CN110792707B - 高速列车耐摩擦制动片 - Google Patents
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Abstract
高速列车耐摩擦制动片属于列车耐磨闸片装置领域，其包括基材润滑导热体和分布其中的多个耐磨体晶块阵列层，多个耐磨体晶块阵列层彼此按间距值H层叠布置，每个耐磨体晶块阵列层均由多个椭圆磨球按边长为L的正方形阵列而成，椭圆磨球的材质为铁锰合金，基材润滑导热体矩形棱柱毛坯的材质为铜锡合金。本发明椭圆磨球和基材润滑导热体矩形棱柱毛坯的材料组分，在按照本发明所提出的基材润滑导热体以及分布其中的多个耐磨体晶块阵列层的相对位置关系时，能够最大限度地发挥其吸收振动、快速转换和传导热能、消除共振和提高整体结构强度的特性。
Description
技术领域
本发明属于列车耐磨闸片装置领域，具体涉及一种高速列车耐摩擦制动片。
背景技术
在高铁列车的制动过程中，高速运行的动能会在轮盘与闸片之间转化为大量的摩擦热，导致制动闸片产生高温，闸片的结构强度或散热效率不足，均可能导致其崩裂甚至失效，从而影响行车安全。
现有的高速列车制动闸片通常分为三层，其闸片的最内层的铜材质基座作为散热盘，闸片的最外层为密度均匀的硬质合金耐磨层，基座耐磨层之间通过导热性能较好的石墨层连接。
然而，此类现有的耐磨层虽然可以基本满足闸片的硬度需求，但其耐磨层自身的热传导速率不良，无法将其摩擦热迅速传导至石墨层和铜材质基座，并且，耐磨层与石墨层之间连接强度相对较弱，是闸片整体结构上的薄弱环节。
因此，闸片的结构设计对保障其结构强度和耐热性，以及延长闸片的使用寿命，保证高铁制动的可靠性和安全性都具有非常重要的意义。
发明内容
为了解决现有高速列车制动闸片的三层结构中，位于中层的石墨层与外层的耐磨层之间连接强度相对较弱，相对易于损坏，影响使用寿命；以及耐磨层自身的热传导速率较差，无法将其摩擦热迅速传导至石墨层和铜材质基座的技术问题，本发明提供一种高速列车耐摩擦制动片。
本发明解决技术问题所采取的技术方案如下：
高速列车耐摩擦制动片，其包括基材润滑导热体和分布其中的多个耐磨体晶块阵列层，多个耐磨体晶块阵列层彼此按间距值H层叠布置，每个耐磨体晶块阵列层均由多个椭圆磨球按边长为L的正方形阵列而成；所述基材润滑导热体由基材润滑导热体矩形棱柱毛坯切割而成，基材润滑导热体的上、下端面为彼此平行的导热体上端面E和导热体下端面F，耐磨体晶块阵列层与导热体上端面E或导热体下端面F所呈的锐角夹角为θ；
所述椭圆磨球的长轴为a，一个短轴为b，另一个短轴为c；同一个耐磨体晶块阵列层内的全部椭圆磨球的长轴a均彼此平行；
所述椭圆磨球的材质为铁锰合金，其铁锰合金中各成分的质量百分含量为：96.13％的铁、1.43％的锰、0.7％的铬、0.62％的硅、0.43％的镍、0.39％的钼、0.21％的硼、0.049％的钛、0.025％的磷和0.016％的硫；所述基材润滑导热体矩形棱柱毛坯的材质为铜锡合金，其铜锡合金中各成分的质量百分含量为：92.14％的铜、4.53％的锡、1.21％的锌、0.97％的镍、0.51％的铝、0.38％的铅和0.26％的磷。
本发明的有益效果是：本发明将闸片内部的构造从铁材质中均布陶瓷颗粒作为最外层、石墨层作为中间层、铜材质基座作为内层的旧有三层式结构，改变为仅包含基材润滑导热体和分布其中的多个耐磨体晶块阵列层的整体材料结构，烧结后形成具有特殊应力和热传导结构的均一化复合新材料，使其具有总体密合度高、紧凑性强、应力分布均匀、共振稳定性好的结构特性，将不同的功能相进行分离与组合，通过耐磨相提高制动材料使用寿命，通过导热相提高热传导性能，实现结构的相互独立与功能的相互补充，可成为提高高铁制动材料使用性能的可行途径。
同一个耐磨体晶块阵列层内的全部椭圆磨球的长轴均彼此平行，从而提高震动内能传递的方向的连贯性和单一性，满足公式的尺寸关系链的椭圆磨球珠粒，其椭球特征有助于吸收和消耗震动能量，将其转换为热能，并快速向下一层传递。
本发明所给定的基材润滑导热体和耐磨体晶块阵列层的各自材质配方，是在充分考虑其二者的布局和结构特性之下，通过大量实验测试和经验总结而重新提出的，彼此具有显著关联的配方组分配比关系。此两种材料的组分，仅在按照本发明所提出的基材润滑导热体以及分布其中的多个耐磨体晶块阵列层的相对位置关系时，才能最大限度地发挥其吸收振动、快速转换和传导热能、消除共振和提高整体结构强度的特性。
本发明所给出的耐磨体晶块阵列层与作为摩擦端面的耐摩擦制动闸片新端面保持了最优的夹角为θ，该通过实践摸索总结获得的角度参数能够最大限度地在耐摩擦制动闸片自身损耗与制动效率的一对矛盾中达成最优平衡，并使得多个耐磨体晶块阵列层的散热效率和结构稳定性得以兼顾和保障。
此外，本发明的耐摩擦制动闸片还具有结构简单实用，其制作方法成本低廉，便于推广普及等优点。
附图说明
图1是本发明耐摩擦制动闸片的立体图；
图2是本发明基材润滑导热体矩形棱柱毛坯和多个耐磨体晶块阵列层的结构关系示意图；
图3是本发明单层耐磨体晶块阵列层的俯视图；
图4是本发明本发明椭圆磨球的结构示意图；
图5是本发明基材润滑导热体矩形棱柱毛坯的立体结构示意图；
图6是本发明准备去除顶层直角楔形M之前的基材润滑导热体矩形棱柱毛坯的原理示意图；
图7是本发明去除去除顶层直角楔形M和底层直角楔形N时的基材润滑导热体矩形棱柱毛坯的原理示意图；
图8是将本发明将润滑导热体待切割配料均分为多个耐摩擦制动闸片时的应用示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细说明。
如图1至图4所示，本发明的高速列车耐摩擦制动片4包括基材润滑导热体1和分布其中的多个耐磨体晶块阵列层2，多个耐磨体晶块阵列层2彼此按间距值H层叠布置，每个耐磨体晶块阵列层2均由多个椭圆磨球2-1按边长为L的正方形阵列而成；所述基材润滑导热体1由基材润滑导热体矩形棱柱毛坯3切割而成，基材润滑导热体1的上、下端面为彼此平行的导热体上端面E和导热体下端面F，耐磨体晶块阵列层2与导热体上端面E或导热体下端面F所呈的锐角夹角为θ。
所述椭圆磨球2-1的长轴为a，一个短轴为b，另一个短轴为c；同一个耐磨体晶块阵列层2内的全部椭圆磨球2-1的长轴a均彼此平行。
椭圆磨球2-1的材质为铁锰合金，其铁锰合金中各成分的质量百分含量为：96.13％的铁、1.43％的锰、0.7％的铬、0.62％的硅、0.43％的镍、0.39％的钼、0.21％的硼、0.049％的钛、0.025％的磷和0.016％的硫；所述基材润滑导热体矩形棱柱毛坯3的材质为铜锡合金，其铜锡合金中各成分的质量百分含量为：92.14％的铜、4.53％的锡、1.21％的锌、0.97％的镍、0.51％的铝、0.38％的铅和0.26％的磷。
同一个椭圆磨球2-1的长轴a均平行于基材润滑导热体矩形棱柱毛坯3的x轴方向，且椭圆磨球2-1的尺寸参数满足下式：
式中：短轴c为4mm，长轴a为5mm，且长轴a的长度是短轴b长度值的二倍。
所述夹角θ的取值范围是7.5°至15°。所述耐摩擦制动闸片4的厚度值H1大于等于10cm，夹角θ的最佳值为8°。
如图5至图8所示，制备本发明的高速列车耐摩擦制动片时，按照如下步骤：
步骤一：将基材润滑导热体矩形棱柱毛坯3所需铜锡合金各个组分材料的单质颗粒按质量百分含量92.14％的铜、4.53％的锡、1.21％的锌、0.97％的镍、0.51％的铝、0.38％的铅、0.26％的磷的配方比例混合，并用300转/分钟的球磨机球磨1.5小时，制得基材润滑导热体矩形棱柱毛坯3的原料粉末；
步骤二：制备椭圆磨球2-1的原料粉末，其具体包括如下子步骤：
步骤2.1：按照质量百分含量96.13％的铁、1.43％的锰、0.7％的铬、0.62％的硅、0.43％的镍、0.39％的钼、0.21％的硼、0.049％的钛、0.025％的磷和0.016％的硫的锰铁合金配方比例分别准备椭圆磨球2-1所需的各个组分材料的单质颗粒；
步骤2.2：将步骤2.1椭圆磨球2-1组分材料中的钛颗粒和硼单质颗粒率先单独混合，并用500转/分钟的球磨机球磨2小时，制得硼钛混合粉末；
步骤2.3：将步骤2.2所得硼钛混合粉末与步骤2.1中除钛颗粒和硼单质颗粒之外的其它余量组分混合，并通过搅拌机进行机械混粉，混料机转速为100转/分钟，混料时间为1小时，从而制得椭圆磨球2-1的原料粉末；
步骤三：批量制作椭圆磨球2-1的珠粒，其具体包括如下子步骤：
步骤3.1：通过粉末热辊压成形工艺将步骤2.3所得的椭圆磨球2-1原料粉末制成符合尺寸参数的三轴椭球磨球体毛坯料珠粒；辊压压强为25MPa-50Mpa；
步骤3.2：用真空烧结方式对步骤3.1所得三轴椭球磨球体毛坯料珠粒进行烧结，烧结温度为750℃，烧结时间为2小时，冷却方式为随炉冷却，冷却时间为8至12小时，从而制得所需椭圆磨球2-1的珠粒；
步骤四：制作基材润滑导热体矩形棱柱毛坯3，其具体包括如下子步骤：
步骤4.1：在高度为H3的矩形箱体模具内平铺第一层步骤一的基材润滑导热体矩形棱柱毛坯3的原料粉末，且其原料粉末的铺设厚度值等于120％H；
步骤4.2：将步骤4.1所述的矩形箱体作为椭圆磨球2-1的承接托盘，在步骤4.1所述的第一层基材润滑导热体矩形棱柱毛坯3的原料粉末层上排布一层耐磨体晶块阵列层2，所述的一层耐磨体晶块阵列层2中的每个椭圆磨球2-1均由成熟且公知的阵列布局设备及其布局方法完成，且横向或纵向相邻的每两个椭圆磨球2-1的间距均为L；
步骤4.3：在步骤4.2所完成的第一层基材润滑导热体矩形棱柱毛坯3的原料粉末层以及第一层耐磨体晶块阵列层2的基础之上，重复步骤4.1至步骤4.2的步骤，从而顺次完成第二层基材润滑导热体矩形棱柱毛坯3的原料粉末层及其对应的第二层耐磨体晶块阵列层2的铺设过程；
步骤4.4：按照与步骤4.3完全相同的方法，进一步顺次完成其它基材润滑导热体矩形棱柱毛坯3和耐磨体晶块阵列层2的层叠铺设，直至步骤4.1的矩形箱体模具完全填满；
步骤4.5：对步骤4.4矩形箱体模具的内腔进行压制，从而生成包含多层耐磨体晶块阵列层2的基材润滑导热体矩形棱柱毛坯3，压制压强为50MPa-80Mpa；
步骤4.6：对步骤4.5基材润滑导热体矩形棱柱毛坯3进行真空烧结成型，烧结温度为650℃，烧结时间为2.5小时，冷却方式为随炉冷却，冷却时间为8至12小时，从而获得烧结成型后的基材润滑导热体矩形棱柱毛坯3；
步骤五：对步骤4.6烧结成型后的基材润滑导热体矩形棱柱毛坯3进行给定角度的切削，其具体包括如下子步骤：
步骤5.1：设烧结成型后的基材润滑导热体矩形棱柱毛坯3的前端面为毛坯棱柱前端面C，设其上端面、下端面分别为毛坯棱柱上端面A和毛坯棱柱下端面D，并设其左端面和右端面分别为毛坯棱柱左端面G和毛坯棱柱右端面B，则：
利用成熟且公知的高压射流液体的水刀切割技术，从基材润滑导热体矩形棱柱毛坯3的上部切割一个顶层直角楔形M；并从基材润滑导热体矩形棱柱毛坯3的下部切割底层直角楔形N。顶层直角楔形M以毛坯棱柱上端面A和毛坯棱柱右端面B相交所呈直角作为顶层直角楔形M的直角，以完整的毛坯棱柱上端面A作为顶层直角楔形M的一个直角边线所在端面，并以毛坯棱柱左端面G和毛坯棱柱上端面A二者交线在毛坯棱柱前端面C上的投影点作为顶层直角楔形M的锐角边的起点；顶层直角楔形M的斜面与毛坯棱柱上端面A的夹角为θ；顶层直角楔形M被分离后，在基材润滑导热体矩形棱柱毛坯3上与顶层直角楔形M对应的剖切面成为基材润滑导热体矩形棱柱毛坯3上的第一斜面s；第一斜面s与毛坯棱柱下端面D所呈锐角夹角为θ；
底层直角楔形N以毛坯棱柱下端面D和毛坯棱柱左端面G相交所呈直角作为其自身的直角，底层直角楔形N以完整的毛坯棱柱下端面D作为底层直角楔形N的一个直角边线所在端面，并以毛坯棱柱右端面B和毛坯棱柱下端面D二者交线在毛坯棱柱前端面C上的投影点作为底层直角楔形N的锐角边的起点；底层直角楔形N与顶层直角楔形M的形状和夹角均完全相同，且其二者的斜面平行。
底层直角楔形N被分离后，在基材润滑导热体矩形棱柱毛坯3上与底层直角楔形N对应的剖切面成为基材润滑导热体矩形棱柱毛坯3上的第二斜面t；第二斜面t与第一斜面s平行；同时去除顶层直角楔形M以及底层直角楔形N之后的基材润滑导热体矩形棱柱毛坯3设为润滑导热体待切割坯料5；
步骤六：测量第二斜面t与第一斜面s的间距值H2，然后依据所测得的间距值对润滑导热体待切割坯料5进行均分切割，从而将其分成厚度均为H1的耐摩擦制动闸片4。使用时，随机将第二斜面t或第一斜面s设为导热体上端面E或导热体下端面F，导热体上端面E或导热体下端面F无需区分。
步骤五和步骤六所述的切割作业均由高压射流液体的水刀切割技术完成。
具体应用本发明的耐摩擦制动闸片4时，耐摩擦制动闸片4的厚度值H1大于等于10cm，夹角θ的最佳值为8°。
经大量实验和实际使用验证，较于旧有三层式的高速列车制动闸片而言，本发明的耐摩擦制动闸片4的使用寿命可延长25％至35％。
Claims (1)
1.高速列车耐摩擦制动片，其特征在于：该制动片包括基材润滑导热体(1)和分布其中的多个耐磨体晶块阵列层(2)，多个耐磨体晶块阵列层(2)彼此按间距值H层叠布置，每个耐磨体晶块阵列层(2)均由多个椭圆磨球(2-1)按边长为L的正方形阵列而成；所述基材润滑导热体(1)由基材润滑导热体矩形棱柱毛坯(3)切割而成，基材润滑导热体(1)的上、下端面为彼此平行的导热体上端面E和导热体下端面F，耐磨体晶块阵列层(2)与导热体上端面E或导热体下端面F所呈的锐角夹角为θ；
所述椭圆磨球(2-1)的长轴为a，一个短轴为b，另一个短轴为c；同一个耐磨体晶块阵列层(2)内的全部椭圆磨球(2-1)的长轴a均彼此平行；
所述椭圆磨球(2-1)的材质为铁锰合金，其铁锰合金中各成分的质量百分含量为：96.13％的铁、1.43％的锰、0.7％的铬、0.62％的硅、0.43％的镍、0.39％的钼、0.21％的硼、0.049％的钛、0.025％的磷和0.016％的硫；所述基材润滑导热体矩形棱柱毛坯(3)的材质为铜锡合金，其铜锡合金中各成分的质量百分含量为：92.14％的铜、4.53％的锡、1.21％的锌、0.97％的镍、0.51％的铝、0.38％的铅和0.26％的磷。
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