CN107304281B - 一种地铁车辆用合成闸瓦及其制备方法 - Google Patents

Abstract

一种地铁车辆用合成闸瓦的摩擦体，其原料重量配比分为两部分，第一部分为：酚醛树脂10％‑13％、氧化铝1％‑2％、还原铁粉7％‑10％、钢纤维10％‑13％、沉淀硫酸钡10％‑15％、碳酸钙8％‑12％、硅灰石2％‑3％、鳞片石墨3％‑4％、钾长石粉8％‑11％、海泡石绒7％‑11％、膨胀蛭石3％‑6％、摩擦粉3％‑5％；第二部分为：橡胶9％‑11％、氧化锌0.4％‑0.6％、硬脂酸锌0.3％‑0.7％、工业硫磺粉0.3％‑0.7％、高耐磨碳黑0.3％‑0.7％、防老剂0.1％‑0.2％、促进剂0.1％‑0.2％。本发明提供的合成闸瓦的摩擦体，制动性能优良，闸瓦硬度、压缩模量、磨耗量低，压缩强度、冲击强度高。

Description

一种地铁车辆用合成闸瓦及其制备方法

技术领域

本发明属于地铁车辆零部件制造领域，特别涉及一种地铁车辆用闸瓦。

背景技术

近几年来，我国城市轨道交通发展迅速，截止2014年年底，全国城市轨道交通线路总里程达到了2886km，总投资达到了5000亿元。城市轨道交通的蓬勃发展必然带来地铁车辆用合成闸瓦的大量需求。合成闸瓦为易损易耗件，需要根据磨耗情况定期更换，年消耗量较大。城市轨道交通的公交化特点对摩擦制动材料提出更高的要求：制动平稳、无噪音、对车轮踏面损伤小等。由于目前国内生产的地铁用闸瓦普遍存在裂纹、掉块、磨耗量大、摩擦性能不稳定、制动噪声大、金属镶嵌、车轮踏面热裂及严重波浪犁沟状磨耗等问题，制动性能不能满足目前地铁车辆的运营需要，因而目前国内绝大部分地铁车辆采用进口合成闸瓦(以克诺尔、霍尼韦尔为主)，而进口闸瓦存在价格高昂，采购周期长等问题，在很大程度上影响车辆运营维护成本。因此，研制开发出具有自主产权的满足地铁车辆制动需要的合成闸瓦，打破国外产品垄断，有非常重要的现实意义。

目前应用在国内地铁车辆上的国产合成闸瓦主要有橡胶基和树脂基无石棉合成闸瓦。它们主要应用在速度80km/h以下和轴重21T以下的地铁车辆。这些合成闸瓦的性能较之前有了很大的提高，但与国外同类产品相比，普遍存在裂纹、掉块、磨耗量大、摩擦性能不稳定、制动噪声大、金属镶嵌、车轮踏面热裂及严重波浪犁沟状磨耗等问题。

公布号为CN 103410893 A的发明专利摩擦磨损性能优异、制动性能稳定，解决了城市轨道合成闸瓦金属镶嵌、热裂纹、热斑以及雨雪天气条件下摩擦系数下降过快等问题。但冲击强度低，压缩模量大，制动过程中闸瓦易产生裂纹、掉块、制动噪声大等问题。

公布号为CN 102588478 B的发明专利制成的合成闸瓦具有强度高，热稳定性好，吸热散热性好，耐磨损，摩擦系数稳定的优点，能够防止金属镶嵌、踏面热裂等损伤。但该闸瓦制备过程中要用甲苯作为溶剂，这样会损害操作人员健康，也不利于环保；且闸瓦硬度较高，制动噪声大。

发明内容

针对上述问题，本发明提供了一种地铁车辆用合成闸瓦及其制备方法，所采用的技术方案为：

一种地铁车辆用合成闸瓦的摩擦体，其原料重量配比分为两部分，第一部分为：酚醛树脂10％-13％、氧化铝1％-2％、还原铁粉7％-10％、钢纤维10％-13％、沉淀硫酸钡10％-15％、碳酸钙8％-12％、硅灰石2％-3％、鳞片石墨3％-4％、钾长石粉8％-11％、海泡石绒7％-11％、膨胀蛭石3％-6％、摩擦粉3％-5％；第二部分为：橡胶9％-11％、氧化锌0.4％-0.6％、硬脂酸锌0.3％-0.7％、工业硫磺粉0.3％-0.7％、高耐磨碳黑0.3％-0.7％、防老剂0.1％-0.2％、促进剂0.1％-0.2％。

优选的，所述酚醛树脂为腰果壳油改性酚醛树脂，其流动度为25-40mm，200目全通过。酚醛树脂作为粘结剂，是摩擦体的组成核心，但酚醛树脂性脆而硬，造成摩擦体也材质脆硬，弹性模量高，抗冲击性能差，易裂纹掉块。经腰果壳油改性的酚醛树脂韧性有明显的改善，这是因为腰果壳油分子中的柔性脂肪链起到了内增塑的作用，该树脂分子量分布窄，柔韧性好，所得产品压缩模量适中，能与踏面完全贴合，不产生热裂纹、制动噪声。

优选的，所述橡胶采用丁腈橡胶。橡胶含量对闸瓦的制动性能影响极大，含量过低，容易造成材料脱落，磨损增大；含量过高，制得闸瓦硬度过低，极易产生金属镶嵌，车轮“抱死”问题，造成行车安全隐患。本发明经过优选，选用9％-11％的丁腈橡胶制得闸瓦压缩模量适中，冲击强度高，无裂纹、掉块现象，无金属镶嵌，能与踏面完全贴合，不产生制动噪声。

特别的，所述碳酸钙采用经过硅烷偶联剂KH-550进行表面处理的碳酸钙晶须。用经硅烷偶联剂KH-550表面处理的碳酸钙晶须代替传统的重质碳酸钙后，闸瓦的减振、防滑、降噪、耐磨、耐热性能都有了很大能高，摩擦性能稳定，热衰退与热恢复性能较好，高温摩擦磨损性能优越；而且其原料来源丰富，价格低，能减少钢纤维、硅灰石等高价值材料的用量，使摩擦材料成本大大降低。

优选的，所述膨胀蛭石吸声系数为0.53-0.63，莫氏硬度为1.0-1.5。膨胀蛭石是蛭石精矿在800～1000℃体积迅速膨胀6～15倍而得，内部具有很多细小的空气隔层，故具有很强的吸声性能，一般在0.53～0.63之间；其次膨胀蛭石莫氏硬度为1～1.5，硬度低。所以利用膨胀蛭石可以调节闸瓦的硬度和吸声系数，从而可以保护制动对偶，减少或避免噪声的产生；另外，膨胀蛭石具有可松懈性和分散性，内外表面很大，可以和基体紧密连接，具有较高的粘结强度，抗剪切、抗拉、抗压应力，可作为增强材料使用。

本发明中，在原料中加入了摩擦粉。摩擦粉是一种由热固性树脂、石墨和金属氧化物混合制成的疏松的颗粒，疏松物的存在可以减小振动，吸收一定波长的噪声，减少制动噪声。另外，摩擦粉是一种有机和无机的共生物，可以使闸瓦在工作时与车轮踏面较好地贴合，使闸瓦与制动对偶作用为黏着摩擦与切削犁刨摩擦两者相结合，从而减少车轮踏面的损伤。

同时，本发明还提供了一种地铁车辆用合成闸瓦的摩擦体制备方法，包括如下步骤：

1)配料，按照原材料配比，根据材料种类和所需料量选用合适的电子秤型准确称重，要求单种料称重误差≤1％；不同的原材料放在不同标识的料盒内并做好记录；

2)混料，分两步进行，先用立式混料机混合第一部分原料，用密炼机混合第二部分原料，然后将混好的第一部分原料加入到密炼机中与第二部分原料共混；

3)静置，混料完毕后将胶料放置12小时备用。刚炼好的胶料可能出现假可塑度现象，分子处于紧张状态，须一定的时间将分子内应力卸去，以降低胶料的变形，提高产品性能稳定性；静置使配合剂在停放过程中继续扩散，以促进均匀分散；静置使橡胶与碳黑之间进一步生成结合橡胶，提高补强效果。

4)粉碎，将混炼后静置12个小时后的胶料，进行粉碎，并用筛网筛选。混炼放置12个小时后的胶料，由于橡胶的粘结作用，会出现较大的块状胶料，影响热压成型，闸瓦会出现裂纹、起泡、分层等缺陷，故需要事先粉碎。

5)热压成型，压制前将上下模放在模具上预热；预热到设定温度后，模具内腔、上下模均匀喷上脱模剂，将下模小心放入模具腔中，再倒入称量准确的胶料，然后放入经表面抛丸处理、喷胶晾干后的瓦背，将上模轻放在瓦背上，启动程序，开始压制，压制经保压-排气循环后保压固化，直至程序完成。闸瓦压制采用315吨四柱液压机，压制参数具体如下：压制温度160±5℃；压机压力：4±1Mpa。

胶料中的树脂在一定压制温度下，大分子的活性官能团在固化剂作用下相互作用，进行缩聚反应，最终转变成不熔不溶的具有网状交联结构的固化产物，此过程是不可逆的。若压制温度过，高树脂固化过快，胶料流动性降低，来不及均匀填满模腔就可以固化，造成产品边角缺损或疏松不均，机械强度受到影响；温度过低，固化速度过慢，生产效率低，产品发软，在内部水分及挥发物总蒸汽压的作用下，出现气泡缺陷，所以温度的控制非常重要。

压制压力和成型温度同样重要，压力过低，产品密实性差，质地疏松，厚薄不均，边角缺损；压力过高不但会使产品硬度过高，压缩模量过大，影响使用性能，而且会增大能耗，造成模具及压机损坏及产品边缘破损而报废。

6)热处理，将压制成型后的合成闸瓦踏面朝上平整排放在固化炉料架中，每块最少间隔10mm，确保热空气流动顺畅，炉内各处温度均匀。关闭炉门，依次开启总电源，鼓风、加热电源，按照设定的热处理曲线程序运行。程序运行结束，依次关闭关闭鼓风、加热电源，总电源，随炉自然冷却至50℃以下后打开炉门，取出产品。热处理后检查闸瓦外观不应有起泡、裂纹、分层、疏松、翘曲等缺陷；摩擦体与瓦背应紧密结合。

热处理使产品中树脂彻底固化，从而使其摩擦性能稳定；消除热压成型后产品的热应力，防止产品出现翘曲变形；减少产品的热膨胀。

特别的，所述步骤2)混料又包括如下步骤：

a、由立式混料机进料口投入海泡石绒，关闭进料口预混120秒；停止运行60秒后开启进料口再加入第一部分原料剩下的物料，关闭进料口，混合180秒后停止运行；检查混料质量后将混好的第一部分原料倒入料盒；

b、橡胶塑炼：将丁腈橡胶切成20cm×20cm×20cm的方块，按配比称好后放入密炼机的混料槽内，关闭槽门；设定塑炼时间30分钟，开机塑炼，控制槽内温度≤120℃，炼好后将橡胶放置12小时备用；

c、橡胶混炼：将塑炼好后放置12小时后的橡胶放入密炼机混料槽内再炼10分钟，控制温度≤120℃；然后将第二部分原料中的其他物料倒入混料槽内，炼10分钟后，倒入混好的第一部分原料，进行混炼，混炼时间为40分钟，控制槽内温度≤80℃；混炼结束后，取样目测混料的均匀度，然后将混料槽倾转，将混炼好的料倒入料盒中放置12小时备用。

特别的，在步骤c中，在倒入混好的第一部分原料混炼的同时加入混料总重0.5％～1％的工业酒精。由于原料大多为粉体，橡胶配比较少的情况下，短时间内粉料不能与橡胶充分混合，还容易引起粉尘飞扬，污染环境。加入一定比例的工业酒精后，一方面酒精对粉料起到了浸渍、湿润作用，减少粉尘飞扬；另一方面对橡胶起到了外增塑剂的作用，与橡胶发生溶胀作用，增加了橡胶的可塑性，可以快速与粉料充分均匀混合。既优化了工作环境，又提高了工作效率和混炼质量。经验证，加入的酒精在混炼产生的温度下及经过12个小时的放置后，会完全挥发，不会对混炼好的胶料的质量产生影响。

优选的，所述海泡石绒在步骤2)混料前经过烘干处理，在80℃～90℃烘箱中烘1.5～2小时，检测含水率≤1％。

特别的，在步骤5)热压成型中，保压-排气循环次数为8次，保压20s，排气10s，所述保压固化的时间为1200s。首次加压后需要解除压力，将胶料中及固化过程中产生的水分、游离甲醛、氨等挥发物排出模外，以免在巨大的蒸汽压作用下引起产品起泡、鼓胀、裂纹等缺陷，此操作称为排气。首次排气应在闭模20-60s内进行，此时胶料尚处于可塑状态，排气过迟，因树脂已固化，高压气体不易排出，造成内部鼓胀、开裂。排气后保压固化时间需根据产品厚度计算得出，产品越厚，内部受热越慢，达到充分固化的时间也越长，通常每毫米厚度为40-90s。

本发明提供了一种地铁车辆用合成闸瓦及其制备方法，依照提供的制备方法制备的合成闸瓦克服了现有技术的不足，产品制动性能优良，闸瓦硬度、压缩模量、磨耗量低，压缩强度、冲击强度高。硬度、压缩模量稍低，既保证闸瓦制动过程不产生金属镶嵌，又能与踏面完全贴合，不产生热裂纹、严重波浪犁沟状磨耗、制动噪声等；磨耗量低可以延长闸瓦更换周期，节省使用成本；压缩强度、冲击强度稍高，能保证闸瓦力学强度，摩擦制动性能稳定。

附图说明

图1为本发明中合成闸瓦的示意图

1、瓦背2、摩擦体3、与车轮踏面贴合处

具体实施方式

实施例1

一种地铁车辆用合成闸瓦的摩擦体，其原料重量配比分为两部分，各部分原料配比和技术指标为：

所述地铁车辆用合成闸瓦的制备方法如下：

1)称料：

a)按照原材料配比，根据材料种类和所需料量选用合适的电子秤型准确称重，要求单种料称重误差≤1％；不同的原材料放在不同标识的料盒内并做好记录。

b)称好后，清点配方种类，然后称取所有原料及料盒的总重量，减去所用料盒的总重量，复查所称取的原材料总重误差应≤1％；若不符，所有原材料逐一复称，查明称量失误所在，增减原料。

2)混料：

a)原料中的海泡石绒极易吸潮，故混料前应预先将其在80℃～90℃烘箱中烘1.5～2小时，检测含水率≤1％；

b)混料分两步进行，先用立式混料机混合原料A，用密炼机混合原料B，然后将混好的原料A加入到密炼机中与原料B共混。分步混料的目的在于各种原料可以混合更均匀。

混料分两步进行，具体如下：

c)由立式混料机进料口投入已烘干合格的海泡石绒，关闭进料口预混(将海泡石绒纤维打散，以利于接下来与其他原料混合)120秒；停止运行60秒后开启进料口再加入原料A剩下的物料，关闭进料口，混合180秒后停止运行；检查混料质量后将混好的原料A料倒入料盒，做好记录。

d)橡胶塑炼：将丁腈橡胶切成20cm×20cm×20cm的方块，按配比称好后放入密炼机的混料槽内，关闭槽门；设定塑炼时间30分钟，开机塑炼，控制槽内温度≤120℃；炼好后橡胶放置12小时备用。

e)橡胶混炼：将塑炼好后放置24小时后的橡胶放入密炼机混料槽内再炼10分钟，控制温度≤120℃；然后将原料B中其他物料倒入混料槽内，炼10分钟后，倒入混好的原料A，同时加入混料总重0.5％～1％的工业酒精，进行混炼，混炼时间为40分钟，控制槽内温度≤80℃；混炼结束后，取样目测混料的均匀度，然后将混料槽倾转，将混炼好的料倒入料盒中，并做好记录。混料好后胶料放置12小时备用。

3)粉碎：

混炼放置12个小时后的胶料，由于橡胶的粘结作用，会出现较大的块状胶料，影响热压成型，闸瓦会出现裂纹、起泡、分层等缺陷，故需要事先粉碎。胶料用爪刀型强力塑料粉碎机粉碎，筛网直径选5mm。

4)热压成型：

压制前将上下模放在模具上预热；预热到设定温度后，模具内腔、上下模均匀喷上脱模剂，将下模小心放入模具腔中，再倒入称量准确的胶料，然后放入经表面抛丸处理、喷胶晾干后的瓦背，将上模轻放在瓦背上，启动程序，开始压制，压制经保压-排气循环8次后保压固化，直至程序完成。

闸瓦压制采用315吨四柱液压机，压制参数具体如下：压制温度160±5℃；压机压力：4±1Mpa(经换算，闸瓦受力为17Mpa左右)；保压-排气参数：保压时间20秒，排气时间10秒，排气8次；保压固化时间：1200秒。

5)热处理：

将压制成型后的合成闸瓦踏面朝上平整排放在固化炉料架中，每块最少间隔10mm，确保热空气流动顺畅，炉内各处温度均匀。关闭炉门，依次开启总电源，鼓风、加热电源，按照设定的热处理曲线程序运行。程序运行结束，依次关闭关闭鼓风、加热电源，总电源，随炉自然冷却至50℃以下后打开炉门，取出产品。热处理后检查闸瓦外观不应有起泡、裂纹、分层、疏松、翘曲等缺陷；摩擦体与瓦背应紧密结合。

实施例2

一种地铁车辆用合成闸瓦的摩擦体，其原料重量配比分为两部分，各部分原料配比和技术指标为：

所述地铁车辆用合成闸瓦的制备方法如实施例1。

实施例3

一种地铁车辆用合成闸瓦的摩擦体，其原料重量配比分为两部分，各部分原料配比和技术指标为：

所述地铁车辆用合成闸瓦的制备方法如实施例1。

Claims (9)

1.一种地铁车辆用合成闸瓦的制备方法，其特征在于，采用的原料及重量配比分为两部分，第一部分为：酚醛树脂10％-13％、氧化铝1％-2％、还原铁粉7％-10％、钢纤维10％-13％、沉淀硫酸钡10％-15％、碳酸钙8％-12％、硅灰石2％-3％、鳞片石墨3％-4％、钾长石粉8％-11％、海泡石绒7％-11％、膨胀蛭石3％-6％、摩擦粉3％-5％；第二部分为：橡胶9％-11％、氧化锌0.4％-0.6％、硬脂酸锌0.3％-0.7％、工业硫磺粉0.3％-0.7％、高耐磨碳黑0.3％-0.7％、防老剂0.1％-0.2％、促进剂0.1％-0.2％；

地铁车辆用合成闸瓦的制备方法包括如下步骤：

1)配料，按照原材料配比，根据材料种类和所需料量选用合适的电子秤型准确称重，要求单种料称重误差≤1％；不同的原材料放在不同标识的料盒内并做好记录；

2)混料，分两步进行，先用立式混料机混合第一部分原料，用密炼机混合第二部分原料，然后将混好的第一部分原料加入到密炼机中与第二部分原料共混；

3)静置，混料完毕后将胶料放置12小时备用；

4)粉碎，将混炼后静置12个小时后的胶料，进行粉碎，并用筛网筛选；

5)热压成型，压制前将上下模放在模具上预热；预热到设定温度后，模具内腔、上下模均匀喷上脱模剂，将下模小心放入模具腔中，再倒入称量准确的胶料，然后放入经表面抛丸处理、喷胶晾干后的瓦背，将上模轻放在瓦背上，启动程序，开始压制，压制经保压-排气循环后保压固化，直至程序完成；

6)热处理，将压制成型后的合成闸瓦踏面朝上平整排放在固化炉料架中，每块最少间隔10mm，确保热空气流动顺畅，炉内各处温度均匀，关闭炉门，依次开启总电源、鼓风、加热电源，按照设定的热处理曲线程序运行，程序运行结束，依次关闭鼓风、加热电源、总电源，随炉自然冷却至50℃以下后打开炉门，取出产品。

2.根据权利要求1所述的地铁车辆用合成闸瓦的制备方法，其特征在于，所述酚醛树脂为腰果壳油改性酚醛树脂，其流动度为25-40mm，200目全通过。

3.根据权利要求1所述的地铁车辆用合成闸瓦的制备方法，其特征在于，所述橡胶采用丁腈橡胶。

4.根据权利要求1所述的地铁车辆用合成闸瓦的制备方法，其特征在于，所述碳酸钙采用经过硅烷偶联剂KH-550进行表面处理的碳酸钙晶须。

5.根据权利要求1所述的地铁车辆用合成闸瓦的制备方法，其特征在于，所述膨胀蛭石吸声系数为0.53-0.63，莫氏硬度为1.0-1.5。

6.根据权利要求1所述的地铁车辆用合成闸瓦的制备方法，其特征在于，所述步骤2)混料又包括如下步骤：

a、由立式混料机进料口投入海泡石绒，关闭进料口预混120秒；停止运行60秒后开启进料口再加入第一部分原料剩下的物料，关闭进料口，混合180秒后停止运行；检查混料质量后将混好的第一部分原料倒入料盒；

b、橡胶塑炼：将丁腈橡胶切成20cm×20cm×20cm的方块，按配比称好后放入密炼机的混料槽内，关闭槽门；设定塑炼时间30分钟，开机塑炼，控制槽内温度≤120℃，炼好后将橡胶放置12小时备用；

c、橡胶混炼：将塑炼好后放置12小时后的橡胶放入密炼机混料槽内再炼10分钟，控制温度≤120℃；然后将第二部分原料中的其他物料倒入混料槽内，炼10分钟后，倒入混好的第一部分原料，进行混炼，混炼时间为40分钟，控制槽内温度≤80℃；混炼结束后，取样目测混料的均匀度，然后将混料槽倾转，将混炼好的料倒入料盒中放置12小时备用。

7.根据权利要求6所述的地铁车辆用合成闸瓦的制备方法，其特征在于，在步骤c中，在倒入混好的第一部分原料混炼的同时加入混料总重0.5％～1％的工业酒精。

8.根据权利要求6所述的地铁车辆用合成闸瓦的制备方法，其特征在于，所述海泡石绒在混料前经过烘干处理，在80℃～90℃烘箱中烘1.5～2小时，检测含水率≤1％。

9.根据权利要求1所述的地铁车辆用合成闸瓦的制备方法，其特征在于，在步骤5)热压成型，所述保压-排气循环次数为8次，保压20s，排气10s，所述保压固化的时间为1200s。