CN112124256B - 一种高速动车用踏面清扫装置研磨子及制备工艺 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高速动车用踏面清扫装置研磨子及制备工艺，包括摩擦块、背板，摩擦块与背板接触，且背板上布置有嵌入摩擦块内部的连接部件，所述连接部件为倒刺状，制备时，将带有倒刺状连接部件的背板放入热压模具中，采用热压头上具有0.1‑1mm排气微孔热压装置，将摩擦材料组分注入模具中热压成形。摩擦材料组分包括，钨硅双改性酚醛树脂粘合剂22‑35wt%、3‑5mm导热增强铜纤维10‑25%wt、镍粉20%‑35%，2‑5wt%石墨浸渍在16‑30wt%多孔陶瓷颗粒中，满足研磨子工况应用要求，具有较高的热稳定性，无脱落和打结，具有一定的修型等作用。

Description

一种高速动车用踏面清扫装置研磨子及制备工艺

技术领域

本发明涉及高速铁路装备制造领域，尤其涉及踏面清扫装置配件，具体涉及一种研磨子及其制备工艺。

背景技术

随着国内高速铁路发展及客运专线的建设，动车组运行环境及区域复杂化，良好的轮轨接触对动车组的安全可靠运行起着决定性的作用。因此，踏面清扫器研磨子成为动车组制动系统的重要组成部分，关系着动车组的运营安全及成本。

作为研磨子发展技术脉络，业界基本清楚，中国铁道科学研究院裴顶峰研究员领衔的课题组对此研究深入，其在《踏面清扫器研磨子材料对动车安全可靠性影响的研究》一文中进行了简要的回顾，即在最初的踏面清扫器装置，研磨块主要为铸铁。随着机车技术的发展，踏面清扫装置逐步应用到铁道列车上。日本国铁开发了适用于高速动车组的新型踏面清扫器，并且开发了相应的研磨子材料。国内在提速客车上也安装了大量的踏面清扫器，踏面清扫器研磨子材料有铸铁及有机合成材料等。随着国内高速铁路的发展，中国在CRH2型动车组上使用了踏面清扫器并使用的是有机合成材料的研磨子。研磨子是安装在动车组转向架上随着列车速度的不断提高，对转向架性能的要求也越来越高。同传统转向架相比，保持高速运行稳定性、充分利用轮轨之间的粘着和减轻轮轨相互作用力是动车组转向架特有的任务和技术关键。研磨子在列车行进过程或制动过程中，研磨子紧贴在车轮踏面上，清扫油污、雨水、杂质等，从而改善粘着，提高制动安全性能。

动车组研磨子是一种类似闸瓦的磨耗件，随着行车里程及行车条件的变化，磨耗量不同。目前CRH2实行8辆编组的动车组有64 块研磨子，研磨子的厚度约为40mm，有效磨耗量是30mm，从既有的动车研磨子使用情况来看，每个研磨子的有效工作里程大概为10万Km，正常的工作寿命可以达到2个月。在正常的情况下，研磨子可以有效的保证研磨子在使用时既要能够增加轮轨之间的粘着系数, 又不能损伤车轮踏面。在研磨子起作用的时间内,由于研磨子和车轮进行摩擦, 将产生较高的摩擦温度,并且持续数分钟, 因此要求无石棉研磨子有足够的高温摩擦因数稳定性与耐热强度, 不产生火星及烟雾。摩擦颗粒要有足够的强度, 以保证在车轮和轨道之间产生较高的粘着系数。

作为本发明的背景以及对从业人员的普及，上述文献记载的内容并入本文以作为分享，进一步的，为此获得的技术在专利保护方面也是众多文献：

首先如中国铁道科学研究院金属及化学研究所裴顶峰研究员团队的中国专利技术CN201110235984.8提供了一种用于动车踏面清扫器研磨子，该研磨子由复合材料制成，该复合材料的组分包括改性酚醛树脂6818、还原铁粉、铜纤维、钢纤维、海泡石、钾长石、石墨、冰晶石和氧化铝。还提供了一种研磨子制备方法。所述方法因为对研磨子半成品进行了热处理从而使改性树脂充分固化，避免了研磨子使用过程中，出现高温应力裂纹和热裂纹。同时，由于采用了阶梯升温，从而提高了研磨子的成品率，避免了后处理时出现热裂纹和应力收缩裂纹。

进一步的，对于研磨子材料表面改性的涂覆技术，如马鞍山市雷狮轨道交通装备有限公司的中国专利技术CN201811499726.9公开了一种踏面清扫器研磨子涂料及带有涂层的研磨子，属于制动材料制备技术领域。本发明的一种踏面清扫器研磨子涂料：包括以下重量份的原料：低温粉10～40份；助熔剂10～25份；悬浮剂10～20份；熔融温度调节剂1～10份；防水剂1～5份；无机结合剂5～10份。其目的在于克服现有研磨子表面易氧化的质量缺陷，提供了一种踏面清扫器研磨子涂料及带有涂层的研磨子，该踏面清扫器研磨子涂料，环保无毒，可以有效防止无机结合剂及含碳物质氧化，进一步提高了研磨子的使用寿命，改善了研磨子的使用性能。

如涉丹阳通兴和机电科技有限公司中国实用新型专利CN201920792665.9涉及列车踏面清扫器，特别是一种具有承受双向冲击作用的列车踏面清扫器的研磨子。包括与车轮踏面具有相同弧形的摩擦块、上背板和下背板，下背板上布置有若干嵌入摩擦块内部的连接爪，连接爪包括顺着车轮旋转方向布置的横向连接爪和垂直于车轮旋转方向布置的纵向连接爪。该专利技术既能够克服踏面所带来的推力，又能够克服车轮旋转方向所带来的圆周切向力，具有承受双向冲击作用，提高了承受不同方向振动冲击的能力，提高了研磨子的使用寿命，降低了更换频率，减轻了维修人员的劳动强度，提高了行车安全性，降低了运营成本。

上海壬丰新材料科技有限公司中国专利技术CN201710444879.2动车踏面清扫器修形研磨子及其制备方法。首先按照重量百分比进行原料的配制：粘结剂10-35％，丁腈橡胶5-15％，碳纤维10-20％，芳纶纤维5-10％，修形助剂15-35％，石墨0-10％；然后将上述原料先按比例、分步骤的加入到高速犁耙式混料机中混合，混合5-10min，在室温-150℃下将物料在成型模具中以200-600kg/cm²的压力反应200-500秒，然后将成型的研磨子在高温下烧结，烧结温度为100-140℃，烧结时间5-20小时，即得到研磨子。与现有技术相比，所得修形研磨子已经在长客标准动车组上使用，修复车轮表面缺陷和不圆度的功能很明显，并且没有产生裂纹、热斑、火花，也无金属镶嵌、分层、掉块等不良现象，对对偶无损伤，效果很好。

日本川崎重工业株式会社的日本专利技术JP2002046604 A提供了一种踏面清扫装置，气压供应源（24）向气缸装置（10）供应高气压，使弹簧（2）收缩并使抛光单元（1）与车轮的胎面（W'）分离。气压供给源供给低气压以减小弹簧力并使抛光单元与胎面摩擦，并且停止气压供给以减小弹簧力并释放抛光单元。也就是说主要是研究气动与研磨子操作问题。其实现了在轮轨上的粘着增强作用。

日本铁道综合技术研究所与神钢电机株式会社的日本专利技术开发了一种增强车轮踏面的粘着力的方法及装置（JP2006281859 A），其原理是由于车轮（3）的铁芯损耗而增加了行驶时间，车轮的铁芯损耗根据来自电磁装置（9）的电磁感应产生了车轮胎面（4）表面的温度。随着温度的升高，介于车轮和轨道（1）之间的流体粘度降低，从而提高了车轮胎面的附着力。

同样，日本在具体的研磨子材料方面有不断有研发，如上田制动株式会社开了一种铜基烧结摩擦材料及列车研磨子（JP2014218723 A），具体铜基烧结摩擦材料中铜和锡的含量分别为55-67％质量和5-7％质量。铜基烧结摩擦材料还包括选自5-7％质量，2-3％质量的硫酸钡，7-10％质量的石墨和3-5％质量的莫来石的组分，以及选自磷，硫，二硫化钼的组分和钛酸钾。

同样，关于制备工艺，浙江科特汽配有限公司CN201310594923.X中国发明专利涉及一种在不改变现有动车组研磨子配方的前提下，通过对其制作工艺的改进，使基具有增粘特性的动车组抗磨增粘研磨子生产工艺，包括动车研磨子生产工艺，在现有动车研磨子生产工艺的基础上：热压时的工艺参数为：制品的压力≥35Mpa，热压温度控制150±10℃，加压后45秒第一次放气，保压25秒后第二次放气，根据混合料的状况，可以进行第三次放气，放气完毕以后，保压10分钟让混合料充分固化，然后制品出模，产品检查，合格后转入下一道工序；热处理，为保证研磨子产品性能稳定、尺寸稳定，热压完成以后的产品必须经过烘箱热处理，热处理条件是：温度150±5℃，恒温5小时，升温到180±5℃,恒温4小时，等自然冷却到60℃以下后，方可打开烘箱门，进行下一步操作。

上述背景技术总体体现了现有的研磨子在踏面清扫装置中的应用以及材料和制备工艺方面的进展。

发明内容

针对上述现有技术，本发明提供一种新的研磨子，其具有防止金属纤维粘结，减少放气工序，更加稳固等方面具有优异作用。具体采用如下技术方案：

本发明的第一方面涉及一种高速列车踏面清扫器的研磨子，包括摩擦块、背板，摩擦块与背板接触，且背板上布置有嵌入摩擦块内部的连接部件，其特征在于：所述连接部件为倒刺状。

本发明的第二方面涉及一种研磨子制造用热压装置，其特征在于热压头上具有排气微孔。

进一步所述的研磨子的制备方法，在于将带有倒刺状连接部件的背板放入热压模具中，采用前述带有微孔的热压装置，将摩擦材料组分注入模具中热压成形，无需放气，气体在热压压力下从微孔高速排出，在于微孔直径为0.1-1mm。。

所述的摩擦材料组分，其特征在于包括，粘合剂 22-35wt%、导热增强纤维10-25%wt、石墨2-5wt%、镍粉20%-35%。

特别是所述的石墨，是将石墨溶液浸渍在多孔陶瓷颗粒中，多孔陶瓷含量为16-30wt%，导热增强纤维，其为铜纤维，其长度为3-5mm。

所述粘合剂为酚醛树脂，优选改性酚醛树脂、更优选含硅改性酚醛树脂，特别是钨-硅双改性酚醛树脂。具体的所述的钨-硅双改性酚醛树脂的制备方法，其特征在于：

1)将1-萘基三乙氧基硅烷加入50%的乙醇水溶液中，加入盐酸调pH值为5-6，在温度20-40℃下水解4-8h，得溶液I；

2）将1mol六羰基钨与过量的哌嗪反应制备钨哌嗪配合物，记为产物II；

3）将催化剂氢氧化钠溶于37%的甲醛溶液中，然后与融化的苯酚在反应器中混合，在50-70℃下反应1-3小时；抽真空脱水后，加入溶液I和产物II，反应2-3h，即得到钨硅双改性酚醛树脂。

本发明的第三方面涉及一种高速列车，在于包括前述的研磨子。

有益效果

1、研磨子制备工艺中一般都是将摩擦块与背板热压结合，但是在研磨子后期使用过程中容易产生边缘缝隙，进而加速了与背板的剥离，提前更换研磨子，本发明采用背板上具有倒刺状设计，在热压的时候一体嵌入摩擦块中，由于倒刺状的设计，摩擦块很难于背板分离，因此避免了由于二者剥离而导致的失效。

2、现有的研磨子制备工艺中，由于热压的作用，都需要采用放气工序，防止气体残留鼓泡等不良现象，本发明采用热压头上设置的微孔结构，微孔直径为0.1-1mm，能够实现很好的放气和热压，减少了多次放气操作工序，一步热压成型。

3、作为摩擦材料，增强纤维是本领域常用的，如碳纤维、芳纶纤维以及金属纤维如铜纤维和钢纤维，但是在采用金属纤维时，其优点在于还能够实现热的传导，不足之处是，现有金属纤维的长度多大于5mm，经观察研磨子在实际使用的快速压力摩擦下，会出现金属纤维的聚集，从而造成具备金属纤维过多，从而造成了研磨子表面状况的不均匀，对轮轨产生了过度磨削，产生划痕，为此本发明经过大量实验，发现3-5mm的铜纤维，既能够实现增强作用，同时还不至于过长，导致纤维与纤维之间过度缠绕聚集，在工作时，该长度的铜纤维由于在压力摩擦时一部分露头的纤维，纤维与纤维之间较少缠绕，而随着继续的研磨，剥离会优先缠绕，从而避免了上述问题。

4、为防止过度磨损，本发明与其它技术一样，也选用了石墨，然而发现由于石墨的性质，在研磨子压力研磨工作时，容易出现局部片状石墨堆积，不利于研磨子对轮轨作用力的均匀，经研究发现原因可能是石墨分散的不均匀，也有可能是后期工作时的压力携带聚集，为此本发明采用将石墨置于多孔陶瓷性颗粒中，从而能够随压力摩擦时能够均匀释放石墨，解决了上述缺陷。同时多孔陶瓷还具备适当的辅助修型作用。

5、本发明的树脂同样采用最为广泛的酚醛树脂体系，对此可以不做特别的限定，如硼改性的酚醛树脂，但是为了提高耐热稳定性，本发明可以进一步采用钨硅酚醛树脂，实现了更高的热稳定性残炭率。

具体实施方式

实施例1

工序A制备粘合剂钨硅酚醛树脂：

1)将130g 1-萘基三乙氧基硅烷加入1L 50%的乙醇水溶液中，加入盐酸调pH值为5，在温度35℃下水解5h，得溶液I；

2）将1mol六羰基钨与6mol的哌嗪反应制备钨哌嗪配合物，记为产物II；

3）将催化剂30g氢氧化钠溶于37%的甲醛溶液中，然后与融化的940g苯酚在反应器中混合（苯酚与甲醛的摩尔比为1:1），在65℃下反应2小时；抽真空脱水后，加入溶液I和产物II，反应2.5h，即得钨硅双改性酚醛树脂，钨、硅与酚醛形成化学键合；

工序B：制备改性石墨：

基于摩擦块总重，将2wt%石墨的分散液浸渍在16wt%多孔陶瓷颗粒中3h，烘干；

工序C：制备研磨子：

基于摩擦块总重，将工序A粘合剂 22wt%、3mm的铜纤维25%wt、嵌入多孔陶瓷的石墨（石墨2wt%、多孔氧化硅氧化铝陶瓷16wt%）、镍粉35%混合，得混合料备用；

将带有倒刺状连接部件的背板放入热压模具中，采用带有0.5mm微孔的热压头的热压装置，将混合料注入模具中热压成形。

热处理：经三阶段热处理110℃下保温7h，在30min内升温到150℃，并保温8h，在30min内升温到170℃，保温5h后随炉自然冷却至室温。

性能测试：压缩强度162Mpa，弹性模量 2.3Gpa，冲击强度6.3Mpa。满足使用要求。

实施例2-3参见表1，其余同实施例1；对比例1-5参见表1，其中对比例1采用的粘合剂为市售酚醛树脂、对比例2采用通用文献记载制备方法获得硼硅酚醛树脂；对比例3-5粘合剂同实施例1；对比例5不采用多孔陶瓷负载石墨粉。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

表1

注1：苯酚与甲醛摩尔比为1:1。

Claims (7)

1.一种高速列车踏面清扫器的研磨子，包括摩擦块和背板，所述摩擦块与所述背板接触，且背板上布置有嵌入摩擦块内部的连接部件，其特征在于：所述连接部件呈倒刺状，将带有呈倒刺状的所述连接部件的背板放入热压模具中，所述热压模具的热压头上具有排气微孔，采用所述热压模具将摩擦材料组分注入模具中热压成形制成所述研磨子，所述摩擦材料组分包括，粘合剂 22-35wt%、导热增强纤维10-25wt%、石墨2-5wt%、镍粉20%-35wt%，所述粘合剂为钨-硅双改性酚醛树脂。

2.如权利要求1所述一种高速列车踏面清扫器的研磨子，其特征在于，所述导热增强纤维为铜纤维。

3.如权利要求2所述一种高速列车踏面清扫器的研磨子，其特征在于，所述铜纤维长度为3-5mm。

4.如权利要求1所述一种高速列车踏面清扫器的研磨子，其特征在于，所述排气微孔直径为0.1-1mm。

5.如权利要求1所述一种高速列车踏面清扫器的研磨子，其特征在于，所述钨-硅双改性酚醛树脂的制备步骤为：

1)将1-萘基三乙氧基硅烷加入50%的乙醇水溶液中，加入盐酸调pH值为5-6，在温度20-40℃下水解4-8h，得溶液I；

2）将1mol六羰基钨与过量的哌嗪反应制备钨哌嗪配合物，记为产物II；

3）将催化剂氢氧化钠溶于37%的甲醛溶液中，然后与融化的苯酚在反应器中混合，在50-70℃下反应1-3小时；抽真空脱水后，加入溶液I和产物II，反应2-3h，即得到钨硅双改性酚醛树脂。

6.如权利要求1-5任一项所述一种高速列车踏面清扫器的研磨子的制备方法，其特征在于，包括如下工序：

工序A制备粘合剂钨硅酚醛树脂：

1)将1-萘基三乙氧基硅烷加入乙醇水溶液中，加入盐酸调pH值为5-6，在温度20-40℃下水解，得溶液I；

2）将六羰基钨与哌嗪反应制备钨哌嗪配合物，记为产物II；

3）将催化剂氢氧化钠溶于37%的甲醛溶液中，然后与融化的苯酚在反应器中混合，在50-70℃下反应；抽真空脱水后，加入溶液I和产物II，反应制得钨硅双改性酚醛树脂，钨、硅与酚醛形成化学键合；

工序B：制备改性石墨：

基于摩擦块总重，将2wt%石墨的分散液浸渍在16wt%多孔陶瓷颗粒中，烘干；

工序C：制备研磨子：

基于摩擦块总重，将工序A中制得的粘合剂 22wt%、3mm的铜纤维25wt%、嵌入工序B中制得的改性的多孔陶瓷石墨、镍粉35wt%混合，得混合料备用；

将带有倒刺状连接部件的背板放入热压模具中，采用带有0.5mm微孔的热压头的热压装置，将混合料注入模具中热压成形；

热处理：经三阶段热处理110℃下保温7h，在30min内升温到150℃，并保温8h，在30min内升温到170℃，保温5h后随炉自然冷却至室温，从而得到所述研磨子。

7.一种高速列车，其特征在于包括权利要求1-4任一项所述研磨子。