CN112628321B - 一种高速动车组用碳陶轴装制动盘盘体 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种适用于高速动车组碳陶轴装制动盘盘体，该盘体包含平行相对设置的一对摩擦环和固定于该对摩擦环之间的支撑环，摩擦环与支撑环之间设置有沿径向均匀分布的抗剪结构，所述抗剪结构包含有抗剪沉槽和用于嵌入所述抗剪沉槽的凸台，摩擦环和支撑环为陶瓷基复合材料，三者通过真空熔硅浸渗反应化学粘接固定为一体。本发明制动盘盘体采用整体式盘体设计，盘面采用通风式结构，能够有效降低制动盘盘面温度，提高制动盘使命寿命和产品可靠性。此外，本发明还提出了具有上述盘体结构的碳陶轴装制动盘。

Description

一种高速动车组用碳陶轴装制动盘盘体
技术领域
本发明属于轨道车辆制动系统技术领域，具体涉及为一种高速动车组用碳陶轴装制动盘。
背景技术
制动系统是高速动车组车辆关键技术之一，制动盘是制动系统的关键部件，对高速列车的安全行驶起着至关重要的作用。目前我国所有的高速动车用采用盘型制动装置进行列车制动。高速列车制动时，需要制动盘具有足够的强度、稳定的摩擦性能、优异的耐磨性、抗热裂和热冲击负荷能力等，制动盘可靠性的提升将极大的提高高速列车制动系统和行车安全的稳定性。
目前，高速动车组用制动盘材质选用铸钢或者锻钢材质制备。在长时间运营条件下，易出现热裂、热斑、疲劳裂纹、性能衰退等缺陷；随着国内高速列车运行速度的不断提高，已经达到了钢材质盘体材料的应用极限，为此，采用新型摩擦材料开发出新型制动盘产品是解决目前温度的有效途径之一。如果能进一步的降低车辆的簧下重量，将有利于节约能源，节能减排。
连续碳纤维增强陶瓷基复合材料（简称“碳陶复合材料”）是二十世纪发展起来的新一代高性能制动摩擦材料，在汽车、飞机、军事等领域有广泛的应用。目前国内开发出多种类型的碳陶制动盘产品，中国专利CN 103553695公布了一种碳陶复合材料制动盘及制备方法，专利采用短碳纤维、基体碳、SiC、硅元素等组元通过热压成型制备一种碳陶复合材料制动盘，但是由短纤维制备而成的碳陶复合材料制动盘强度低，难以满足高速动车组的要求。中国专利CN 109869423公布了一种组合式高速动车组用碳陶轴装制动盘。该制动盘盘体由三层结构组成，中间体为铸钢材质，两边的摩擦环采用碳陶材质，层与层之间采用陶瓷隔热涂层进行隔热；虽然该方案能够解决制动过程温度过高影响相邻部件性能的问题，但是由于是异种材质的连接组合，长时间工作会导致紧固件紧固力松动，影响行车安全。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，克服现有技术的上述缺点，开发出一种连续碳纤维增强陶瓷基复合材料轴装制动盘产品，应用在高速动车组列车制动系统中。该制动盘采用整体式碳陶结构，能够减少异种材料在工作条件下热应力，有效的提高盘体的疲劳性能；同时通过特殊设计的散热通道结构，有效的降低碳陶盘面温度，排除磨屑等优点。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是: 一种轴装制动盘盘体，所述盘体包含平行相对设置的一对摩擦环和固定于该对摩擦环之间的支撑环，其特征在于：所述摩擦环与支撑环之间设置有沿径向均匀分布的抗剪结构，所述抗剪结构包含有抗剪沉槽和用于嵌入所述抗剪沉槽的凸台，所述摩擦环和支撑环为陶瓷基复合材料，三者通过真空熔硅浸渗反应化学粘接固定为一体。
进一步的，所述支撑环设置有轴向贯穿的定位通孔，所述摩擦环内侧面设置有与之对应的定位盲孔，定位柱插入定位通孔和对应的定位盲孔，实现摩擦环和支撑环的定位。
本发明轴装制动盘盘体的制造工艺，包含如下步骤：
步骤1、使用碳纤维编织材料制作所有部件，并使用气相沉积工艺使其硬化；
步骤2、将所有部件进行装配，形成制动盘盘体；
步骤3、再次使用气相沉积工艺处理制动盘盘体，使各部件之间预固定；
步骤4、使用真空熔硅浸渗反应对制动盘盘体进行处理，使各部件化学粘接固定为一体。
此外，本发明还提供了一种轴装制动盘，其特征在于：具有上述的轴装制动盘盘体、位于盘体内圈的盘毂和隔盘，盘体被盘毂和隔盘夹持并通过螺栓将三者固定为一体。
本发明的有益效果为：
1、碳陶制动盘采用了整体通风式结构，能够降低制动盘的温度，提高制动盘的使用寿命。
2、碳陶制动盘的通风孔能够有效排除制动磨屑，稳定制动过程摩擦系数。
3、碳陶材料的密度为2.0g/cm3，与钢质制动盘相比，重量下降2/3以上。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图是用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1是碳陶轴装制动盘盘体的主视图。
图2 是图1中沿A-A方向的剖视图。
图3是图1中沿B-B方向的剖视图。
图4是支撑环的立体图。
图5是摩擦环的立体图。
图6是碳陶轴装制动盘的立体图。
图7是碳陶轴装制动盘的组装示意图。
图中标号示意如下：
1-盘毂；2-盘体；3-隔盘；4-支撑环；41-定位通孔；42-抗剪沉槽；43-通风槽；5-第一摩擦环；51-定位盲孔；52-摩擦环凸台；53-通风通孔；6-第二摩擦环；7-定位柱。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
如图1至5所示，本发明碳陶轴装制动盘盘体，包含平行相对且镜像设置的第一摩擦环5和第二摩擦环6，以及固定于第一摩擦环5和第二摩擦环6之间的支撑环4。支撑环4两侧沿径向均匀分布有抗剪沉槽42第一摩擦环5和第二摩擦环6的内侧面设置有用于嵌入抗剪沉槽42的凸台52。抗剪沉槽42与凸台52配合构成盘体2的抗剪结构。
如图4所示，在两个抗剪沉槽42之间分布多个通风槽43。对应的，如图5所示，第一摩擦环5和第二摩擦环6的相邻凸台52之间的区域开设有多排阵列分布的与该通风槽43相通的通风通孔53，通风通孔53和通风槽43组成的通风途径，用于制动过程中提供径向散热以及排屑通道，能有效的排除制动过程产生的磨屑和降低盘面温度。如图4所示，支撑环4的抗剪沉槽42内设置有轴向贯穿的定位通孔41。对应的，如图5所示，摩擦环的内侧面设置有对应的定位盲孔51，定位盲孔51的位置设置在摩擦环的凸台52上，定位柱7插入定位通孔41和对应的定位盲孔51，实现摩擦环和支撑环4的定位。
本实施例中，第一摩擦环5、第二摩擦环6、支撑环4和定位柱7均为陶瓷基复合材料，通过真空熔硅浸渗反应化学粘接固定为一体。
本发明各部件采用的陶瓷基复合材料是连续纤维增强陶瓷基复合材料，复合材料成分包括高强碳纤维（T700强度级别以上）基体、沉积碳、陶瓷相和残余硅。采用连续纤维编织的三维基体具有强度高、耐高温、易成型等优点。
轴装制动盘盘体的制造工艺，包含如下步骤：
步骤1、使用碳纤维编织材料制作上述的所有部件（第一摩擦环5和第二摩擦环6、支撑环4和定位柱7），并使用气相沉积工艺使其硬化。通过高真空气相沉积炉，在2200℃～2800℃温度条件下，采用甲烷、丙烷、乙炔等富碳气体，将上述所有部件编制体碳纤维表面沉积一层活性碳，沉积时间240～480h。使上述碳纤维编制体密度达到1.3g/cm3以上。
步骤2、将所有部件进行装配，形成制动盘盘体。装配时现将定位柱7插入支撑环4的定位通孔41，然后将第一摩擦环5和第二摩擦环6从两侧夹住支撑环4，使定位柱7插入定位盲孔51中，与此同时，凸台52插入抗剪沉槽42内，至此完成了制动盘盘体的装配。
步骤3、再次使用气相沉积工艺处理已装配完成的制动盘盘体，使各部件之间得到预固定。制备工艺与步骤1相同，制备沉积时间60～120h，步骤3后制动盘盘体预制体密度≥1.5g/cm3。
步骤4、使用真空熔硅浸渗反应对制动盘盘体进行处理，使各部件化学粘接固定为一体。采用真空浸渗炉，容器内倒入硅粉并摆放支撑体，将制动盘盘体放置于支撑体上，支撑体材质与制动盘体相同。在1550℃～1800℃温度条件下将熔融的硅通过支撑体浸渗入制动盘盘体，并与碳纤维表面沉积的活性碳发生化学反应，生产陶瓷增强相的过程，真空浸渗反应时间为3～6h。步骤4后，制动盘密度≥1.9g/cm3。
如图6、图7所示，是采用了上述盘体的轴装制动盘，具有碳陶轴装制动盘盘体2、位于盘体2内圈的盘毂1和隔盘3，盘体2被盘毂1和隔盘3夹持并通过紧固件（螺栓）将三者固定为一体。具体来说，盘体2的支撑环4的内圈部分被盘毂1和隔盘3夹持。
本实施案例中，支撑环4、第一摩擦环5和第二摩擦环6均为圆环片状结构，并且同圆心轴分布在盘毂1上。要求组装制备后碳陶制动盘盘体的厚度范围从80mm至110mm。
本发明高速动车组用轴装制动盘采用了整体通风式结构，能够有效的降低制动过程中产生的制动温度，提高产品寿命；与现有钢质制动盘相比，重量降低2/3以上，大大的降低能源消耗；由摩擦环盘面通孔和中间体通孔组成的散热途径，能够很好的排除制动过程中产生的磨屑，稳定摩擦副摩擦系数。适用于350km/h以上高速动车组列车使用。
除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。

Claims (7)

1.一种轴装制动盘盘体，所述盘体（2）包含平行相对设置的一对摩擦环（5、6）和固定于该对摩擦环（5、6）之间的支撑环（4），其特征在于：所述摩擦环（5、6）与支撑环（4）之间设置有沿径向均匀分布的抗剪结构，所述抗剪结构包含有抗剪沉槽（42）和用于嵌入所述抗剪沉槽（42）的凸台（52），所述摩擦环（5、6）和支撑环（4）为陶瓷基复合材料，三者通过真空熔硅浸渗反应化学粘接固定为一体；所述摩擦环（5、6）与支撑环（4）之间设置有径向分布的通风槽（43），所述摩擦环（5、6）开设有与该通风槽（43）相通的通风通孔（53）；所述支撑环（4）设置有轴向贯穿的定位通孔（41），所述摩擦环（5、6）内侧面设置有与之对应的定位盲孔（51），定位柱（7）插入定位通孔（41）和对应的定位盲孔（51），实现摩擦环（5、6）和支撑环（4）的定位；所述抗剪沉槽（42）设置于支撑环（4）的两侧面，凸台（52）设置于摩擦环（5、6）的内表面，所述定位盲孔（51）设于所述凸台（52）。
2.根据权利要求1所述的轴装制动盘盘体，其特征在于：所述定位柱（7）为经陶瓷基复合材料，通过真空熔硅浸渗反应与摩擦环（5、6）和支撑环（4）化学粘接固定为一体。
3.根据权利要求1所述的轴装制动盘盘体，其特征在于：所述通风槽（43）设置于支撑环（4）两侧面。
4.权利要求1-3任一项所述轴装制动盘盘体的制造工艺，包含如下步骤：
步骤1、使用碳纤维编织材料制作所有部件，并使用气相沉积工艺使其硬化；
步骤2、将所有部件进行装配，形成制动盘盘体；
步骤3、再次使用气相沉积工艺处理制动盘盘体，使各部件之间预固定；
步骤4、使用真空熔硅浸渗反应对制动盘盘体进行处理，使各部件化学粘接固定为一体。
5.一种轴装制动盘，其特征在于：具有如权利要求1-4任一项所述的轴装制动盘盘体。
6.根据权利要求5所述的轴装制动盘，其特征在于：还包括位于盘体（2）内圈的盘毂（1）和隔盘（3），所述盘体（2）被盘毂（1）和隔盘（3）夹持并通过紧固件将三者固定为一体。
7.根据权利要求6所述的轴装制动盘，其特征在于：所述盘体（2）的支撑环（4）的内圈部分被盘毂（1）和隔盘（3）夹持。
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