CN103925316A

CN103925316A - 一种高速列车制动盘及其制动盘材料

Info

Publication number: CN103925316A
Application number: CN201410155502.1A
Authority: CN
Inventors: 于钦顺; 王飞; 鲁文超; 张志强; 周晚林; 胡谦; 韦红余; 马玉龙; 刘银纬; 林国强; 李英奎
Original assignee: NAJING ZHONGSHENG RAIL VEHICLES ACCESSORIES CO Ltd; Nanjing University of Aeronautics and Astronautics; Qingdao Sifang Rolling Stock Research Institute; Nanjing Iron and Steel Co Ltd
Current assignee: NAJING ZHONGSHENG RAIL VEHICLES ACCESSORIES CO Ltd; Nanjing University of Aeronautics and Astronautics; CRRC Qingdao Sifang Rolling Stock Research Institute Co Ltd; Nanjing Iron and Steel Co Ltd
Priority date: 2014-04-18
Filing date: 2014-04-18
Publication date: 2014-07-16
Anticipated expiration: 2034-04-18
Also published as: CN103925316B

Abstract

本发明分开了一种高速列车制动盘，在盘体上设置有盘体中孔和散热筋，该散热筋的圆弧半径R与盘体外径D之比R/D=0.4～0.6；散热筋的入流角β₁=0～15°，散热筋的排流角β₂=25～35°；所述散热筋的高度B2与盘体的厚度B1之比B2/B1=1.0～1.2。本发明制动盘材料的组份及质量百分比（Wt%）为：C：0.16～0.25，Si：0.25～0.60，Mn：0.80～1.30，Cr：0.70～1.20，W：0.01～0.03，Ni：0.80～1.30，Mo：0.40～0.70，Cu：0.05～0.20，SiC：0.18～0.25，Al2O3：0.20～0.30，V：0.03～0.15，N：0.0050～0.025，Re：0.005～0.20，P≤0.015，S≤0.010，余量为Fe。本发明的制动盘能实现散热空气场的强制引导，散热速度快，整体强度高，广泛适用于各类高速列车的制动系统中。

Description

一种高速列车制动盘及其制动盘材料

技术领域

本发明涉及高速列车制动装置，尤其涉及高速列车制动装置中的制动盘。本发明还涉及高速列车制动盘材料。

背景技术

随着列车运行速度的提高，列车的制动功率和制动温升也越来越高。由于盘式制动在制动功率、减少车轮踏面热损害等方面较其它摩擦制动形式具有显著的优势而得到广泛的应用，盘式制动已成为高速列车最终实现停车所必不可少的基本制动方式。

盘式制动是借助制动盘与闸片之间的摩擦获得制动力，一旦产生摩擦，制动盘和闸片间接触摩擦部位的温度就上升，并且车辆速度越快温升就越高。制动盘受摩擦发热后，温度升高不仅会造成接触摩擦表面的烧蚀，而且摩擦副相互作用产生的热应力还会造成制动盘的热蠕变和热疲劳损坏。

发明专利申请（申请号201110244664.9）公开了一种高速列车制动盘结构，该高速列车制动盘包括盘体，以及位于盘体上的摩擦面和内侧面。出于成型工艺和盘体强度的考虑，该发明专利申请在盘体内侧面上还设有第一径向板状散热筋和第二径向板状散热筋，其散热性能则主要通过材料组份和径向板状散热筋来实现。虽然该结构的散热盘能够通过径向散热盘取得一定的散热效果，但其径向板状散热筋对制动盘周围空气的搅动散热，更多的是依赖围绕制动装置周围的空气涡流，涡漩流动的热空气扩散范围和扩散速度都十分有限，尤其是当高速列车运行速度在300km/h上时，这种制动盘的散热速度总是小于摩擦温升，使高速列车的制动装置总是处于热负荷较大的恶劣工况中，容易导致高速列车制动装置的加快失效或提前失效。鉴于此如何使制动盘能够高效散热，以提高制动盘使用寿命是当前需要解决的技术问题。

高速列车制动盘体材质性能也是制动装置中最为关键的技术问题之一。在高速列车速度高和运行条件恶劣的制动工况下，巨大的制动热负荷及热冲击会带来很高的热应力和温度梯度。因此制动盘材料必须具有良好的高温力学性能和导热性能，以及低弹性模量和低热膨胀系数，使得制动热量能迅速逸散，制动盘材料还应具有较高的热疲劳强度和制动寿命。具体地讲，高速列车制动盘应当具有如下的性能：一是稳定而均匀的摩擦性能，摩擦系数不随压力、温度和速度的变化而变化；二是良好的耐疲劳性能和极好的抗热裂纹扩展能力，以减少制动盘摩擦表面急冷急热所形成的高热应力；三是较高的耐磨性能，以减少盘面摩擦而产生的磨损；制动盘材料还应具有良好的抗摩擦热变形性能和热导率。

目前高速列车制动盘材料主要以铁系材料和钢系材料为主。铁系材料主要有高强度灰铸铁、蠕墨铸铁和球墨铸铁；钢系材料中的碳素钢、合金钢和合金铸钢材料是高速列车制动盘最为广泛的使用材料。为了满足列车不断提速的要求，又开发了铸铁——铸钢组合式制动盘。就制动盘结构而言，由于制动盘呈圆盘状结构，在制动盘摩擦面上不同圆周上的制动速度差异很大，从而形成不均匀的热应力，在制动中心部位其温度要比盘的外侧小很多，而均质材料制成的制动盘由于各部分的耐热性能和耐磨性能均是一致，这种一致性能恰恰带来了疲劳和磨损量的不一致，反而加快了热裂纹出现机率和扩展速度，不利于制动盘使用寿命的提高。因此随着列车不断增速，其速度达到甚至高于300Km/h时，现有制动盘材料和结构设计不能很好地满足高速列车制动要求。故而高速列车制动摩擦材料应当由单一材质、低热容量、低高温比强度、低耐热裂性向分段材料、高热容量、高比强度、高耐热裂的方向发展。

发明内容

针对现有技术所存在的上述不足，本发明所要解决的技术问题是提供一种高速列车制动盘，它能通过对制动盘周围空气强制引导，加快摩擦热的快速扩散，避免摩擦盘温升过高。本发明另一要解决的技术问题是提供一种制造该高速列车制动盘的材料。

为了解决上述技术问题，本发明的高速列车制动盘，包括具有盘体摩擦面和盘体背面的盘体，在盘体上设置有盘体中孔和散热筋，所述散热筋为圆弧条状结构，该散热筋的圆弧半径R与盘体外径D之比R/D=0.4～0.6；散热筋的入流角β₁= 0～15°，散热筋的排流角β₂=25～35°；相邻两散热筋之间形成通风槽，在该通风槽的底部设有通至盘体摩擦面的散热孔；所述散热筋的高度B2与盘体的厚度B1之比B2/B1=1.0～1.2。

在上述结构中，由于散热筋呈圆弧条状结构，相邻散热筋之间形成了同样呈圆弧槽形结构的通风槽，这种圆弧凸筋结构的散热筋和弧形结构的通风槽，在制动时兼具径向和切向等多方向的气流强制导向功能，引导制动盘体侧面空气沿径向、切向甚至轴向向盘体外快速扩散流动，形成能高速流经散热筋侧面和通风槽槽底的空气流场，实现了对制动盘进行强制持续的通风散热，加快摩擦制动热量的扩散。又由于在本发明中散热筋圆弧半径与盘体外径之比R/D选择在0.4～0.6之间，以及散热盘入流角β₁=0～15°，排流角β₂=25～35°，大量试验证明这些参数的选择，对高速列车行驶速度在200～400km/h时散热筋所形成泵风通风效率最高，空气更换流动最快，流经通风槽的气体流动更加顺畅，盘外冷空气能高效地从通风槽口进入到槽内，并带着大量摩擦热由槽外端而流出，使大部位摩擦热以热对流方式传递到周围空间，形成合理的空气流动场和高效的散热效果。还由于本发明优选了散热筋高度和盘体厚度比例，有利于摩擦热的快速扩散，实现了制动盘导风效率和制作安装工艺综合效果；过低的散热筋高度不能达到有效的泵风通风效果，形成不成合理的空气扩散场，而过高的散热筋又明显影响通风槽槽底表面的空气流速，且增加了散热筋的成型工艺难度，加大了制动盘的安装空间。本发明中还在通风槽槽底设置有通至盘体摩擦面的散热孔，该散热孔不仅能直接将摩擦面产生的热量带至通风槽而随空气流动散发，而且能起到较好的排粉效果，从而具有高而稳定的摩擦系数；反复的试验证明，本发明对高速列车能有针对性地强化盘体表面空气的导向和流动，比现有制动盘散热面积增加30%左右，制动功率提高12%左右，且本发明制作工艺合理，安装维修方便，结构强度高，使用寿命长。

本发明的优选实施方式，所述散热筋圆弧半径R与盘体外径D之比R/D=0.5；散热筋入流角β₁ =10°，散热筋的排流角β₂=30°，散热筋的高度B2与盘体厚度B1之比B2/ B1=1.1。该结构的制动盘各参数更加协调合理，对于高速列车制动散热效果更理想。

为了制造上述高速列车制动盘，该制动盘材料的组份及质量百分比（Wt%）为： C：0.16～0.25，Si：0.25～0.60，Mn：0.80～1.30，Cr：0.70～1.20，W：0.01～0.03，Ni：0.80～1.30，Mo：0.40～0.70，Cu：0.05～0.20，Si C：0.18～0.25， Al2O3：0.20～0.30，V：0.03～0.15，N：0.0050～0.025，Re：0.005～0.20，P≤0.015，S≤0.010，余量为Fe。

在本发明的技术方案中，由于通过对上述合金元素制动盘材料力学性能影响的分析，并结合高速列车制动盘对材质性能的要求确定了上述的材料组份和成份比例，使其不仅具有适应高速列车制动装置的高温力学性质、抗冷热疲劳性能和物理力学性能，而且具有高耐磨性、低热膨胀系数、高导热系数。因此本发明的合金材料能在高温高压下长期使用，是理想的针对高速列车的制动盘材料。尤其本发明合金材料中的SiC和Al2O3具有高耐磨性、高强度、高硬度和低膨胀系数，SiC在高温下仍能保持其固有的硬度和强度，在合金材料中添加SiC使其导热率很高，热膨胀又小、抗热震性很高。而且其中的Al2O3又具有较好的导热性能和较低的密度；Ni、Cr等元素的添加又使本发明的合金材料具有良好的抗磨损、抗热裂性能，且摩擦系数稳，不易受到外部环境的影响。稀土元素RE不仅能细化晶粒，提高晶界结合强度，增强材料的综合性能，而且RE能起到固溶强化和弥散强化的作用，从而提高了合金材料的力学性能和抗腐蚀性。本发明中主要元素的作用机理如下：

碳(C)：碳是合金材料中的主要元素之一，材料性能在很大程度上决定于其在钢中的含量和分布形式；碳是稳定奥氏体的元素，并且作用程度很大；材料中碳的含量增加，屈服点和抗拉强度升高，而塑性和冲击韧性会下降。

硅（Si）：硅作为还原剂和脱氧剂净化钢液，硅是铁素体形成元素，部分硅与碳形成高硬高强耐磨的SiC。

锰(Mn)：锰是具有强烈稳定奥氏体的作用，能显著提高N在奥氏体钢中的溶解度。

铬（Cr）：铬增加钢的渗透性并有二次硬化作用，能提高钢的强度、硬度和耐磨性；铬还能提高钢的高温强度，是耐热钢的重要元素。

钨（W）：钨强化碳化物形成元素，本发明中加入了上述比例的钨，达到了细化组织晶粒，提高强度和韧性的效果。

镍（Ni）：镍细化铁素体晶粒，在强度相同的条件下，镍能提高钢塑性和韧性，特别是低温韧性；其与Cr、Mo联合使用又提高钢的热强和常温强度及耐蚀性。

钼（Mo）：钼使钢的晶粒细化，提高材料的渗透性和红硬性，使合金材料能在高温时保持足够的强度和抗蠕变能力。

铜（Cu）：铜的适量添加提高了合金材料的耐大气、耐酸、碱腐蚀性，铜还能增强材料抗热冲击性能，提高材料导热性和抗热性。

钒(V)：钒与碳形成的碳化物在高温高压下可提高钢的抗氢腐蚀能力。

氮（N）：氮能提高钢的耐腐蚀性能，特别是耐晶间腐蚀点腐蚀和缝隙腐蚀性能，阻止热裂的扩展。

本发明的一种优选实施方式，在同一制动盘上分为A、B、C三个材料区域，所述A材料区域的组份及质量百分比（Wt%）为： C：0.16，Si：0.25，Mn：0.80，Cr：0.70，W：0.01，Ni：0.80，Mo：0.40，Cu：0.05，SiC：0.18， Al2O3：0.20，V：0.03，N：0.0050，Re：0.005，P≤0.015，S≤0.010，余量为Fe；所述B材料区域的组份及质量百分比（Wt%）为：C：0.20，Si：0.45，Mn：1.10，Cr：0.95，W：0.02，Ni：1.05，Mo：0.550，Cu：0.10，SiC：0.20， Al2O3：0.25，V：0.10，N：0.01，Re：0.10，P≤0.015，S≤0.010，余量为Fe; 所述C材料区域的组份及质量百分比（Wt%）为：C： 0.25，Si： 0.60，Mn： 1.30，Cr： 1.20，W： 0.03，Ni： 1.30，Mo： 0.70，Cu： 0.20，SiC： 0.25， Al2O3： 0.30，V： 0.15，N： 0.025，RE： 0.20，P≤0.015，S≤0.010，余量为Fe。所述制动盘为带有盘体中孔的圆盘结构，所述制动盘上的A、B、C三个材料区域为依次相邻三个圆环；所述A材料区域的圆环半径Ra: r≤Ra＜［r＋1/3（R－r）］；所述B材料区域的圆环半径Rb:［r＋1/3（R－r）］≤Rb＜［r＋2/3（R－r）］；；所述C材料区域的圆环半径Rc:［r＋2/3（R－r）］≤Rc≤R。该发明的实施方案根据制动盘在制动时不同的温度区域、热应力大小不同采用不同的材料组分，从而使得制动盘具有更好的整体耐磨性和抗热裂性能。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明高速列车制动盘作进一步详细说明。

图1是本发明高速列车制动盘的主视结构示意图；

图2是图1所示制动盘的左视结构示意图。

图3是采用本发明材料制动盘的盘体摩擦面材料区域分布结构示意图。

图中，1—盘体、2—散热筋、3—安装孔凸台、4—盘体中孔、5—通风槽、6—安装孔、7—散热孔、8—盘体摩擦面、9—盘体背面、A材料区域、B材料区域、C材料区域。

具体实施方式

如图1、图2所示的高速列车制动盘具有强制散热筋，该高速列车制动盘包括呈圆盘状的盘体1，盘体1具有盘体摩擦面8以及位于盘体摩擦8相对一侧的盘体背面9，在盘体背面9上均匀地分布有8个安装孔凸台3，在安装孔凸台3上设置有安装孔6，在盘体1的中心位置还设有盘体中心孔4，盘体1的外径D=695mm，盘体中心孔4的内径为378mm，安装孔6的直径为15mm。

在盘体背面9上均匀分布有48根散热筋2，相邻两根散热筋2沿盘体圆周方向间隔7.5°，散热筋2为凸出盘体背面9的呈圆弧条状结构，其截面形状为矩形；其矩形散热筋2的筋顶宽为20mm，高度为25mm。散热筋2所在圆的圆弧半径R=293mm，该圆弧半径R与盘体外径D之比R/D=293/695=0.42，该结构尺寸综合考虑了盘体大小、高速列车运行速度和散热效率。位于散热筋2外端的排流角β₂ =30°，散热筋2内端的入流角β₁ =10°，排流角β₂为散热筋圆弧面外端点的切线与该端点所在盘体半径间的夹角，入流角β₁为散热筋2圆弧面内端点的切线与该端点所在盘体半径间的夹角。两根相邻散热筋2之间形成通风槽5，试验证明通风槽5的槽口宽度选择在40~50mm之间其有较好的通风流速和散热速度，在每一通风槽5的底部均设有3个通至盘体摩擦面8的散热孔7，散热孔7内径为15mm。

盘体厚度B1=24mm，散热筋2的高度B2=25mm, 盘体1及其上的散热筋由整体铸造而成，散热筋高度B2与盘体厚度B1之比为B2/ B1=1.04。

本发明申请人通过1：1制动动力试验台对制动盘进行大量实际试验和空气流场的分析证明，制动盘的散热效果与列车行驶速度和制动盘结构直接关联，目前申请人尚未发现业界有相关的研究和报送。经使用和研究分析显示，当列车行驶速度在200km/h～400km/h时，盘体1上的散热筋圆弧半径R与盘体1外径D之比应优先选择在R/D=0.4～0.6之间，散热筋入流角β₁=0～15°，散热筋排流角β₂=25～35°；散热筋高度B2与盘体厚度B1之比优先选择在B2/ B1=1.0～1.2。

除此之外，本发明的制动盘体不限于由整体锻造而成的整体结构，还可以是分体组装的分体结构，如制动盘由二块盘块或四块盘块拼装组合而成。通风槽5槽底的散热孔7也不限于在槽底均布，应根据盘体摩擦热场不等距地分布，同一通风槽5中的散热孔7也不限于3个，而应根据实际使用和结构情况确定，安装孔凸台3既有增强安装孔周边强度的作用，也有盘体安装定位的功能，因此既可在每一安装孔凸台3上设有安装孔6，也可有选择地在安装凸台3上设置安装孔6。

如图3所示的高速列车锻造制动盘。在该制动盘的盘体摩擦面上，设置有安装孔，制动盘盘体半径为r，制动盘盘体分为A、B、C三个具有相同材料组分不同组分百分比的材料区域。该A、B、C三个材料区域为依次相邻的三个圆环，制动盘体可由三个圆环拼装而成，也可以由不同组分百分比材料分区域整体锻造而成。在同一制动盘上分为A、B、C三个材料区域，所述A材料区域的组份及质量百分比（Wt%）为： C：0.16，Si：0.25，Mn：0.80，Cr：0.70，W：0.01，Ni：0.80，Mo：0.40，Cu：0.05，SiC：0.18， Al2O3：0.20，V：0.03，N：0.0050，Re：0.005，P≤0.015，S≤0.010，余量为Fe；所述B材料区域的组份及质量百分比（Wt%）为：C：0.20，Si：0.45，Mn：1.10，Cr：0.95，W：0.02，Ni：1.05，Mo：0.550，Cu：0.10，SiC：0.20， Al2O3：0.25，V：0.10，N：0.01，Re：0.10，P≤0.015，S≤0.010，余量为Fe; 所述C材料区域的组份及质量百分比（Wt%）为：C： 0.25，Si： 0.60，Mn： 1.30，Cr： 1.20，W： 0.03，Ni： 1.30，Mo： 0.70，Cu： 0.20，SiC： 0.25， Al2O3： 0.30，V： 0.15，N： 0.025，RE： 0.20，P≤0.015，S≤0.010，余量为Fe。所述制动盘为带有盘体中孔的圆盘结构，所述制动盘上的A、B、C三个材料区域为依次相邻三个圆环；所述A材料区域的圆环半径Ra: r≤Ra＜［r＋1/3（R－r）］；所述B材料区域的圆环半径Rb:［r＋1/3（R－r）］≤Rb＜［r＋2/3（R－r）］；；所述C材料区域的圆环半径Rc:［r＋2/3（R－r）］≤Rc≤R。

上述高速列车锻造制动盘材料采用重熔法制备，采用碱性炉衬，造碱性渣。为了获得性能优良的制动盘材料，需先对材料进行预备热处理，然后再进行调质处理。

Claims

1.一种高速列车制动盘，包括具有盘体摩擦面（8）和盘体背面（9）的盘体（1），在盘体（1）上设置有盘体中孔（4）和散热筋（2），其特征在于：所述散热筋（2）为圆弧条状结构，该散热筋（2）的圆弧半径R与盘体（1）外径D之比R/D=0.4～0.6；散热筋（2）的入流角β₁= 0～15°，散热筋（2）的排流角β₂=25～35°；相邻两散热筋（2）之间形成通风槽（5），在该通风槽（5）的底部设有通至盘体摩擦面（8）的散热孔（7）；所述散热筋（2）的高度B2与盘体（1）的厚度B1之比B2/B1=1.0～1.2。

2.根据权利要求1所述的高速列车制动盘，其特征在于:所述散热筋（2）圆弧半径R与盘体（1）外径D之比R/D=0.5；散热筋（2）入流角β₁ =10°，散热筋（2）的排流角β₂=30°，散热筋（2）的高度B2与盘体（1）厚度B1之比B2/ B1=1.1。

3.根据权利要求1所述的高速列车制动盘，其特征在于:在所述盘体背面（9）上设有安装孔凸台（3），在安装孔凸台（3）上设有安装孔（6）。

4.根据权利要求1所述的高速列车制动盘，其特征在于:所述通风槽（5）的槽口宽度为40mm～50mm。

5.根据权利要求1所述的高速列车制动盘，其特征在于:所述散热筋（2）的截面形状为矩形或梯形。

6.根据权利要求1所述的高速列车制动盘，其特征在于:所述盘体（1）采用整体结构或分体结构。

7.一种制造权利要求1所述高速列车制动盘的材料，其特征在于：该制动盘材料的组份及质量百分比（Wt%）为： C：0.16～0.25，Si：0.25～0.60，Mn：0.80～1.30，Cr：0.70～1.20，W：0.01～0.03，Ni：0.80～1.30，Mo：0.40～0.70，Cu：0.05～0.20，Si C：0.18～0.25， Al2O3：0.20～0.30，V：0.03～0.15，N：0.0050～0.025，Re：0.005～0.20，P≤0.015，S≤0.010，余量为Fe。

8.根据权利要求7所述的高速列车锻造制动盘材料，其特征在于：在同一制动盘上分为A、B、C三个材料区域，所述A材料区域的组份及质量百分比（Wt%）为： C：0.16，Si：0.25，Mn：0.80，Cr：0.70，W：0.01，Ni：0.80，Mo：0.40，Cu：0.05，SiC：0.18， Al2O3：0.20，V：0.03，N：0.0050，Re：0.005，P≤0.015，S≤0.010，余量为Fe；所述B材料区域的组份及质量百分比（Wt%）为：C：0.20，Si：0.45，Mn：1.10，Cr：0.95，W：0.02，Ni：1.05，Mo：0.550，Cu：0.10，SiC：0.20， Al2O3：0.25，V：0.10，N：0.01，Re：0.10，P≤0.015，S≤0.010，余量为Fe; 所述C材料区域的组份及质量百分比（Wt%）为：C： 0.25，Si： 0.60，Mn： 1.30，Cr： 1.20，W： 0.03，Ni： 1.30，Mo： 0.70，Cu： 0.20，SiC： 0.25， Al2O3： 0.30，V： 0.15，N： 0.025，RE： 0.20，P≤0.015，S≤0.010，余量为Fe。

9.根据权利要求8所述的高速列车制动盘材料，其特征在于：所述制动盘为带有盘体中孔的圆盘结构，所述制动盘上的A、B、C三个材料区域为依次相邻三个圆环；所述A材料区域的圆环半径Ra: r≤Ra＜［r＋1/3（R－r）］；所述B材料区域的圆环半径Rb:［r＋1/3（R－r）］≤Rb＜［r＋2/3（R－r）］；；所述C材料区域的圆环半径Rc:［r＋2/3（R－r）］≤Rc≤R。