CN108313087A - 一种涡流轨道制动系统用磨耗板及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种涡流轨道制动系统用磨耗板，包括金属基材和非金属基材，金属基材和非金属基材的部分表面结合在一起，非金属基材的材质为高分子材料，金属基材与高分子基材的体积比为4:1‑3:2。本发明还提供一种上述磨耗板的制备方法，包括预制金属基材、加工金属基材、成孔腐蚀接触表面、将非金属基材注塑在接触表面、对磨耗板进行成型加工。本发明设计了一种涡流轨道制动系统用的磨耗板，该磨耗板能够放置于制动系统和轨道之间，通过其材料结构提升系统的制动能力。本发明能够有效防止金属基材和非金属基材这两种材质拼合而成的整体结构在长期受到涡流和摩擦作用下发生移位。

Description

一种涡流轨道制动系统用磨耗板及其制造方法
技术领域
本发明涉及轨道制动系统部件，尤其涉及一种涡流轨道制动系统用的磨耗板及其制造方法。
背景技术
铁路运输能力短缺已成为制约我国经济建设发展的主要矛盾之一。高速铁路因其运输能力大、安全舒适、全天候运输和可持续性等优势，已经成为铁路发展的基本趋势和国家现代化的基本保证。按照《中长期铁路网规划》，我国高速铁路的建设里程在2020年将达到18000公里。
制动技术是高速列车的九大关键技术之一，是“生命的保护神”。制动过程中制动功率与列车速度三次方成正比，与制动距离成反比。因而伴随着列车速度要求的不断提高，制动系统面临着更加严酷的考验与挑战，制动系统的可靠性和安全导向成为制约列车运行安全的重要影响因素。
目前我国的电气化列车普遍采用动力制动与摩擦制动相结合的模式。动力制动就是通过牵引电机发电状态运行将列车动能转换为电能来实现制动。这种方式节能、环保、控制性能好，但由于容量的限制、安全性的考虑和拖车制动、紧急制动、非常制动等要求，不能独立满足列车制动的需要，必须由其他制动方式予以补充。利用轨道和车轮之间的摩擦力(以下称作粘着力)的粘着型制动装置已被大量的用作用于高速轨道线的轨道车辆的制动装置，粘着的强度决定了粘着制动器产生的最大制动力。从原理上讲，粘着制动系统是通过列车车轮和钢轨之间的粘着来传递制动力的，都受到粘着限制。由于制动力过大将导致粘着失效，且轮轨间滑动摩擦力远小于粘着力，因而此时制动力将急剧下降，甚至导致严重的轮对与轨道擦伤。
轨道涡流系统因其磨损小、控制性能好而被公认为是最有希望的下一代高速列车制动系统。但从技术上讲，现有的铁路涡流轨道制动系统也并非完美无缺。现有的ICE3采用的涡流轨道制动系统虽然采用释压下放来保证当空气系统失效时风缸动作，但当电路失效时由于失去励磁将直接导致制动力丧失。此外当列车停放时电源切断，自然涡流制动系统不能工作。因此，设计开发与高速工况相匹配的列车制动机构，并解决现有的轨道涡流制动系统中存在的问题，将为我国高速列车技术的进一步提高提供技术支持，具有重要的应用价值和现实意义。
发明内容
本发明首先要解决的技术问题是提供一种涡流轨道制动系统用磨耗板，其具有优异的制动和耐磨效果。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：一种涡流轨道制动系统用磨耗板，包括金属基材和非金属基材，金属基材和非金属基材的部分表面结合在一起，非金属基材的材质为高分子材料，金属基材与高分子基材的体积比为4:1-3:2。
进一步地，金属基材的材质为铜合金。
进一步地，铜合金的成分是CuFe，其中，Fe含量为1wt.％～10wt.％。
进一步地，铜合金的成分是CuNiFe，其中，Ni含量为2wt.％～10wt.％，Fe含量为1wt.％～5wt.％。
进一步地，铜合金的成分是CuNiAgFe，其中，Ni含量为2wt.％～10wt.％，Fe含量为1wt.％～5wt.％，Ag含量为0.5wt.％～1wt.％。
进一步地，非金属基材的成分包括橡胶和聚酯纤维，其中，聚酯纤维的含量为15wt.％～18wt.％。
本发明所要解决的另一个技术问题是提供一种上述涡流轨道制动系统用磨耗板的制备方法，该方法包括以下步骤：
(1)预制金属基材；
(1.1)根据金属基材的成分比称量所需的纯Cu块，纯Fe块和纯Ag块；
(1.2)将上述原料置于中频感应炉中加热熔化，熔化时熔池上方覆盖石墨层保护；
(1.3)将金属熔体浇铸于铁模获得圆棒坯料；
(1.4)对坯料进行均匀化退火处理，均匀化温度950～1000度，保温时间1～4小时；
(1.5)对均匀化处理后的圆棒坯料进行热锻为方形粗坯，打碎粗大的铸态组织并消除气孔等铸造缺陷，热锻温度700～950度，加工变形量控制在50％～80％；
(2)按照磨耗板的尺寸要求加工金属基材，对锻件进行车铣机加工获得所需外形尺寸；
(3)以脉冲溶解的方式在金属基材的接触表面进行成孔腐蚀；
(3.1)对已经铣出槽的金属基材进行脱油脱脂处理；
(3.2)将金属基材置于电解槽中，金属基材作为阳极，1mol/L的CuSO4为电解液，不锈钢板为阴极；
(3.3)对电解槽施加电流，使金属基材发生阳极溶解，除去表面氧化层，通电时间1～20s，电流密度0.01～1A/cm2；
(3.4)对电解槽施加脉冲电流，使金属表面发生选择性间歇溶解，脉冲频率1～50Hz，占空比0.5～2，电流密度0.1～10A/cm2，通电时间1～120min；
(4)以金属基材为模具，将非金属基材注塑在金属基材的接触表面；
(4.1)按照非金属基材的成分比称取橡胶原料和聚酯纤维原料；
(4.2)将橡胶原料加热至180-185℃，保温1-2小时；
(4.3)将聚酯纤维原料加热至275-280℃，保温30分钟，然后置于室温下逐渐冷却；
(4.4)当聚酯纤维原料冷却至200℃时，将保温的橡胶原料加入其中，并恒温搅拌15-20分钟；
(4.5)将搅拌均匀的混合非金属原料，均匀地浇铸在金属基材的接触表面；
(5)对磨耗板进行成型加工。
进一步地，接触表面是指金属基材和非金属基材粘合在一起的表面。
进一步地，成孔腐蚀是指对金属基材的接触表面进行腐蚀处理，使其表面形成多个腐蚀孔，多个腐蚀孔均布于接触表面，孔洞直径为0.01-2mm，相邻腐蚀孔之间的间距在0.03-5mm，多个腐蚀孔中至少有1/3数量的腐蚀孔形成套孔结构，该套孔结构是指，以一个最接近表面的孔为基础孔，在基础孔的孔壁上进一步腐蚀出至少一个附加孔。
进一步地，成型加工是指通过切割的方式去除超出设计尺寸之外的多余材料，然后对半成品进行铣磨加工，直至形成所需的形状，最后对产品进行表面粗糙度处理。
本发明的有益效果是：本发明设计了一种涡流轨道制动系统用的磨耗板，该磨耗板能够放置于制动系统和轨道之间，通过其材料结构提升系统的制动能力。该磨耗板采用金属基质和非金属基质的复合结构，充分结合了高分子材料合适的耐磨性能和自润滑性能，以及金属材料的重载负荷能力与良好导热性能，保障磨耗板具有合适的摩擦性能。本发明中对金属材料的成分进行了改进，除了通用的铜元素之外，结合了铁、银和一些稀土元素，在提升了金属基质的永磁性能的同时还能够在一定程度上增强其耐磨性能，此外，磨耗板中金属部分能够辅助磁系统的永磁体磁力线直达钢轨，消除了永磁体与钢轨的磁隙，增强涡流效应。在磨耗板成型时，高分子材料的表面略高于金属基质的表面，这样，高分子材料最先与轨道接触，能够清扫轨道表面可能存在的硬质磨屑或灰尘，避免这些硬质颗粒与铜合金及钢轨摩擦而划伤钢轨表面。更重要的是，本发明以金属基材为模具，在其表面加工出能够将非金属基材浇铸固定在其上的腐蚀孔洞，当非金属基材浇铸之后，部分渗入并融合到该腐蚀孔洞中，形成可靠的结构，能够有效防止金属基材和非金属基材这两种材质拼合而成的整体结构在长期受到涡流和摩擦作用下发生移位。
附图说明
图1是本发明的磨耗板的整体形状示意图。
图2是本发明的磨耗板中金属基材和非金属基材的接触面上的套孔结构图。
图3是磨耗板与磁系统组成的混合制动系统结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方案作进一步详细说明，应当说明的是，具体实施方案仅仅是对本发明的技术方案的进一步阐述，并不是对本发明的限定。
实施例1，一种涡流轨道制动系统用磨耗板。
如图1所示，本发明所提供的磨耗板包括金属基材1和非金属基材2，金属基材1和非金属基材2的部分表面结合在一起，结合的部分表面，以下称为接触表面。
其中，金属基材1的材质为铜合金，非金属基材2的材质为高分子材料，金属基材1与高非金属基材2的体积比为4:1-3:2。
优选的，金属基材1的体积占总体积的60％，非金属材质的体积占总体积的40％，或者，金属基材1的体积占总体积的80％，非金属材质的体积占总体积的20％。
总体来说，金属基材1需要比非金属基材2的体积多，因为金属基材1作为整个磨耗板的基础，同时还能够与轨道摩擦产生涡流，增强制动能力。
作为一种优选，铜合金的成分是CuFe，其中，Fe含量为1wt.％～10wt.％(配比1)。
作为一种优选，铜合金的成分是CuNiFe，其中，Ni含量为2wt.％～10wt.％，Fe含量为1wt.％～5wt.％(配比2)。
作为一种优选，铜合金的成分是CuNiAgFe，其中，Ni含量为2wt.％～10wt.％，Fe含量为1wt.％～5wt.％，Ag含量为0.5wt.％～1wt.％(配比3)。
作为一种优选，非金属基材的成分包括橡胶和聚酯纤维，其中，聚酯纤维的含量为15wt.％～18wt.％。
对实施例1中各种不同比例的金属基材进行耐磨性测试，使用摩擦实验机，在同样磨耗条件下，摩擦30min，损耗结果如表1所示，对比1采用纯铜金属作为金属基质。
表1：耐磨性测试结果。
由此可见，在铜金属中加入其它元素，能够有效增强其耐磨性能，尤其是加入金属银元素时，其耐磨性能表现优异，但银离子的加入量过多，会造成对铜合金磁性的降低，因此需要添加镍元素作为对磁性的补充，且在均匀状态下，镍的含量至少必须是银含量的2倍。
实施例2，一种涡流轨道制动系统用磨耗板的制备方法。
本实施例的方法用于制备实施例1所述的磨耗板。
该方法具体包括以下步骤：
(1)预制金属基材。
金属基材是磨耗板的基础部分，首先需要将金属基材的材质和形状确定，同时对接触表面进行处理，才能够进行金属和非金属部分的结合。预制金属基材的具体步骤如下：
(1.1)根据金属基材的成分比称量所需的纯Cu块、纯Fe块、纯Ni块和纯Ag块。
(1.2)将上述原料置于中频感应炉中加热熔化，熔化时熔池上方覆盖石墨层保护。
(1.3)将金属熔体浇铸于铁模获得圆棒坯料。
(1.4)对坯料进行均匀化退火处理，均匀化温度950～1000度，保温时间1～4小时。
(1.5)对均匀化处理后的圆棒坯料进行热锻为方形粗坯，打碎粗大的铸态组织并消除气孔等铸造缺陷，热锻温度700～950度，加工变形量控制在50％～80％。
(2)按照磨耗板的尺寸要求加工金属基材，对锻件进行车铣机加工获得所需外形尺寸，外形尺寸的要求如图1所示。
(3)以脉冲溶解的方式在金属基材的接触表面进行成孔腐蚀。
成孔腐蚀是指对金属基材的接触表面进行腐蚀处理，使其表面形成多个腐蚀孔，多个腐蚀孔均布于接触表面，孔洞直径为0.01-2mm，相邻腐蚀孔之间的间距在0.03-5mm，多个腐蚀孔中至少有1/3数量的腐蚀孔形成套孔结构，该套孔结构是指，以一个最接近表面的孔为基础孔，在基础孔的孔壁上进一步腐蚀出至少一个附加孔，其结构如图2所示，成孔腐蚀的具体步骤如下：
(3.1)对已经铣出槽的金属基材进行脱油脱脂处理；
(3.2)将金属基材置于电解槽中，金属基材作为阳极，1mol/L的CuSO4为电解液，不锈钢板为阴极；
(3.3)对电解槽施加电流，使金属基材发生阳极溶解，除去表面氧化层，通电时间1～20s，电流密度0.01～1A/cm2；
(3.4)对电解槽施加脉冲电流，使金属表面发生选择性间歇溶解，脉冲频率1～50Hz，占空比0.5～2，电流密度0.1～10A/cm2，通电时间1～120min；
(4)以金属基材为模具，将非金属基材注塑在金属基材的接触表面。通过浇铸的方式将金属基材和非金属基材的表面进行结合，使得金属基材和非金属基材的表面结合更为牢固，且形成一体，能够对抗磨耗板使用过程中的各种摩擦撞击的恶劣环境。
(4.1)按照非金属基材的成分比称取橡胶原料和聚酯纤维原料；
(4.2)将橡胶原料加热至180-185℃，保温1-2小时；
(4.3)将聚酯纤维原料加热至275-280℃，保温30分钟，然后置于室温下逐渐冷却；
(4.4)当聚酯纤维原料冷却至200℃时，将保温的橡胶原料加入其中，并恒温搅拌15-20分钟；
(4.5)将搅拌均匀的混合非金属原料，均匀地浇铸在金属基材的接触表面；
(5)对磨耗板进行成型加工。
通过上述方法得到的磨耗板，如图1所示。
使用中，如图3所示磨耗板与磁系统组成混合涡流轨道制动系统，在列车正常运行时悬停于钢轨20～50mm高度上方。当列车紧急制动时，风缸将磁系统放下并压紧钢轨，磨耗板通过与钢轨表面的粘着摩擦提供制动力。同时磁系统通过永磁体涡流产生磁制动力，降低列车速度。

Claims (10)

1.一种涡流轨道制动系统用磨耗板，其特征是，包括金属基材和非金属基材，金属基材和非金属基材的部分表面结合在一起，非金属基材的材质为高分子材料，金属基材与非金属基材的体积比为4:1-3:2。
2.根据权利要求1所述的一种涡流轨道制动系统用磨耗板，其特征是，金属基材的材质为铜合金。
3.根据权利要求2所述的一种涡流轨道制动系统用磨耗板，其特征是，铜合金的成分是CuFe，其中，Fe含量为1wt.％～10wt.％。
4.根据权利要求2所述的一种涡流轨道制动系统用磨耗板，其特征是，铜合金的成分是CuNiFe，其中，Ni含量为2wt.％～10wt.％，Fe含量为1wt.％～5wt.％。
5.根据权利要求2所述的一种涡流轨道制动系统用磨耗板，其特征是，铜合金的成分是CuNiAgFe，其中，Ni含量为2wt.％～10wt.％，Fe含量为1wt.％～5wt.％，Ag含量为0.5wt.％～1wt.％。
6.根据权利要求1所述的一种涡流轨道制动系统用磨耗板，其特征是，非金属基材的成分包括橡胶和聚酯纤维，其中，聚酯纤维的含量为15wt.％～18wt.％。
7.一种涡流轨道制动系统用磨耗板的制造方法，其特征是，该方法用于制造权利要求1-6所述的磨耗板，并包括以下步骤：
(1)预制金属基材；
(1.1)根据金属基材的成分比称量所需的纯Cu块，纯Fe块和纯Ag块；
(1.2)将上述原料置于中频感应炉中加热熔化，熔化时熔池上方覆盖石墨层保护；
(1.3)将金属熔体浇铸于铁模获得圆棒坯料；
(1.4)对坯料进行均匀化退火处理，均匀化温度950～1000度，保温时间1～4小时；
(1.5)对均匀化处理后的圆棒坯料进行热锻为方形粗坯，打碎粗大的铸态组织并消除气孔等铸造缺陷，热锻温度700～950度，加工变形量控制在50％～80％；
(2)按照磨耗板的尺寸要求加工金属基材，对锻件进行车铣机加工获得所需外形尺寸；
(3)以脉冲溶解的方式在金属基材的接触表面进行成孔腐蚀；
(3.1)对已经铣出槽的金属基材进行脱油脱脂处理；
(3.2)将金属基材置于电解槽中，金属基材作为阳极，1mol/L的CuSO4为电解液，不锈钢板为阴极；
(3.3)对电解槽施加电流，使金属基材发生阳极溶解，除去表面氧化层，通电时间1～20s，电流密度0.01～1A/cm2；
(3.4)对电解槽施加脉冲电流，使金属表面发生选择性间歇溶解，脉冲频率1～50Hz，占空比0.5～2，电流密度0.1～10A/cm2，通电时间1～120min；
(4)以金属基材为模具，将非金属基材注塑在金属基材的接触表面；
(4.1)按照非金属基材的成分比称取橡胶原料和聚酯纤维原料；
(4.2)将橡胶原料加热至180-185℃，保温1-2小时；
(4.3)将聚酯纤维原料加热至275-280℃，保温30分钟，然后置于室温下逐渐冷却；
(4.4)当聚酯纤维原料冷却至200℃时，将保温的橡胶原料加入其中，并恒温搅拌15-20分钟；
(4.5)将搅拌均匀的混合非金属原料，均匀地浇铸在金属基材的接触表面；
(5)对磨耗板进行成型加工。
8.根据权利要求7所述的一种涡流轨道制动系统用磨耗板的制造方法，其特征是，接触表面是指金属基材和非金属基材粘合在一起的表面。
9.根据权利要求7所述的一种涡流轨道制动系统用磨耗板的制造方法，其特征是，成孔腐蚀是指对金属基材的接触表面进行腐蚀处理，使其表面形成多个腐蚀孔，多个腐蚀孔均布于接触表面，孔洞直径为0.01-2mm，相邻腐蚀孔之间的间距在0.03-5mm，多个腐蚀孔中至少有1/3数量的腐蚀孔形成套孔结构，该套孔结构是指，以一个最接近表面的孔为基础孔，在基础孔的孔壁上进一步腐蚀出至少一个附加孔。
10.根据权利要求7所述的一种涡流轨道制动系统用磨耗板的制造方法，其特征是，成型加工是指通过切割的方式去除超出设计尺寸之外的多余材料，然后对半成品进行铣磨加工，直至形成所需的形状，最后对产品进行表面粗糙度处理。
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