CN102352901A - 一种仿生耦合轨道车辆制动盘 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于轨道车辆的仿生耦合轨道车辆制动盘。它基于生物耦合的仿生原理，在制动盘的工作表面上分布有放射状、同心圆状、网络状和桩钉状非光滑形态；并采用表面下嵌入式结构；在局部区域呈现与基体材料相异的材料组织或成分，可有效抑制裂纹产生与扩展，改善耐磨性，本发明以铸铁、铸钢和锻钢为轨道车辆制动盘的基体材料，通过机械、激光、烧结、焊接等方法，在普通制动盘表面局部区域构建形状、结构、组织、材料等多元耦合作用的仿生功能单元，在整个盘体表面呈现有益于制动盘功能实现的多种形态，从而提高轨道车辆制动盘的摩擦磨损和抗疲劳性能。与相同基体材料的普通表面制动盘相比，使用寿命提高1～2倍，成本增加不超过10％。

Description

一种仿生耦合轨道车辆制动盘

技术领域

本发明涉及一种用于轨道车辆领域具有仿生耦合耐磨、抗疲劳、抗龟裂效果的高效高寿命制动盘。

背景技术

随着国民经济的快速发展，铁路客货运输量迅速增加，铁路运输的高速化和重载化已成为必然的发展趋势。列车速度的不断提高，载重量的日益增加，对制动装置及其安全保障也提出了更高、更新的要求，对列车制动的关键部件——制动盘的性能和寿命提出了越来越严格的要求。据调查，我国原有普通轨道列车制动盘维修车辆段采用的经验报废标准为最大裂纹长度不超过50mm，裂纹距制动盘边缘不小于10mm，制动盘厚度不小于112mm，单边磨损不超过7mm，然而现有高速列车制动盘因热裂和磨损严重，寿命大大缩短。为避免制动盘的早期失效而发生恶性事故，部分尚未严格达到报废标准的制动盘也不得不提前报废。为保障安全行车，产生足够的制动力矩，制动盘数量由原先的每根车轴2个增加到每根车轴3个，或是在多个位置增加制动轴和制动盘总套数。但仍然达不到国家所规定的对制动盘使用寿命的要求(达到7.5年或运行总里程240万公里进行大修)，特别是那些长期行驶在山区等路况较差地区的轨道车辆，需频繁制动刹车，制动盘的维修更换周期更短，造成人力、物力、财力的极大浪费，大大增加了运营成本。

虽然目前用于高速铁路列车的基础制动方式有很多种，如摩擦制动、电阻制动、磁轨/涡流制动等，但在紧急情况下，要使高速运动中的列车在很短的时间停下来，摩擦制动仍然是一种重要而有效的制动方法。利用运动表面相接触时所产生的摩擦阻力达到减速或终止运动的方式称为摩擦制动或者机械制动。欧洲铁路联盟UIC规定：高速列车行驶时，应能在摩擦制动的单一作用下，在规定的制动距离内停车，其目的是在动力制动发生故障时也能保证列车运行安全。可见，保障摩擦制动的可靠性和制动效能，提高制动盘的摩擦磨损性能和抗疲劳止裂性能，是轨道车辆零部件技术发明和创新的重要环节。

为提高制动盘的上述性能，国内外的传统方法几乎全部局限于针对制动盘材料或制备工艺的优化研究。这些材料包括：通过减轻列车簧下重量，降低牵引功率耗损的颗粒增强铝基复合材料和陶瓷材料制动盘；通过提高制动盘的热机械性能，以减少盘数的C-C复合材料制动盘。制备工艺的改善主要依赖于针对热处理工艺进行调节。这些方法的局限性在于，①仅局限于制动盘材料因素的改进与优化，设计与制备方法单一，不同的制动盘材料具有不同的局限性；②研究方法仅改善材料单一方面性能，或因提高了一方面性能，却导致另一方面性能的下降；③一些新材料研究存在制造成本过高，资源浪费严重，材料脆性大，不易实现大体积部件制造等问题。为了调和摩擦系数和减少磨损量的矛盾关系，国内外进行了很多相关的研究，也取得了一定的进展。如添加合金元素，通电流改善组织性能等，但是成本也随之升高，迄今为止还没有一种方法能使这些性能同时改善。

从影响制动盘失效的多种因素和耐磨抗疲劳的多种角度出发，制动盘表面的耐磨抗疲劳性能研究是否可打破传统仅针对盘体材料研究的界限，进行盘体材料、表面形态和表层结构的多因素协同研究，进而在制动盘表面获得优异的力学性能组合以及高的磨损和疲劳抗力？该研究构思在自然界生物的耦合现象中找到了答案。

发明内容

本发明的目的是提供一种仿生耦合轨道车辆制动盘，他是在普通制动盘表面局部区域构建形状、结构、组织、材料等多元耦合作用的仿生功能单元，并实现有益于功能实现的仿生单元多种形态分布，利用多因素仿生耦合的办法同时改善轨道车辆制动盘表面的耐磨性能、抗疲劳能力性能和摩擦性能，有效提高制动盘的工作效能和服役寿命。

经过20亿年的进化，自然界中的很多生物具有适应环境生存的特殊体表，研究表明，很多生物体表都存在几何非光滑和珍珠层特征，即一定几何形状的结构单元随机或规律的分布于其体表某些部位，其结构单元有条纹形、凸包形、桩钉形等。这些分布在生物体表的结构单元使生物有特殊的性能，比如蚯蚓体表能承受土壤的挤压和磨损，海螺表面的交叉层片结构能有效阻止裂纹扩展，随着仿生学研究的不断发展，研究人员发现，生物体适应环境生存的各项机体功能，不仅仅是单一因素作用或多个因素的作用的简单线性相加，而是如同整个系统的优化组合，即由多种因素相互依存、互相影响，通过一定的机制耦合、协同的作用。仿生耦合表面的设计是借鉴生物表面形态、结构、组织、成分的相互耦合作用通过对仿生耦合单元体的形状、尺寸、分布规律、数量等几何参数进行优化设计，达到同时改善材料表面多种性能的目的。

基于以上生物耦合理论基础上，在列车制动盘表面构建多因素、多功能的仿生耦合单元，这些单元体呈一定规则分布，具有一定几何形状，组织、结构同基体相区别，根据需要，单元体中相对于基体还可以出现化学成分和含量的变化。该制动盘可显著提高其表面的摩擦磨损性，抗疲劳性及使用寿命。

本发明是基于上述思想按如下方案实现的：

一种具有仿生耦合耐磨、抗热疲劳效果的轨道车辆制动盘，在模拟生物耦合仿生原理，在普通制动盘表面局部区域构建有形状、结构、组织、材料等多元耦合作用的仿生功能单元，仿生单元在形状上具有圆形、矩形、方形、椭圆形、菱形等形状；在结构上具有矩型、圆柱型、锥型等嵌入式结构；在组织或成分上具有同基体相异的优化组织或成分；在分布上呈现放射状、同心圆状、网络状和桩钉状分布形态，可显著改善轨道车辆制动盘的摩擦磨损和抗疲劳性能，提高制动盘的工作效能和服役寿命。

所述制动盘表面仿生单元与基体表面具有0-1mm的高度差，单元体直径或宽度为2-20mm，单元体中心距为10-50mm，相邻单元体中心线夹角为15°-60°(呈放射状分布时)。

所述制动盘表面仿生单元呈矩型、圆柱型和锥型结构嵌入至基体表面以下1-7mm深度，单元体与基体的硬度差介于200-800HV。

所述的仿生单元体内含有以下一种或多种合金元素或陶瓷成分，Cr：0～20％，Mn：0～20％，Si：0～3％，Mo：0～5％，Ni：0～5％，W：0～20％，Co：0～10％，B：0～10％，Nb：0～10％，Ti：0～5％；Zr：0～10％，Al₂O₃：0～20％；亦或是仿生单元体具有与基体相异的细晶强化、弥散强化、位错强化或固溶强化组织。

本发明所采用的技术手段是：根据不同工况下制动盘的多种失效规律，由计算机仿真技术进行仿生单元体的形态尺寸和分布设计，通过机械加工、激光、焊接或烧结等手段，并结合喷涂、化学、物理、熔覆等方法，在制动盘表面加工出具有一定几何形状、结构、组织和成分有别于基体材料的仿生耦合单元体，最终得到耐磨性高和疲劳寿命长的具有仿生耦合耐磨表层的制动盘。

本发明的有益效果是：经多种现代技术手段制备获得的仿生单元具有形态、结构、组织、材料多因素耦合特点，具有优异的耐磨止裂功能；仿生耦合表面的非光滑效应具有良好的减摩耐磨效果；优化仿生单元的形态尺寸和分布规律可有效抑制裂纹萌生和阻碍裂纹扩展。使用寿命与相同基体材料的普通表面制动盘相比，至少提高1倍。还可以针对不同要求，选用不同的仿生耦合方式，从而获得不同的性能。本发明还具有加工简单，性能可靠，成本低，性价比高等优点。

附图说明

图1(a)是具有圆形单元体呈桩钉型分布的仿生耦合制动盘表面示意图。

图1(b)是图1(a)的立体图。

图2是(a)具有连续条纹状单元体呈放射状分布的仿生耦合制动盘表面示意图。

图2(b)是图2(a)的立体图。

图3(a)是具有连续条纹状单元体呈内切线放射状分布的仿生耦合制动盘表面示意图。

图3(b)是图3(a)的立体图。

图4(a)是具有连续条纹状单元体呈同心圆环状分布的仿生耦合制动盘表面示意图。

图4(b)是图4(a)的立体图。

图5(a)是具有连续条纹状单元体呈网络状分布的仿生耦合制动盘表面示意图。

图5(b)是图5(a)的立体图。

图6(a)是具有非连续短条状条纹单元体呈同心圆环状分布的仿生耦合制动盘表面示意图。

图6(b)是图6(a)的立体图。

图7是仿生单元体呈矩型、圆柱型和锥型嵌入式结构剖面图，其中：

(a)是圆柱型或矩型仿生单元体，顶部为凸面并高于基体表面；

(b)是锥型仿生单元体，顶部为凸面并高于基体表面；

(c)是球型仿生单元体，顶部为凸面并高于基体表面；

(d)是圆柱型或矩型仿生单元体，顶部为平面并与基体表面同一平面；

(e)是锥型仿生单元体，顶部为平面并与基体表面同一平面；

(f)是球型仿生单元体，顶部为平面并与基体表面同一平面；

(g)是圆柱型或矩型仿生单元体，顶部为凹面并低于基体表面；

(h)是锥型仿生单元体，顶部为凹面并低于基体表面；

(i)是球型仿生单元体，顶部为凹面并低于基体表面。

图8为蠕墨铸铁仿生制动盘不同形状仿生单元呈不同分布形态时的摩擦系数测试。

图9为蠕墨铸铁仿生制动盘不同形状、不同分布的仿生单元呈锥形嵌入基体时的磨损量比较。

图10(a)、(b)、(c)、(d)为蠕墨铸铁仿生制动盘仿生耦合制动盘磨损测试后的微观形貌图。

具体实施方式

实施例1

表面具有圆形单元体呈圆锥体桩钉型分布的仿生耦合轨道车辆铸铁制动盘。

参照图1，利用激光技术制备具有圆形单元体(表面投影形状)的仿生耦合耐磨、抗热疲劳制动盘，单元体下部呈三维锥型结构并下嵌入基体材料2mm；其表面与制动盘基体表面处于同一水平高度，底圆直径d为2mm，同一圆环上单元体沿圆环的分布角度α为15°，圆环间的距离ΔR为10mm。制动盘基体材料为蠕墨铸铁，其显微硬度为280HV；单元体材料成分与基体成分相同，但经激光制备后获得了细晶强化、位错强化和固溶强化的组织，显微硬度提高至680HV。

对该仿生耦合制动盘使用情况进行综合测试，其使用寿命比普通制动盘提高1～1.2倍，而加工该仿生耦合制动盘的成本仅提高3％。

实施例2

表面具有圆形单元体呈圆柱体桩钉型分布的仿生耦合轨道车辆铸钢制动盘。。

参照图1，利用激光和熔敷联合技术制备具有圆形(投影形状)凸包状单元体的仿生耦合耐磨、抗热疲劳制动盘，单元体下部呈三维圆柱体结构并下嵌入基体材料1mm；其表面呈凸包状，顶点高于制动盘基体表面0.5mm，底圆直径d为20mm，同一圆环上相邻单元体间夹角α为60°，圆环间距离ΔR为50mm。制动盘基体材料为铸钢，显微硬度为350HV，单元体区经激光熔覆含有WC成分(20％wt)的Fe粉末后结构强化和组织强化，硬度提高至1130HV。

经综合评定，该仿生制动盘的使用寿命比相同材质的普通制动盘提高1～1.3倍，而加工仿生耦合制动盘的成本仅增加4％。

实施例3

表面具有连续条纹状单元体呈放射线分布的仿生耦合锻钢制动盘。

参照图2，利用激光熔凝技术制备投影形状为条纹状单元体的仿生耦合耐磨、抗热疲劳制动盘。单元体以制动盘圆心为中心呈放射线分布，其表面为圆弧面凹槽形状，单元体下部横截面呈锥形嵌入基体2.5mm，单元体的下凹表面中心最低点低于制动盘基体表面1mm，条纹宽度w为2mm，两相邻条纹中心线间夹角α为15°。制动盘基体材料为Cr-Mo-V低合金锻钢制动盘，，其显微硬度为400HV，单元体材料成分与基体材料成分相同，经过激光处理后组织细化，相变强化，显微硬度为790HV。

经加工后综合测试，该仿生耦合单元体表面的制动盘的使用寿命比原基体制动盘提高1～1.1倍，而加工仿生耦合制动盘的成本仅增加4％。

实施例4

表面具有连续条纹状单元体呈内切放射线分布的仿生耦合铸铁制动盘。

参照图3，利用激光和熔覆联合技术制备投影形状为条纹状单元体，并呈内切放射线分布的仿生耦合耐磨、抗热疲劳制动盘。单元体下部呈锥形结构下嵌入基体2mm，其上表面与制动盘基体表面之间的高度差为0mm，条纹宽度w为2mm，制动盘表面两相邻条纹中心线夹角α为15°。制动盘基体材料为蠕墨铸铁，显微硬度为280HV。单元体经激光熔覆铬镍合金粉末后形成成分优化(Cr19％wt，Ni4.5wt)，组织强化的结构，硬度提高至960HV。

仿生耦合处理后制动盘的使用寿命比原制动盘提高1～1.2倍，而仿生耦合盘的处理成本仅增加5％。

实施例5

表面具有连续条纹状单元体呈内切放射线分布的仿生耦合铸钢制动盘。

参照图3，首先利用机械雕刻方法在制动盘表面加工出投影形状为内切线放射状条纹的凹槽，然后再用堆焊法在凹槽内填充异质合金材料，最终单元体与基体界面呈矩形连接，嵌入基体深度5mm，单元体宽度为20mm，其表面为圆弧面凸棱形状，顶点高于制动盘基体表面0.5mm，两相邻条纹状单元中心线夹角α为60°。制动盘基体材料为铸钢，显微硬度为350HV。表面堆焊WC粉后形成具有形态、结构、材料相互耦合的强化仿生单元(W20％wt)，显微硬度达到930HV。

加工后对该仿生耦合制动盘进行综合测试，其使用寿命比普通制动盘提高1～1.3倍，而加工出仿生耦合制动盘的成本仅增加6％。

实施例6

表面具有连续条纹状单元体呈同心圆环分布的仿生耦合铸钢制动盘。

参照图4，利用激光和熔覆联合技术在制动盘表面加工投影形状为条纹状单元体呈同心圆环分布的仿生耦合耐磨、抗热疲劳制动盘。加工后单元体横截面为锥形结构并嵌入基体2.5mm，单元体表面为圆弧面凸棱形状，其顶点高于制动盘基体表面0.5mm，条纹宽度为3mm，相邻条纹间的距离为10mm。制动盘材料为铸钢，基体的显微硬度为350HV。熔覆材料组成为：Cr30％，Ni10％，B10％，Mo5％，Si-Fe45％。经激光熔覆加工最终形成显微硬度为970HV的仿生单元体。

加工后综合测试，该仿生耦合单元体表面的制动盘的使用寿命比原基体制动盘提高1.3～1.6倍，而加工出仿生耦合单元体表面的成本仅增加7％。

实施例7

表面具有连续条纹状单元体呈同心圆环分布的仿生耦合铸钢制动盘。

参照图4，利用机械雕刻和堆焊结合方法在制动盘表面加工投影形状为连续条纹状单元体呈同心圆环分布的仿生耦合耐磨、抗热疲劳制动盘。开矩形槽深度为5mm，宽度为15mm，相邻开槽距离为30mm。随后在凹槽中堆焊合金成分，材料为：Mn15％，W15％，B10％，Mo10％，Al₂O₃50％。最终仿生单元体圆弧形表面与制动盘基体表面之间的高度差为+0.5mm(+号表示仿生单元体表面高出制动盘的基体表面)，制动盘基体材料为铸钢，其显微硬度为350HV，获得的仿生单元体显微硬度为950HV。

加工后综合测试，该仿生耦合单元体表面的制动盘的使用寿命比原基体制动盘提高1.2～1.5倍，而加工出仿生耦合单元体表面的成本仅增加6％。

实施例8

表面具有连续条纹状单元体呈同心圆环和放射线交叉组合分布的仿生耦合煅钢制动盘。

参照图5，利用激光和熔敷联合技术加工具有条纹状单元体并在制动盘表面投影呈交叉网格分布的仿生耦合耐磨、抗热疲劳制动盘。单元体横截面呈锥形嵌入基体，其圆弧表面与制动盘基体表面间的高度差为+0.2mm(+号表示单元体上表面高于制动盘基体表面)，条纹宽度w为2.5mm，相邻圆环间的距离d为10mm。相邻放射状条纹间的夹角α为15°。制动盘基体材料为锻钢，其显微硬度为400HV。表面熔敷材料组成为Zr50％，Co10％，Nb10％，Ti15％，Mo10％，Si-Fe15％，经激光熔覆后单元体区的显微硬度为1050HV。

加工后经综合测试，该仿生耦合制动盘的使用寿命比普通制动盘提高1.4～2倍，而加工出仿生耦合单元体表面的成本仅增加10％。

实施例9

表面具有短条状单元体呈非连续同心圆环分布的仿生耦合铸铁制动盘。

参照图6，利用机械雕刻和焊接联合方法制备投影形状为短条状单元体呈非连续同心圆环分布的仿生耦合耐磨、抗热疲劳制动盘。首先通过机械加工方法获得单元体嵌入式短条状结构，再利用焊接方法实现单元体异质材料与基体材料的连接。制备获得的短条状仿生单元体表面与制动盘基体表面间的高度差为0mm，单元体嵌入基体5mm，宽度w为2mm，相邻圆环间的距离d为10mm，单元体沿圆环分布角度α₁为15°，单元体的弧度角度为α₂为15°。制动盘基体材料为蠕墨铸铁，显微硬度为280HV。经堆焊Cr(60％wt)与Si-Fe混合粉(40％wt)后单元体的显微硬度为980HV。

经加工后综合测试，具有仿生耦合表面的制动盘使用寿命比普通制动盘提高1.2～1.5倍，而加工出仿生制动盘的成本仅增加6％。

实施例10

表面具有短条状单元体呈非连续同心圆环分布的仿生耦合铸铁制动盘。

参照图6，利用机械雕刻和自蔓延烧结联合方法，首先在制动盘表面机械加工出投影形状为短条状的凹槽，凹槽下部呈矩形嵌入基体；再选取Ni-Al，Ti-C，Ti-B为自蔓延反映体系，在凹槽内填充反映体系合金材料，反映组分配比采用平衡法，通过自蔓延烧结方法制备仿生单元体。制备出的短条状仿生耦合单元体表面与制动盘基体表面间的高度差为0mm，单元体宽度w为20mm，下嵌深度为7mm，相邻圆环间的距离d为50mm，单元体沿圆环分布角度α₁为30°，单元体的弧度角度为α₂为30°。制动盘基体材料为蠕墨铸铁，其显微硬度为280HV；经自蔓延烧结方法实现合金材料与基体的结合，使单元体的显微硬度达到900HV。

加工后经综合测试，该仿生耦合制动盘的使用寿命比普通制动盘提高1.3～1.8倍，而加工出仿生耦合单元体表面的成本仅增加7％。

图7为单元体沿垂直于制动盘表面的剖面图，表明制动盘表面的单元体呈矩型、圆柱型和锥型结构嵌入至基体表面以下1-7mm深度，单元体与基体的硬度差介于200-800HV。

图8为蠕墨铸铁制动盘表面经激光加工获得不同形状单元体(点状、条状、网格状、未处理)后的摩擦系数，从图中可以看出，经过仿生处理后的材料表面摩擦系数波动不大，可以在不用更换摩擦副的前提下改善材料的耐磨性能；图9为基于蠕墨铸铁材料不同仿生耦合制动盘试样表面的磨损量比较图。从图中可以看出仿生耦合处理试样的磨损量较普通试样显著降低，磨损性能极大改善。图10为蠕墨铸铁制动盘不同仿生耦合表面的磨损形

Claims (5)

1.一种仿生耦合轨道车辆制动盘，其特征在于，所述仿生耦合是模拟生物耦合仿生原理，在普通制动盘表面局部区域构建有多元耦合作用的仿生单元，仿生单元在形状上包括具有圆形、矩形、方形、椭圆形、菱形形状；在结构上包括具有矩型、圆柱型、锥型嵌入式结构；在组织或成分上具有同基体相异的优化组织或成分；在分布上呈现放射状、同心圆状、网络状和/或桩钉状分布形态。

2.根据权利要求1所述的一种仿生耦合轨道车辆制动盘，其特征在于，所述仿生单元与基体表面具有0-1mm的高度差，仿生单元体直径或宽度为2-20mm，单元体中心距为10-50mm，相邻单元体中心线夹角为15°-60°呈放射状分布。

3.根据权利要求1所述的一种仿生耦合轨道车辆制动盘，其特征在于，所述仿生单元呈矩型、圆柱型和锥型结构嵌入至基体表面以下1-7mm深度，单元体与基体的硬度差介于200-800HV之间。

4.根据权利要求1所述的一种仿生耦合轨道车辆制动盘，其特征在于，所述仿生单元体内含有以下一种或多种合金元素或陶瓷成分，Cr：0～20％，Mn：0～20％，Si：0～3％，Mo：0～5％，Ni：0～5％，W：0～20％，Co：0～10％，B：0～10％，Nb：0～10％，Ti：0～5％；Zr：0～10％，Al₂O₃：0～20％；亦或是仿生单元具有与基体相异的细晶强化、弥散强化、位错强化或固溶强化组织。

5.根据权利要求1所述的一种仿生耦合轨道车辆制动盘，其特征在于，所述仿生单元通过采用机械、激光、焊接、熔覆或烧结手段的一种或多种组合方法获得。

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