CN1107173C - 带有摩擦控制的闸瓦 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种适于与铁道车辆车轮的轮面相接合的摩擦控制闸瓦，该铁道车辆经由闸瓦可导向地支承在铁轨轨道上，该摩擦控制闸瓦包括一种由用于制动铁道车辆的第一摩擦材料和在车轮轮面与铁轨轨道之间形成预定摩擦等级的第二预定材料所组成的均匀复合物，该均匀复合物包括大约35-37%之间的第一摩擦材料和大约63-65%之间的第二预定材料，该第二预定材料由一种含有大约35-36%的重量的重晶石和大约28-29%的重量的铸铁微粒的固态极高正摩擦材料所组成。
Description
本专利申请与我们于1998年11月4日提交的、申请号为09/126,476的、题为“摩擦控制闸瓦”的尚未授权的专利申请密切相关。上述专利申请和本申请转让给同一名受让人。在此援引该尚未授权的专利申请的原理以供参考。
技术领域
本发明总的涉及车辆类的制动设备，尤其涉及一种用于铁道类车辆的制动系统的复合型闸瓦部件，更具体地讲，本发明涉及一种新型闸瓦和闸瓦摩擦材料的开发，它能够达到两种所需的制动等级，并能将一种基本固态的摩擦调节剂薄膜施加在车轮上、且将部分薄膜转移到铁轨上，从而在车轮与铁轨之间形成基本最佳的摩擦等级。
背景技术
许多铁路机车和汽车采用轮面制动，这种轮面制动通过将由复合摩擦材料所形成的闸瓦强压在钢制车轮的轮面上来提供制动作用力。与车轮轮面相接合的闸瓦产生以热量形式来消耗动能的摩擦。然而，为使这种制动有效，需要车轮旋转。当闸瓦在制动操作期间与车轮轮面相接合时，因车轮轮面与铁轨之间的摩擦所引起的粘滞会保持这种车轮旋转。
已发现，在冬季，过度的车轮磨损和闸瓦的更换率周期性地提高。一种理论将这种现象(至少是部分)归因于由于冬季较高湿度的接触、从而导致闸瓦在车轮上有很明显的清洁效果。这样，这种清洁作用往往会增加接触摩擦；或者产生车轮与铁轨之间的粘滞和在车轮上产生增大的接触应力。尤其是在遇到铁轨弯道处时，在车轮组的导向和转向动作过程中这种接触应力特别大。
闸瓦与车轮轮表面之间的摩擦的制动作用力和车轮与铁轨之间的粘滞相结合转换成车轮的热量和接触应力，而这些往往会致使车轮损坏。人们知道，较高的热量和接触应力会使车轮轮面出现微裂纹，最终导致壳体脱落而发生故障。
车轮与铁轨顶部之间较高的摩擦等级的另一个常见的结果是，车轮往往会在车轮的凸缘区域和铁轨的轨距(gage)面区域中更剧烈地摩擦铁轨。这一般是以车轮至铁轨的迎角以及车轮对铁轨的侧向力、或者车轮对铁轨的侧向力与垂直力的比(L/V比)来进行测量的。迎角及侧向力、或者L/V比一直为人所普遍采用，而且往往在拐弯的情况下使用得更为广泛些。
使铁轨粘滞等级的峰值下降可减小迎角和侧向力。减小这些粘滞等级的作用有利于减小火车的牵引力，从而增大了燃料/能量效率，并且还有利于减小车轮轮面和凸缘的磨损，由此延长了车轮的使用寿命，同时还有利于减小轨距面铁轨的磨损，进而延长了铁轨的使用寿命。
某些铁路所遇到的另一个相关问题是车轮滑动，这种滑动会导致车轮轮面出现平斑点。此类平斑点由于引起较大的振动和噪声而会对设备、装载的货物和乘客的舒适度带来不利的效果。因车轮滑动所带来的平斑点还会使车轮发生破裂。修补这种受损车轮需要拆下车轮，然后机加工车轮轮面以去掉平斑点或者发生破裂的区域。
已知，将一种摩擦调节剂材料直接施加到铁道车辆的车轮轮面或者凸缘上，用以影响两者之间的摩擦系数。在美国专利5,308,516和5,173,204号中可发现此类已有装置的诸个实例，在此援引这两个专利以供参考。通常提供一种可制成为固态制品的润滑剂合成物，可例如借助连接机构将其直接施加至车轮轮面或凸缘，该连接机构将该润滑剂制品紧挨于铁道车辆的车轮设置，以便将润滑剂制品周期性地施加到轮面和/或凸缘上。
倘若一单个装置、尤其是一闸瓦，不仅能在闸瓦与车轮之间提供必要的摩擦以充分制动，而且还能同时提供所需的摩擦调节剂以使车轮/铁轨摩擦界面最优化，这对于铁路工业而言将是非常有利的。
发明内容
本发明提供一种适于与铁道车辆车轮的轮面相接合的摩擦控制闸瓦，该铁道车辆经由闸瓦可导向地支承在铁轨轨道上，该摩擦控制闸瓦包括一种由用于制动铁道车辆的第一摩擦材料和在车轮轮面与铁轨轨道之间形成预定摩擦等级的第二预定材料所组成的均匀复合物，该均匀复合物包括大约35-37％之间的第一摩擦材料和大约63-65％之间的第二预定材料，该第二预定材料由一种含有大约35-36％的重量的重晶石和大约28-29％的重量的铸铁微粒的固态极高正摩擦材料所组成。
因此，本发明的其中一个主要目的在于配制一种混合物，当把摩擦调节材料转移到车轮上的同时能提供令人满意的制动。
本发明另一个目的在于提供一种闸瓦，它能延长铁路车轮的使用寿命。
本发明又一个目的在于提供一种闸瓦，它能将固态摩擦调节剂薄膜施加到车轮和铁轨上。
本发明再一个目的在于提供一种能减少能量消耗的闸瓦。
本发明还有一个目的在于提供一种能减小铁轨磨损的闸瓦。
本发明另有一个目的在于提供一种能通过减小粘滑(stick slip)振动来降低形成在铁轨/车轮的界面上的噪声的闸瓦。
附图说明
对于本技术领域中的熟练技术人员而言，除了以上详细描述过的本发明的各种目的和优点之外，从本发明的以下更详细的说明、尤其是结合附图和所附的权利要书所进行的详细说明中，本发明的其它各种目的和优点将会变得显而易见。
图1是一种摩擦控制闸瓦的平面图，它示出了一种用于将本发明的闸瓦安装到铁道车辆上的钢制支承板的一较佳实施例。
图2是图1所示摩擦控制闸瓦的侧视图。
图3是沿着图1中的线III-III剖切的、该摩擦控制闸瓦的剖视图。
图4是沿着图1中的线IV-IV剖切的、该摩擦控制闸瓦的剖视图。
图5是沿着图2中的线V-V剖切的、该摩擦控制闸瓦的剖视图。
由图6A和6B组成的图6用图表形式示出了于1999年7月21日所作的本发明高正摩擦闸瓦的测试的结果，其中图6A表示的是布莱克·梅萨和莱克·鲍威尔铁轨摩擦峰值，而图6B则表示布莱克·梅萨和莱克·鲍威尔RR场地测试(HPF货运闸瓦)。
图7用图表示出了RFPC RFR-HPF-1(D168A)的材料特性测试结果概况。
图8用图表示出了布莱克·梅萨和莱克·鲍威尔RR功率使用率。
图9用图表示出了RFPC VHPF-10(D189A)的材料特性测试结果概况。
具体实施方式
在对本发明进行更为详细的描述之前，应该注意到，为清楚地理解本发明起见，具有相同功能的相同构件在所有的附图中由相同的标号来表示。
现在请具体参阅图1、2和3。图中所示的是总的由标号10来表示的闸瓦，它包括支承板2，该支承板具有用于借助诸如闸瓦键之类的传统装置(未示出)将闸瓦10附着到制动头(也未示出)上的键桥4。附着到支承板2上的是一种较佳的、模制而成的制动块6。
在继续讨论制动块6之前，必须记住摩擦性质的一个基本原理是作用在两个相对接触的物体之间的切向力和法向力之比的“摩擦系数”。特征摩擦可为静止表面的静摩擦或者运动表面的动摩擦。当摩擦随着滑移或蠕变百分比的增加而增加时，它表现为有正摩擦，而当摩擦随着滑移或蠕变百分比的增加而减小时，它表现为有负摩擦。
此后的术语“正摩擦”是指摩擦系数随着滑移或蠕变百分比的增加而增大，并且“高”摩擦系数大于0.20。
制动块6是一种模制而成的复合摩擦材料。该复合摩擦材料包含有高正摩擦(HPF)固态摩擦调节剂或者极高正摩擦(VHPF)固态摩擦调节剂的其中之一。将此类摩擦调节剂加入到复合制动块6的、被特殊配制的均匀的(homogeneous)摩擦材料中去，以便在闸瓦与车轮之间形成正确的制动特性，并且在车轮轮面与铁轨顶部之间形成最优的摩擦等级。
此类摩擦调节剂最好是一种粉末状矿石，并可选自由碳酸钙、碳酸镁、硅酸镁(滑石)、斑脱土、煤灰、硫酸钡(重晶石)、石棉、硅酸铝、硅石(无定形的、合成的或天然的)、板岩粉末、矽藻土、石英粉(ground quartz)、硬脂酸锌、硬脂酸铝、氧化锌、氧化铁(高质粗砂)、氧化锑、白云石、碳酸铅、硫酸钙、二硫化钼和粉末状聚乙烯纤维或其混合物所组成的材料组。
这种铁路车辆的车轮轮面由包含有此类HPF固态摩擦调节剂的制动块6所接合。本文中所采用的铁路车辆包括客运和货运机车、非机动铁路车辆以及一些维修道路用的车辆。
在诸如用于客运火车的、具有动力车轴的机车，自推进式运输车辆以及基本上是其它所有铁道车辆的、具有非动力车轴的铁道车辆的情况下，这种具有HPF材料的制动块6用固态高正摩擦调节剂处理车轮轮面，以便在车轮轮面与铁路顶部之间形成介于大约0.3到0.40之间的摩擦等级。
在本发明的一较佳实施例中，该摩擦等级形成在大约0.32到0.38之间。在未使用此类摩擦调节剂的现用闸瓦6的情况下，摩擦等级的范围会有很大大变动而处于失控状态。
根据本发明的较佳实施例，在表1中罗列出了用于具有范围从0.3到0.38的HPF材料的闸瓦的组分。如表中所示，HPF摩擦控制材料是由根据此处所罗列的范围所定的添加的摩擦调节剂材料所组成的。如表1所示，本发明具有固态高正摩擦调节剂的摩擦闸瓦包括采用用于制动铁路车辆的摩擦复合材料形式的第一材料和由在车轮轮面与铁轨轨道之间形成预定摩擦等级的预定复合材料所构成的第二材料。在一较佳实施例中，该预定复合材料含有大约5-30％的硅酸镁(滑石)和大约5-25％的二硫化钼。在一最佳实施例中，固态高正摩擦材料含有大致相等的组分，相当于含有这两种材料的约各20％。在利用具有这种HPF材料配制的闸瓦的情况下，在火车运行时通常可碰到的各种典型运行状态下用测力计进行测试。那些测试结果如图7所示。从中可以清楚地看到，在标准测试条件下，本文中所述的具有HPF材料的摩擦控制闸瓦显示出了介于闸瓦与车轮轮面之间的、隶属于高摩擦复合闸瓦所需范围中的摩擦特性。在表2中还提供了根据用于高摩擦复合闸瓦的AAR规格M926-92所进行的类似的测试，且论证了与该规格相适应的制动等级。
火车运行中的实际测试是在布莱克·梅萨和莱克·鲍威尔铁路(纳瓦约总站)上进行的。该测试结果罗列在图6A和6B的图表中，它显示出：在使用HPF闸瓦运行大约两个月(2)之后，铁轨顶部的摩擦等级被控制在了0.32-0.38的范围之中。在将HPF摩擦控制闸瓦的结果与布莱克·梅萨和莱克·鲍威尔铁路过去的运行状况作对比的情况下，在闸瓦中使用本发明在火车能量的使用方面(采用每吨煤所牵引的千瓦时的参数)是可匹敌的(compared)。具有本发明HPF闸瓦的火车于1999年4月运行。如表3以及图8中相应的图表所示，从中可以看到，使用本发明摩擦控制闸瓦可大大降低平均5.7-6.7％的能量消耗。因此，由轮面与铁轨之间更为有效的摩擦、并由此降低能量消耗所带来的铁路工业的节省额是显著的。此外，这种由于减少了热辐射而降低的能量消耗会给环境带来正面影响。
在用于货运火车的机车的动力车轴中需要较大的粘滞以充分利用可用的牵引作用力。因此，闸瓦6包含一种极高的正摩擦(VHPF)固态摩擦调节剂。此类VHPF材料用这种固态摩擦调节剂处理车轮轮面，以便在车轮轮面与铁轨顶部之间形成大约0.40至0.50的摩擦等级。
在本发明用于此种货运火车的机车的动力车轴中的一较佳实施例中，这种摩擦等级约为0.42至0.48。此类VHPF摩擦调节剂还较佳地为粉末状矿石，也可从上述正摩擦调节剂组中进行选择。
如表4所示，具有摩擦控制VHPF配制的闸瓦的一较佳实施例包含诸成分，表中罗列出了这些成分的最小和最大范围。尽管具有固态极高正摩擦材料的摩擦闸瓦含有包含大约30-80％的总的均匀的闸瓦复合物的第二预定复合材料，较佳地，该预定复合材料包含大约15-40％的硫酸钡(重晶石)和大约15-40％的铸铁微粒。在最佳实施例中，极高正摩擦调节剂系大约35-35％的重晶石和大约28-29％的铸铁微粒。如表4所示，VHPF复合物还含有大约1.38％的最少量的滑石。由于在将切碎了的苯乙烯丁二烯橡胶加入到均匀的闸瓦结构中后可防止其粘结，因此这是传统铁道闸瓦材料制造中的典型配制。还用这种配制进行了测力计测试，图9中示出了该测试结果。所获得的制动摩擦等级处在用于机车设备中的高摩擦复合闸瓦所需的范围之中。
现在请更具体地参阅图4和5。图中所示的是闸瓦10的剖视图，它示出了目前较佳的制动块6。
本发明的摩擦控制闸瓦10将公认的复合闸瓦的好处以及车轮对铁轨摩擦控制的好处合二为一。这意味着使用着的铁路可进行摩擦控制，而无须增加任何新的系统或托架，并可在无额外的维修保养工作的情况下继续对它们的铁轨系统进行摩擦控制。换句话说，当旧的闸瓦磨损时，只须简单地更换闸瓦即可。
摩擦控制总的好处在于可延长车轮寿命、减少能量消耗、降低噪声幅度和延长铁轨寿命。将这种VHPF固态摩擦调节剂应用到动力机车车轴的车轮上可提供提高了的牵引力，并可省去在机车上撒沙子的系统。将这种HPF固态摩擦调节剂应用到客运机车的动力车轴及其它铁道车辆的非动力车轴的所有车轮上能使车轮与铁轨顶部之间的摩擦达到最佳，从而节省了能量，减少了车轮和铁轨的磨损，减少了车轮滑动现象的发生，减少了车轮剥落和碎裂，减少了侧向力或L/V比，并降低了噪声幅度。
虽然以上已详细描述了本发明目前较佳的和其它实施例，但应理解的是，在不脱离本发明的基本精神或所附的权利要求的范围的情况下，本技术领域中的那些熟练技术人员都可对本发明的实施例设想多种其它的改变和变型。
带有摩擦控制的闸瓦
HPF配制(重量百分比)
| HPF | |||
| 成分 | HPF(W-627) | 最小/最大范围 | |
| 苯乙烯丁二烯橡胶 | 9.50 | 7.00 | 14.00 |
| 完全固化的漆酚树脂 | 1.89 | 1.00 | 5.00 |
| 酚醛树脂 | 3.20 | 3.00 | 12.00 |
| 滑石 | 21.49 | 5.00 | 30.00 |
| 重晶石 | 0.46 | 0.40 | 14.00 |
| 硫磺 | 1.39 | 1.00 | 3.00 |
| 海绵铁 | 0.05 | 0.02 | 4.00 |
| 钢纤维 | 0.00 | 0.00 | 3.00 |
| 氧化锌 | 0.00 | 0.00 | 1.00 |
| TMTD | 0.11 | 0.10 | 1.00 |
| 快热粉 | 0.00 | 0.10 | 1.00 |
| MBTS | 0.22 | 0.10 | 1.00 |
| 石墨 | 0.18 | 0.10 | 3.00 |
| 铸铁微粒 | 32.30 | 15.00 | 35.00 |
| 矿石纤维 | 0.00 | 0.00 | 2.00 |
| 棉纤维 | 0.00 | 0.00 | 5.00 |
| 玻璃纤维 | 5.08 | 1.50 | 10.00 |
| 丙烯腈橡胶 | 0.12 | 0.10 | 4.00 |
| 碳黑 | 0.04 | 0.10 | 10.00 |
| 氧化铝 | 1.81 | 0.50 | 5.00 |
| 锆粉 | 2.15 | 0.50 | 5.00 |
| 二硫化铜 | 19.94 | 5.00 | 25.00 |
| 羧甲基纤维素 | 0.07 | 0.00 | 1.00 |
| 100.00 | |||
表1
AAR规格测试结果
COBRA(计算机化布尔可靠性分析)高摩擦复合闸瓦测试138033-038号
停车距离-英尺 停车距离-英尺
闸瓦磨损 轻级制动 重级制动
闸瓦 测试 立方英寸 最小减速力 净闸瓦力-329DLB 净闸瓦力-602DLB 静摩擦
端号 日期 级别 停车 轻级 重级 80MPH 60MPH 40MPH 20MPH 80MPH 60MPH 40MPH 20MPH-HPF-1 A468A 11/11/98 0.731 1.699 383 459 1 5696 3271 1500 350 4533 2374 933 243 0.000
2 5883 3134 1445 353 5394 2341 913 238 0.000
3 6352 3304 1458 345 5865 2290 911 231 0.000
平均值 6977 3238 1456 354 5296 2337 919 237 0.382-HPF-1 A4698 11/11/98 1.140 1.506 492 528 1 8393 3480 1439 347 5010 2357 958 283 0.090
2 6588 3247 1368 347 5165 2353 979 263 0.090
3 6568 3411 1436 345 4907 2215 902 235 0.080
平均值 6539 3379 1420 347 5027 2309 949 254 0.448
总平均值 6258 3306 1444 350 5162 2323 834 245 0.415
低于限值％ 22.64％ 17.92％ 11.40％ 15.52％ 15.51％ 14.28％ 8.30％ 12.32％
AAR规格限值
最大值 0.50 1.20 8090 4030 1630 420 5110 2710 1030 280
中间值 6740 3380 1380 350 5090 2255 890 235
最小值 300 400 5380 2690 1090 280 4070 1800 690 190 0.380
表2
布莱克·梅萨&莱克·鲍威尔RR功率使用率
HPF闸瓦测试
每吨煤所牵引的KWH值月 kwh/吨
月 kwh/吨
月 kwh/吨
98/1 3.5806 99/1 3.6780
98/2 3.6189 99/2 3.9214
98/3 3.6835 99/3 3.850997/4 4.4039 98/4 3.7816 99/4 3.465897/5 3.4793 98/5 3.5699 99/5 3.407497/6 3.5077 98/6 3.5643 99/6 3.355997/7 3.5285 98/7 3.5427 99/7 3.328897/8 3.6460 98/8 3.4871 99/897/9 3.4800 98/9 3.4919 99/997/10 3.5724 98/10 3.6652 99/1097/11 3.5548 98/11 3.6801 99/1197/12 3.7383 98/12 3.8005 99/121997平均值 3.5634 1998平均值 3.8289 1999平均值 3.5740 HPF 平均值 3.38951997最大值 3.7383 1998最大值 3.9005 1999最大值 3.9214 HPF 最大值 3.46581997最小值 3.4783 1998最小值 3.4871 1999最小值 3.3288 HPF 最小值 3.3268
表3
带有摩擦控制的闸瓦
VHPF配制(重量百分比)
| VHPF-10 | |||
| 成分 | VHPF-10 | 最小/最大范围 | |
| 苯乙烯丁二烯橡胶 | 8.48 | 2.0 | 12.0 |
| 滑石 | 1.38 | 0.7 | 1.5 |
| 漆酚树脂 | 1.94 | 1.0 | 4.0 |
| 酚醛树脂 | 2.59 | 2.0 | 15.0 |
| 重晶石 | 35.58 | 15.0 | 40.0 |
| 氧化镁 | 3.23 | 1.0 | 10.0 |
| 氧化锆 | 6.47 | 2.0 | 10.0 |
| 硫磺 | 1.24 | 0.5 | 1.5 |
| 氧化锌 | 0.65 | 0.3 | 2.0 |
| TMTD | 0.32 | 0.1 | 1.0 |
| 快热粉 | 0.00 | 0.1 | 1.0 |
| MBTS | 0.32 | 0.1 | 1.0 |
| 铸铁微粒 | 28.73 | 15.0 | 40.0 |
| 玻璃纤维 | 1.94 | 1.0 | 8.0 |
| 矿物纤维 | 2.59 | 1.0 | 10.0 |
| 氧化铝 | 4.53 | 1.0 | 8.0 |
| 100.00 | |||
表4
Claims (12)
1.一种适于与铁道车辆车轮的轮面相接合的摩擦控制闸瓦，所述铁道车辆经由所述闸瓦可导向地支承在铁轨轨道上，所述摩擦控制闸瓦包括一种由用于制动铁道车辆的第一摩擦材料和在所述车轮轮面与所述铁轨轨道之间形成预定摩擦等级的第二预定材料所组成的均匀复合物，其中所述均匀复合物包括大约35-37％之间的所述第一摩擦材料和大约63-65％之间的第二预定材料，所述第二预定材料由一种含有大约35-36％的重量的重晶石和大约28-29％的重量的铸铁微粒的固态极高正摩擦材料所组成。
2.如权利要求1所述的摩擦控制闸瓦，其特征在于，所述第二预定材料包含可在所述车轮轮面与铁轨轨道之间形成使所述铁道车辆停车用的预定摩擦等级、而不会对所述闸瓦与所述车轮轮面之间的摩擦系数产生不利影响的固态高正摩擦调节剂和固态极高正摩擦调节剂的其中之一。
3.如权利要求1所述的摩擦控制闸瓦，其特征在于，所述第二预定材料包含一种固态高正摩擦调节剂，以使所述第一摩擦材料包括大约45-90％之间的所述均匀复合物，而所述第二预定材料则包括大约10-55％之间的所述均匀复合物。
4.如权利要求3所述的摩擦控制闸瓦，其特征在于，所述均匀复合物还包含大约5-30％之间的重量的硅酸镁和大约5-25％之间的重量的二硫化钼。
5.如权利要求1所述的摩擦控制闸瓦，其特征在于，所述均匀复合物还包含大约60-80％之间的所述第一摩擦材料和大约20-40％之间的所述第二预定材料。
6.如权利要求5所述的摩擦控制闸瓦，其特征在于，所述第二预定材料由一种含有组分大致相等的硅酸镁和二硫化钼的固态高正摩擦材料所组成。
7.如权利要求5所述的摩擦控制闸瓦，其特征在于，所述预定摩擦等级约为0.30至0.40。
8.如权利要求7所述的摩擦控制闸瓦，其特征在于，所述预定摩擦等级约为0.32至0.38。
9.如权利要求1所述的摩擦控制闸瓦，其特征在于，所述第二预定材料包括固态极高正摩擦调节剂，以使所述第一摩擦材料包括大约20-70％之间的所述均匀复合物，而所述第二预定材料则包括大约30-80％之间的所述均匀复合物。
10.如权利要求9所述的摩擦控制闸瓦，其特征在于，所述均匀复合物还包含大约15-40％之间的重量的重晶石和大约15-40％之间的重量的铸铁微粒。
11.如权利要求1所述的摩擦控制闸瓦，其特征在于，所述预定摩擦等级约为0.40至0.50。
12.如权利要求11所述的摩擦控制闸瓦，其特征在于，所述预定摩擦等级约为0.42至0.48。
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