閘瓦材料分析

閘瓦材料分析 1、閘瓦的種類 閘瓦是指制動時，壓緊在車輪踏面上以產(chǎn)生制動作用的制動塊。車輪使用的閘瓦可分為鑄鐵閘瓦和合成閘瓦。在鑄鐵閘瓦中，又可分為中磷鑄鐵閘瓦和高磷鑄鐵閘瓦。在合成閘瓦中，按基本成分，可分為合成樹脂閘瓦和石棉橡膠閘瓦；按摩擦系數(shù)高度，又可分為高摩擦系數(shù)合成閘瓦和低摩擦系數(shù)合成閘瓦（簡稱高磨合成閘瓦和低磨合成閘瓦）。中磷鑄鐵閘瓦、高磷鑄鐵閘瓦和低摩合成閘瓦，成為通用閘瓦，可互換使用（不可改變基礎(chǔ)制動裝置的結(jié)構(gòu)） 1.1鑄鐵閘瓦 高磷鑄鐵閘瓦與中磷鑄鐵閘瓦相比較，主要是提高了含磷量。中磷鑄鐵閘瓦的含磷量為0.7%-1.0%，高磷鑄鐵閘瓦的含磷量為10%以上。高磷鑄鐵閘瓦的耐磨性比中磷鑄鐵閘瓦高1倍左右。運用實踐表明，高磷閘瓦的使用壽命約為中磷閘瓦的2.5倍以上。高磷閘瓦還有一個特點就是制動時火花少。鑄鐵閘瓦的摩擦系數(shù)是隨含磷量的增大而增大，故高磷閘瓦的摩擦系數(shù)大于中磷閘瓦。但含磷量過高將會增加閘瓦的脆性，當(dāng)含磷量超過1.0%時，閘瓦如不加鋼被，便有裂損的可能，所以高磷閘瓦閘瓦需采用鋼背補強。 1.2合成閘瓦 合成閘瓦是采用黏合劑將增強材料和填料(三元體)黏結(jié)在一起，各自發(fā)揮在制動時的作用，直接與對偶件相互作用產(chǎn)生摩擦力。黏合劑主要包括酚醛樹脂及改性物、天然及其人工合成橡膠。增強材料主要有石棉、鋼纖維、鑄鐵纖維、人工合成纖維、天然纖維等。大部分無機化合物都能作為填料使用,發(fā)揮改善摩擦系數(shù)、溫度、速度、曲線形狀和穩(wěn)定摩擦系數(shù)的作用,保證行車安全。平穩(wěn)的摩擦系數(shù)及足夠制動力。合成閘瓦, 在高速時其摩擦系數(shù)降低較小,能維持足夠的制動力,并可由調(diào)整材料配比研制出停車時摩擦系數(shù)較小的品種，使停車時較為平穩(wěn)。使用壽命長，合成閘瓦的使用壽命隨其成分及使用條件的不同而不同,但一般比鑄鐵閘瓦長310倍；因此,可以大大減少更換閘瓦的工作量,從而節(jié)省維修費用和閘瓦費用；重量輕，合成閘瓦重量僅為鑄鐵閘瓦的1/41/3,便于更換閘瓦,并減輕勞動強度。防止火災(zāi)事故。鑄鐵閘瓦的磨耗鐵沫易壞機車車輛的電器設(shè)備及軌道回路絕緣。緊急制動中產(chǎn)生的紅熱鐵沫火花，四處飛濺易引起沿線火災(zāi)。合成閘瓦在制動時沒有或有很少的火花,有利于防止火災(zāi)。 2、列車制動材料的選用分析 為滿足列車制動需要,防止閘瓦早期失效，對閘瓦材料的要求是：合適且穩(wěn)定的高摩擦系數(shù),耐磨、熱裂性能優(yōu)良,制動火花少。目前用于閘瓦的制動材料可 歸類為鑄鐵閘瓦、合成閘瓦、粉末冶金閘瓦和復(fù)合材料閘瓦等4種。 2.1、鑄鐵材料 鑄鐵閘瓦在鐵道車輛上使用已有百年以上的歷史。鑄鐵制動材料的主要優(yōu)點是：1擦系數(shù)受環(huán)境影響小而較為穩(wěn)定,具有“全天候”運行特征；2導(dǎo)熱性較好,對車輪熱損害小；3可使車輪踏面粗化,從而獲得較大的粘著力,減小車輪的機械擦傷；4堅固耐用、價格低廉。但普通灰鑄鐵（片狀石墨）閘瓦的摩擦系數(shù)較小,且隨摩擦速度的提升, 摩擦系數(shù)迅速下降,在列車高速運行時尤為明顯,故普通鑄鐵閘瓦一般多用于低速運行的客貨列車。對高速列車閘瓦,可從提高鑄鐵的含磷量和加人少量合金元素兩方面來改進其性能。實際上, 現(xiàn)在使用的多種鑄鐵閘瓦,即是中高磷鑄鐵、含磷蠕墨鑄鐵、合金鑄鐵等長壽命的特殊鑄鐵閘瓦。鑄鐵的含磷量增加,組織中析出大量磷共晶,使閘瓦的摩擦系數(shù)提高、耐磨性改善,列車的制動距離也將縮短。如將含磷量從 0.5%提高到3.0%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）左右,閘瓦的摩擦系數(shù)提高了20%,閘瓦的耐磨性也成比例地提高,制動距離可縮短30%一45%。但磷增加了鑄鐵閘瓦的脆性,使用中不可避免地產(chǎn)生裂紋,故需采用閘瓦背來補強。即便如此,高磷鑄鐵閘瓦的耐熱裂性仍較差,其摩擦系數(shù)隨列車運行速度的提升而急劇下降的缺點未得到改善 2.2、合成材料 由于鑄鐵閘瓦的摩擦系數(shù)在高速時迅速下降,故高速車輛制動閘瓦可采用合成材料。它是由有機樹脂粘結(jié)劑（如酚醛樹脂）、金屬或化合物粉末（如鐵、銅、鉛與氧化鐵、氧化鋁等）和摩擦潤滑調(diào)節(jié)劑等經(jīng)充分混煉后成型加工、焙燒而成,它將材料與制品工序合二為一。改變合成材料的配比,可使合成閘瓦獲得不同的摩擦系數(shù),我國目前研制的合成閘瓦分低摩擦系數(shù)合成閘瓦和高摩擦系數(shù)合成閘瓦。合成材料閘瓦的主要優(yōu)點是：1、摩擦性能可按需要進行調(diào)整。2、耐磨性好，使用壽命長。3、節(jié)約鑄鐵材料。4、對車輪踏面的磨耗小，可延長車輪使用壽命。5、重量輕，一般只為鑄鐵閘瓦的1/2-1/3.。6、可避免磨耗鐵粉的污損及因制動噴射火星而引起火災(zāi)事故，并減輕對電氣設(shè)備的不良影響。7、摩擦系數(shù)從比較平穩(wěn)并能保證有足夠的制動力。8、由于摩擦系數(shù)值可以充分提高，采用合成閘瓦與小直徑的制動缸配套，可節(jié)約壓縮空氣，在高坡地區(qū)連續(xù)制動時可縮短再充氣時間，提高列車在坡道地區(qū)運行的安全性。但合成材料閘瓦也存在不足：其一是材料的導(dǎo)熱性差,制動時摩擦熱量難以散發(fā)，因而車輪溫度升高明顯，甚至產(chǎn)生熱裂；其次是在濕潤狀態(tài)下,摩擦系數(shù)顯著下降,即列車制動受天氣環(huán)境影響大,在雨雪天氣制動能力下降；此外,合成材料閘瓦與車輪踏面反復(fù)磨合后,使二者間的粘著系數(shù)降低,導(dǎo)致列車制動時車輪滑行而引起踏面擦傷。合成材料閘瓦在高速列車發(fā)展的早期曾得到了廣泛的重視與應(yīng)用,如我國雙層旅客列 車上就采用了這種制動閘瓦材料,但因其在高溫下磨損急劇增加,限制了合成材料閘瓦只能在一定范圍內(nèi)使用列車運行速一般不應(yīng)高于200km/h,其制動處溫度一般不能超250此外,合成材料閘瓦的“全天候”也不適應(yīng)列車營運重載化的發(fā)展趨勢。 2.3、粉末冶金材料 粉末冶金材料是以金屬粉末為基體,適當(dāng)添加摩擦劑、潤滑劑等成分,通過壓制成型、可控高溫?zé)Y(jié)（900-1050）而制得。粉末冶金閘瓦具有高而穩(wěn)定的摩擦系數(shù),耐磨損,導(dǎo)熱性優(yōu)良、抗熱裂性好,雨雪天氣環(huán)境下摩擦系數(shù)穩(wěn)定等優(yōu)點。其缺點是對車輪刮削傾向大。粉末冶金閘瓦不僅在質(zhì)量與性能上有突出的優(yōu)點,而且在組分設(shè)計、產(chǎn)品多樣化上也極具靈活性。目前,粉末冶金閘瓦主要有鐵基和銅基材料兩大類,銅基粉末冶金閘瓦雖原材料貴重,但因其導(dǎo)熱性極佳,本身抗熱裂,且對制動盤和車輪的熱按傷隱患小,故也具有較高的應(yīng)用價值。為充分發(fā)揮粉末冶金材料的性能潛力,以銅鐵鎳合金為基體的粉末冶金閘瓦已在日本應(yīng)用,其列車的運行速度可高達350km/h。粉末冶金材料閘瓦2.4、復(fù)合材料 為滿足鐵路營運高速化、重載化、車輛的輕量化以及在規(guī)定范圍內(nèi)剎車的要求,材料學(xué)家已研究、應(yīng)用了新型復(fù)合材料閘瓦,主要有C/C纖維復(fù)合材料和金屬基復(fù)合材料。C/C纖維復(fù)合材料是用碳纖維強化碳基體的復(fù)合材料,具有質(zhì)輕、高強度、高模量、低熱膨脹系數(shù)、高抗裂性和優(yōu)良的耐高溫性能,能在1000溫度下正常工作。它已在飛機和賽車上得到了廣泛的應(yīng)用，法國已在TGV高速列車上使用了這種復(fù)合材料制動裝置,效果顯著。 金屬基復(fù)合材料是以鋁為基體、以均勻分布的陶瓷顆粒為強化相,它克服了鋁材熱穩(wěn)定性差、耐磨性欠佳的缺點,具有較高的強度、優(yōu)良的耐熱性與抗裂性。 3、結(jié)論 列車制動閘瓦工作失效主要形式為磨損,嚴(yán)重時為磨粒磨損和粘著磨損,在制動溫度較高時,氧化磨損的作用也不可忽視。目前用于制動閘瓦的材料有鑄鐵、合成材料、粉末冶金材料和復(fù)合材料等4大類,將上述各種制動材料進行組合而獲得優(yōu)異特性也是今后閘瓦材質(zhì)的發(fā)展方向之一,如在合成閘瓦中摻人鑄鐵片等閘瓦已有部分應(yīng)用在選擇應(yīng)用閘瓦材料時應(yīng)主要考慮列車運行速度和運行氣候環(huán)境等兩大因素。從鐵路車輛運行高速化、營運重載化和車體輕量化發(fā)展趨勢來看,復(fù)合材料是首選的摩擦制動材料,故各國都加強了對復(fù)合材料閘瓦的研制、生產(chǎn)與推廣應(yīng)用。4、建議 我國合成閘瓦標(biāo)準(zhǔn)可考慮增加現(xiàn)場使用情況測評，如記錄一定數(shù)量的閘瓦裝車運行一定里程后的使用情況。對反饋回來的信息，結(jié)合物理力學(xué)性能、 制動摩擦性能的測試結(jié)果加以對比分析，將有助于相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的完善和閘瓦質(zhì)量的提高。 謝謝觀賞