高鐵列車剎車片的研究現狀與展望

    在當今時代，火車、汽車、城軌等已毫無例外地成為人類陸地客貨運輸無可替代的現代化工具，在社會生活中發揮著舉足輕重的作用，并在可以預見的未來相當長的時間內，車輛工業仍將是國民經濟重要的支柱產業，人類對車輛的要求越來越高，如高速、重載、安全可靠、乘坐舒適、操作方便、低能耗、無公害、輕量化等，車輛工業相應呈現出蓬勃的多元發展態勢。

        長期以來，我國列車一直在低速狀態下運行，而鐵路的高速化程度是評判國家交通發達與否的一個重要標志，早在20世紀90年代中期，日、法、德等國就已經開通了最高時速達300km/h的高速鐵路，而我國從1997年4月1日到2007年4月1日共進行了6次大提速，普通動車時速已經達到160~200km/h。隨著2008年6月京津城際高鐵的開通，我國高鐵最高時速已經超過350km/h。而今年設計時速380km/h的京滬高鐵的完工標志著我國高速鐵路已經走在世界的前列，為此國家在“十一五”計劃綱要中指出，要逐步實現客運專線的高速化，普通動車時速要提高到200～300km/h，高速鐵路最，高時速應大于350km/h。
        隨著我國高速鐵路的快速發展，其各項性能要求也相應的提高，尤其對制動性能提出了更嚴格的要求，這是因為列車的制動功率與車速呈3次方關系，也就是說，列車速度提高1倍，制動功率則需增加8倍。目前列車的緊急制動主要是依靠車輛制動系統中的制動盤和剎車片摩擦副的摩擦實現的，而制動系統中剎車片的性能好壞對列車制動效果有著非常大的影響，因此，對其性能提出了更加嚴格的要求。鐵路車輛制動系統中剎車片的發展是隨著鐵路的發展而發展的，在其制動材料的研究和應用方面經歷了一個漫長的發展過程。盤式制動器制動剎車片經歷了合成閘瓦到粉末冶金閘瓦的發展歷程，隨著鐵路列車向著高速和重載方向的發展，制動材料需要同時滿足以下幾個方面的性能要求：①較高摩擦力及優良的耐磨性能；②足夠的抗沖擊強度；③導熱性好；④不受氣候影響、摩擦系數穩定；⑤一定的經濟性；⑥便于成型和實現輕量化。因此，世界各國的研究人員對高性能高速鐵路剎車片材料的研究也在不斷的深入，并在碳纖維復合材料及陶瓷復合材料等新型材料上取得了一定的成績。

１ 國內外剎車片材料的發展

1.1 國外剎車片材料的發展

        日本是高速鐵路發展最為迅速的國家，日本東海道新干線在1964年10月1日正式開通了世界上第一條高速鐵路，列車運行速度達到了210km/h。目前，日本高鐵穩定運行速度是300km/h，隨著列車的高速化，其制動系統中剎車片材料的研究與應用也進入了一個新時期。
        日本高鐵的剎車片材料經歷了由合成材料，粉末冶金材料到碳纖維材料的過程。合成材料在高鐵早期被廣泛使用，但是合成剎車片在250℃高溫下，磨損迅速增加的弱點使其只能在180～200km/h以下的高鐵上使用[3]。隨著列車速度的提升，合成剎車片已經不能滿足其技術要求，隨后日本開始開發粉末冶金剎車材料。由于粉末冶金剎車材料的使用溫度較高，當制動單元體積溫度達到500℃以上，閃點溫度達到1000℃左右的時候，粉末冶金剎車片仍能保持良好的剎車性能，適用溫度比合成材料提高，相應的適用速度、沖擊韌性也較合成材料有了一定的提高[4-5]，因此粉末冶金剎車材料慢慢的替代了合成材料。
        繼日本之后，歐美各國也競相發展高速鐵路，其中法國的TGA，德國的ICE，和西班牙的AVE都是最具代表性的高速鐵路。這些國家的高鐵目前所使用的制動閘片主要為粉末冶金剎車片[6]。但是作為航空業潛在競爭對手的高速鐵路，人們對其速度和效率的要求也在不斷提高，在這種情形下，有必要開發一種耐高溫、質量輕的新型剎車材料，而目前各個發達國家不斷深入研究的碳纖維復合材料和陶瓷復合材料是一種較為理想的高速鐵路剎車材料。

1.2 國內剎車片材料的發展

    我國從20世紀50年代末開始發展電氣化鐵路以來，列車長期處于低速狀態下運營，車輛制動器主要采用鑄鐵剎車片踏面制動方式。改革開放以來，隨著我國鐵路運行速度不斷的提高，剎車片踏面制動方式已不能滿足性能要求，在客運列車上開始采用盤形制動方式，早期在25.5m，空調雙客和160km/h的準高速鐵路上采用了盤形制動合成剎車片。
    1994年，中國第一條準高速鐵路廣深鐵路建設成功并投入運營，其旅客列車速度為160～200km/h，已成為中國鐵路高速化的起點。其最高時速為210km/h左右，由于合成剎車片磨損量大，機械強度較低，沖擊韌性較差，并且在運行中會出現微裂紋，特別是在雨季和潮濕地區，因潮濕而導致摩擦力減小，導致其使用壽命降低。為了更好的適應我國的運行環境，隨后的廣深高鐵采用了導熱性能好、摩擦系數穩定的粉末冶金剎車片，避免了合成剎車片實際應用中的缺陷，使得高鐵的制動效率和安全系數得到很大的提高。但是這一時期的粉末冶金剎車片還主要依靠進口，在一定程度上制約了我國高鐵的發展，為了降低高鐵的制動系統成本，我國開始自主研制高鐵用粉末冶金剎車片。此后，在國內京津高鐵上國產粉末冶金剎車片被廣泛應用。
        綜上所述，國內外剎車片材料的發展主要經歷了金屬材料、合成材料、粉末冶金材料等幾類，表1列出了其主要材料類型及性能指標。

表１ 剎車片主要材料類型及性能比較

        隨著科技的進步，高速鐵路的速度得到不斷提高，其剎車制動裝置的使用條件也越來越苛刻，人們對其性能要求也在不斷提高，這要求剎車制動裝置要在短時間使得高鐵停下來。這會使高鐵巨大的動能轉化成制動剎車片的摩擦熱能，摩擦副表面溫度會急劇上升，這樣會影響到摩擦材料的摩擦系數，使得高鐵的安全性、可靠性降低。因此，為了滿足高速鐵路的綜合技術指標，這就需要不斷的探討和開發出高性能的剎車材料。

２ 新型剎車片材料的研究

2.1 復合型剎車片

        為了滿足未來高速鐵路的制動技術要求，國內外科研工作者都在努力研制開發高性能剎車片材料，以滿足市場要求。其中C/C復合材料是近幾年開發出來的新型制動材料，是一種C纖維增強、以C為基體的新型結構材料，它具有質量輕、模量高、比強度大、熱膨脹系數低、耐高溫、耐熱沖擊、耐腐蝕、吸震性好等一系列的優良性能，C/C復合材料的這些獨特性能使之能同時完成剎車副的三項功能，即提高摩擦、傳遞機械載荷、吸收動能。
        從碳纖維增強體的結構來看，其可以分為三種，第一種為單層氈，其由于短纖維未能形成完整的纖維增強體，導致材料力學性能低，所以該種結構所制，備的剎車片主要用于早期的實驗機型；第二種為整體氈，其碳布層結構所制的材料因其層剪切強度低，垂直導熱率低等因素的影響，其應用的剎車片也是早期機型；第三種結構為針刺氈結構，非常合適CVD工藝增密，并且所制的材料具有良好的力學、熱學和摩擦磨損性能，已經成為目前C/C復合材料增強體的基本結構，并取得不斷改進。
        C/C復合材料制動剎車片由于成本高，主要用于飛機制動器，但是隨著近年來高速鐵路的發展，國內外科技工作者開始研制開發用于高速鐵路的C/C復合材料制動剎車片。德國KnoorBremse公司研制的一種碳纖維復合材料制動器，實驗證明，該制動器在時速高達250km/h下質量尚好。在該公司試驗臺以250km/h試驗時，其吸收的制動能高達100MJ。法國碳工業公司制造的碳纖維復合材料的比熱容是鋼的2倍，線脹系數和彈性模量都比較小，具有優異的耐高溫性能。它能在1000℃的高溫下工作，件重僅為鋼的1/4，目前已經在TGV-A上得到應用。日本新干線270km/h電動車制動系統也采用了碳纖維增強材料[12]。由此可見，碳纖維復合材料是一種國際上重點開發的剎車片材料，我國在C/C復合材料制動剎車片的研發上也已經起步。

2.2 合成剎車片

        合成摩擦材料是將金屬粉末、酚醛樹脂和摩擦調節劑等經充分混煉后加熱壓制而成，它將材料與制品工序合二為一。所用摩擦調節劑，一般是采用腰果殼油制成的顆粒。按形狀與制動方式的不同，又分為合成剎車片和合成閘片。合成剎車片與閘片的配方與工藝相同，改變其配比工藝，可獲得不同的摩擦系數。我國目前研制的合成剎車片分低摩擦系數合成剎車片和高摩擦系數合成剎車片。
    合成摩擦材料具有如下明顯的特色：可通過改變材質配方和工藝在一定范圍內可調整其物理機械性能，耐磨性好，使用壽命可達鑄鐵剎車片/閘片的四倍以上，制動時無火花，重量輕，高速區摩擦系數大且不隨列車速度的改變而變化。合成摩擦材料也存在如下幾個不足之處：一是導熱性差，制動量熱量難以散發，因而車輪產生溫升，甚至導致熱裂。其次是在濕潤狀態下，摩擦系數大為下降，受天氣影響大，在雨雪天氣制動能力下降。此外，這類剎車片與車輪踏面反復磨合后，使二者間的粘性降低；有機合成摩擦材料的使用溫度一般不能超過250℃。當制動處溫度達250℃時，其磨損率急劇增加。溫度較高時，由于其組分的改變，摩擦系數也將改變。有機合成摩擦材料推薦使用在時速160～200km的列車上。

2.3 高磨合成剎車片

        高摩合成剎車片研究工作開展最早的有英國、美國和前蘇聯。1907年，英國飛洛多公司用棉毛混紡條層壓成剎車片，并用于倫敦地鐵。以后逐漸改進，至50年代己改用以石棉等為增強材料和酚醛樹脂為黏合劑的合成剎車片。美國早在1924年就開始研制以層壓木為非金屬摩擦材料，并應用于鐵路車輛制動。1954年以后，“Cobra” 牌號合成剎車片作為商品形式在鐵路上大量使用，其主要成分為合成橡膠、石棉等，摩擦系數在每小時140公里速度時為0.26，耐磨性為鑄鐵剎車片的5倍。蘇聯在合成剎車片的研究上開始也很早，在地下鐵道中早就使用層壓木的塑料剎車片。不過新的合成剎車片的材質研究是從1956年開始。曾用三種類型的黏合劑，分別為酚醛樹脂、合成橡膠、酚醛樹脂和合成橡膠混合物。試驗結果表明：采用合成橡膠為黏合劑的高摩合成閘瓦的制動性能優異。已廣泛應用于快速旅客列車上。

３ 展望

        高速鐵路的不斷發展勢必會對會其制動裝置中摩擦材料的性能提出更高的要求，高鐵行駛速度的提升要求摩擦材料能夠在較寬的速度、溫度范圍內具有穩定的摩擦性能。國內外對此進行了廣泛的研究，從鑄鐵摩擦材料、合成摩擦材料、粉末冶金摩擦材料到C/C復合摩擦材料以及高磨合成材料，其中C/C復合摩擦材料能夠很好解決鑄鐵材料的銹蝕、摩擦性能低、摩擦噪音等問題，相對于粉末冶金材料其在質量和強度上有更大的優勢。
        從剎車材料發展現狀和近幾年的研發方向，可看出，剎車材料的主要研究方向是開發集優良導熱性、穩定摩擦系數、耐高溫抗沖擊、耐磨減磨、質量輕便的碳系復合材料?？深A見，通過不斷改進碳系復合材料，它將會在高速鐵路上被廣泛應用。