于影响人体健康的致癌物质，以及后 来美国职工安全和保护国际研究所把石棉列为1 0 种强致癌工业原料之一以后，国 际上掀起了排除石棉、不使用石棉的浪潮。一些国家，纷纷采取紧急措施，严格 规定摩擦材料制造厂家环境空间的石棉粉尘标准。同时，一些国家提出禁止使用 含石棉摩擦材料的年限，因此必须寻找一类新型的高性能材料来取代石棉。 发达国家对环境保护的法律法规制定的较早，而且比较严格，加快了无石棉 摩擦材料研究开发的速度。如原联邦德国研制出t 5 2 5 型无石棉合成制动材料，适 用于2 0 0 i m h 的踏面制动，并认为它即使在潮湿和有雨雪的条件下也具有较稳定的 7 摩擦系数，耐磨性好并且对车轮的磨损极小，同时制动噪声较小。 英国于8 0 年代开发t t b l 6 9 4 无石棉低摩合成制动材料，可直接替代铸铁制动 材料，比铸铁制动材料的寿命长2 6 倍，对车轮磨损小，并且在钢轨的干湿条件 下都具有稳定的摩擦系数。1 9 8 0 年以后其用量每年增长3 0 ，之后又研制出t b l 9 0 2 型适用于2 0 0 k m h 、t b l 8 0 4 型专用于2 4 0 k m h 高速铁路的踏面制动材料。 在合成闸片方面，法国在t g v - p s e 列车上开始使用无石棉合成制动材料；日本 1 9 8 7 年开始研制无石棉合成闸片，并于1 9 9 1 年3 月开始生产，具有极好的耐磨性能 和稳定的摩擦系数【9 】。另外，在不断提高合成闸片的摩擦磨损性能的同时各国展开 了对2 0 0 l ( i i l h 以上高速列车制动无石棉合成闸片的研制。9 0 年代初，德国研制出 b e c o r i tg 8 型无石棉合成闸片，可以长时间经受5 0 0 的高温。2 0 0 0 年初，德国 k n o r r - b r e m s e 公司研制出了铝合金制动盘配套的新型无石棉合成闸片，其适用于 制动初速度为2 8 0 k m h 2 2 1 。 为了跟踪国际先进技术，同时取缔有害物质一石棉，从8 0 年代起，铁科院金 化所开始研制无石棉低摩合成制动材料，到9 0 年代初在4 - 2 型有石棉低摩瓦的基础 上研制了4 2 w 无石棉低摩瓦，9 7 年通过部级认证【3 0 】。它适用于1 4 0 k m h ，具有高的 耐磨性，并对车轮无不良损伤。根据目前的资料报道，在无石棉低摩合成制动材 料方面，我国的4 - 2 w 型制动材料的耐磨性优于国外配方。在8 0 年代，我国同时研 制出了用于大秦线列车上的t k 8 1 和4 0 7 g 高摩瓦【3 l 】，基本上解决了对车轮有危害的 金属镶嵌现象。在客车闸片方面从1 9 8 5 年立项研制了h 3 0 0 s t j 动盘和h z 4 0 8 型高摩合 成闸片，经过三年的运行考验，达到了预期的目的，后又研制出了h 3 0 0 s t 动盘和 h z 4 0 8 a 型合成闸片，通过了部级鉴定，为以后准高速客车和全国范围内的几次大 提速奠定了基础。 总体上讲，发达国家的准高速和高速列车发展很快，促进了合成制动材料的 研究和开发，而我国的列车提速从9 0 年代刚刚开始，对高速制动用无石棉高摩合 成制动材料的研究处于起步阶段。随着提速列车的不断扩大，我国在这方面的研 究将不断加强。 1 2 3 快速、重载高摩合成制动材料 随着中国经济的飞速发展，货物周转量的逐渐加大，在即有线路上既要开行 客车又要增大货物运输量，中国铁路货车只能走重载、快速的发展之路。重量和 速度的增加将使列车的动能成倍和平方级的增加，这对制动单元体的合成制动材 料提出了更新的要求。而国外铁路因路网发达、线路实行客货分体运行，仅靠增 加运输车辆就能解决这些问题。 为此，铁道部科技司和运输局于2 0 0 1 年8 月2 8 2 9 日，在眉山车辆厂组织召 开“提速、快速货车制动系统配置及改造方案论证会【3 2 】 ，对高摩擦合成制动材 料提出了新要求：“在维持制动参数不变的情况下，保证1 2 0k m h 快速货车在11 0 0 米距离内停车 ，摩擦系数在原有普通高摩合成制动材料的基础上增加2 5 。由铁 科院金化所牵头研制。兰州车辆修配段配合金化所于2 0 0 3 年初首家研制出了适用 于此标准的h g m - b 型新型高摩合成制动材料，并在线路上进行了半年的考验。同 年机辆所h g m a 型配方也研制成功，铁道部对这两个配方体系各进行了3 6 万公里 的铁道环形线认可试验 3 3 】后在全路推广使用。自此全路5 0 多万辆提速货车转向架 改造也拉开了帷幕，新型的高摩合成制动材料将逐渐取代原有的系列合成制动材 料，适应铁路的跨越式大发展。此产品在推广使用中某些厂家生产的新型高摩合 成制动材料出现了金属镶嵌、车轮异常磨耗、踏面热斑、热剥离，制动材料本身 也出现了大量“掉渣、掉块 和耐磨性差等问题，给铁路车辆的安全运行造成了 一定的影响，解决这方面的问题已迫在眉睫。 1 3 摩擦制动材料的技术要求 铁道制动材料是机车车辆制动系统的关键安全零件，在制动的过程中，主要 应满足以下技术要求： 1 3 1 适宜而稳定的摩擦系数 摩擦系数是评价任何制动材料的一个最重要的性能指标，关系到制动功能的 好坏，它不是一个常数，而是受温度、压力、摩擦速度或表面状态及周围介质因 素等影响而发生变化的一个系数。理想的摩擦材料应具有稳定的摩擦系数和可控 制的温度衰退。 温度是影响摩擦系数的最重要因素。摩擦材料在摩擦过程中，由于温度的迅 速升高，一般当温度达2 0 0 以后，摩擦系数开始下降，当温度达到树脂和橡胶分 解温度时，产生了摩擦系数的骤然降低。这种现象称为“热衰退”，严重的“热 衰退”会导致制动效能变差和恶化，在实际应用中会降低摩擦力，即降低制动作 用，这很危险也是必须要避免的。在摩擦材料中加入高温摩擦调节剂填料，是减 少和克服“热衰退”的有效手段。经过热衰退的制动材料，在温度逐渐降低时摩 擦系数会逐渐恢复至原来的正常情况，但也有时会出现摩擦系数恢复得高于原来 9 正常的摩擦系数即恢复的过头，对这种摩擦系数恢复过头的现象，我们称之“过 恢复 。 摩擦系数通常随速度增加而降低，但过多的降低也不能忽视。我国摩擦材料 铁道部标准中就有瞬时和平均摩擦系数偏差的要求，因此当列车行驶速度加快时， 要防止制动效能的下降。 摩擦材料表面沾水时，摩擦系数也会降低，当表面的水膜消除，恢复至干燥 状态后，摩擦系数就会恢复正常，称之为“涉水恢复性”。 摩擦材料表面沾有油污时，摩擦系数显著下降，但还保持一定的摩擦力，使 其仍有定的制动效能。 1 3 2 良好的耐磨性 摩擦材料的耐磨性是其使用寿命的反映，也是衡量摩擦材料耐用程度的重要 技术指标，耐磨性越好，表明它的使用寿命越长。工作温度是影响磨损量的重要 因素，当材料表面温度达到有机粘结剂的热分解温度范围时，有机粘结剂如橡胶 与树脂产生分解、碳化及失重现象，随温度的升高，这种现象加剧，粘结作用下 降，磨耗量急剧增大，称之为“热磨损”。 摩擦材料的耐磨性指标，有多种表示方法。多用体积磨损率和重量磨损率， 磨损率系样品与对偶表面进行相对滑动过程中作单位摩擦功时的磨损量，可由测 定其摩擦力的滑动距离及样品磨损的厚度或重量减少而计算出。 但由于被测样品在此性能测试的过程中，受高温影响会产生不同程度的热膨 胀，掩盖了样品的厚度磨损，有时甚至出现负值，即样品经高温磨损后的厚度反 而增加，这就不能真实、正确反映出实际磨损，故有的生产厂除测定样品的体积 磨损外，还要测定样品的重量磨损率。 1 3 3 具有良好的机械强度和物理性能 摩擦材料在制动时经受较大的冲击力，在工作过程中，除了要承受很高温度， 还要承受较大的压力与剪切力。因此，要求摩擦材料必须具有足够的机械强度， 以保证在使用过程中摩擦材料与钢背粘结牢固，可经受高剪切力，而不产生互相 脱离，造成道岔作用不到位及制动失效的严重后果。 弹性模量系在制动力的作用下，摩擦材料发生弹性变形的能力。低的弹性模 量能防止车轮的热斑点温度，避免车轮的热裂和松箍现象的发生。 1 0 1 3 4 制动噪音低 制动噪音关系到列车行驶的舒适度，而且对周围环境特别是对城市环境影响 很大。引起制动噪音的因素很多，因为制动材料只是制动系统的一部分，制动时 制动材料与车轮在高速与高比压相对运动下所进行的强烈摩擦作用，造成振动， 从而产生不同程度的噪音。 就制动材料而言，长期使用经验告诉我们，造成制动噪音的因素大致有： l 摩擦系数越高，越易产生噪音。 2 制动材质硬度高，易产生噪音。 3 高硬度填料用量过多时，易产生噪音。 4 制动材料经高温制动作用后，工作表面形成光亮而硬的碳化膜，又称釉质 层，在制动摩擦时会产生高频振动及相应的噪音。 由于制动噪音产生原因相当复杂，目前还未能完全了解，因此解决摩擦材料 制动过程中的噪音是一个重要的课题。 1 3 5 对偶面磨损小 摩擦材料的制动功能，都要通过与对偶件即摩擦盘或车轮踏面在摩擦中实现， 在此摩擦过程中这一对摩擦对偶件互相产生磨损，这是正常现象。但是作为消耗 型材料的摩擦材料，除自身应该尽量减少磨损外，对对偶件的磨损也要小，也就 会使对偶件的使用寿命相对的增加，这才充分显示出具有良好摩擦性能的特性。 同时在摩擦过程中不应将对偶件的表面磨成较重的擦伤、划痕、沟壑等过度磨损 情况。 1 4 论文的研究意义和研究内容 随着我国铁路安全、重载、提速、高速计划的实施，促使列车制动技术有了 很大的发展，制动材料作为铁路机车车辆制动系统的重要组成部分，关系着铁路 运输安全。货车自2 0 0 3 年开始，铁道部组织全路各大厂、车辆厂对现有5 0 多万 辆车进行提速转向架改造，铁路制动材料逐渐采用新型高摩擦系数合成制动材料 替代低摩合成制动材料和普通高摩合成制动材料，由此拉开了货车提速制动材料 改进的序幕。但在推广中出现了大量金属镶嵌、车轮异常磨耗、踏面剥离等热损 伤问题，尤其在大同到秦皇岛的c 8 0 重载运煤专车上表现严重，影响了行车安全， 而且这类现象随着货车轴重、运行速度的进一步提高，变得更加严重；客车在提 速到1 6 0 k m h 开始也出现了制动盘和合成闸片的不匹配、制动盘磨耗过快、有热 斑、热剥离等问题，经有关部门的研究得以基本解决，但随着车速的提高，此类 问题也会更尖锐、更突出的暴露出来；而对这类制动材料的测试表明，完全符合 以往经验指定的速度摩擦系数曲线标准，而一些使用性能优良的产品，其检测结 果却不尽人意。这一系列的问题，都是摆在我们面前急需解决的。为此铁道装备 部近年多次组织召开“铁道制动材料轮瓦制造技术要求与检验办法修订的讨论会 议 ，会议一致认为在学习、借鉴国外的标准要求的基础上，结合我国铁路的实际 情况，加强对基础理论的研究，尽早制定出科学、合理的标准。 以往国内学者对合成制动材料的研究着重于工艺和配方，并取得了较好的使 用效果，但是缺乏对合成制动材料摩擦磨损机理的研究，突出的表现是：对合成 制动材料的摩擦学特性研究不够；对温度、压力、速度、摩擦界面、真实接触面 积、高温剪切强度、磨耗量等条件与摩擦性能之间的关系缺乏定量分析；缺少合 成制动材料中高分子材料相变、物理化学变化、机理对其性能的探索；没有研究 不同热效应对摩擦系统性能的影响( 汽车行业研究的较透彻) ；没有将界面膜作为 分析磨损过程的关键；对摩擦磨损微观结构也缺乏深入的探讨；很少有人将摩擦 学机理的研究应用到铁路制动材料的研究。本课题将紧紧围绕上述问题，展开深 入、细致的研究，通过大量的模拟台架试验和微观分析表征，总结试验规律并将 它提