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1、閘瓦材料分析 1、閘瓦的種類 閘瓦是指制動時，壓緊在車輪踏面上以產(chǎn)生制動作用的制動塊。車輪使用的閘瓦可分為鑄鐵閘瓦和合成閘瓦。在鑄鐵閘瓦中，又可分為中磷鑄鐵閘瓦和高磷鑄鐵閘瓦。在合成閘瓦中，按基本成分，可分為合成樹脂閘瓦和石棉橡膠閘瓦；按摩擦系數(shù)高度，又可分為高摩擦系數(shù)合成閘瓦和低摩擦系數(shù)合成閘瓦（簡稱高磨合成閘瓦和低磨合成閘瓦）。中磷鑄鐵閘瓦、高磷鑄鐵閘瓦和低摩合成閘瓦，成為通用閘瓦，可互換使用（不可改變基礎制動裝置的結(jié)構(gòu)） 1.1鑄鐵閘瓦 高磷鑄鐵閘瓦與中磷鑄鐵閘瓦相比較，主要是提高了含磷量。中磷鑄鐵閘瓦的含磷量為0.7%-1.0%，高磷鑄鐵閘瓦的含磷量為10%以上。高磷鑄鐵閘瓦的耐磨性比
2、中磷鑄鐵閘瓦高1倍左右。運用實踐表明，高磷閘瓦的使用壽命約為中磷閘瓦的2.5倍以上。高磷閘瓦還有一個特點就是制動時火花少。鑄鐵閘瓦的摩擦系數(shù)是隨含磷量的增大而增大，故高磷閘瓦的摩擦系數(shù)大于中磷閘瓦。但含磷量過高將會增加閘瓦的脆性，當含磷量超過1.0%時，閘瓦如不加鋼被，便有裂損的可能，所以高磷閘瓦閘瓦需采用鋼背補強。 1.2合成閘瓦 合成閘瓦是采用黏合劑將增強材料和填料(三元體)黏結(jié)在一起，各自發(fā)揮在制動時的作用，直接與對偶件相互作用產(chǎn)生摩擦力。黏合劑主要包括酚醛樹脂及改性物、天然及其人工合成橡膠。增強材料主要有石棉、鋼纖維、鑄鐵纖維、人工合成纖維、天然纖維等。大部分無機化合物都能作為填料使用
3、,發(fā)揮改善摩擦系數(shù)、溫度、速度、曲線形狀和穩(wěn)定摩擦系數(shù)的作用,保證行車安全。平穩(wěn)的摩擦系數(shù)及足夠制動力。合成閘瓦, 在高速時其摩擦系數(shù)降低較小,能維持足夠的制動力,并可由調(diào)整材料配比研制出停車時摩擦系數(shù)較小的品種，使停車時較為平穩(wěn)。使用壽命長，合成閘瓦的使用壽命隨其成分及使用條件的不同而不同,但一般比鑄鐵閘瓦長310倍；因此,可以大大減少更換閘瓦的工作量,從而節(jié)省維修費用和閘瓦費用；重量輕，合成閘瓦重量僅為鑄鐵閘瓦的1/41/3,便于更換閘瓦,并減輕勞動強度。防止火災事故。鑄鐵閘瓦的磨耗鐵沫易壞機車車輛的電器設備及軌道回路絕緣。緊急制動中產(chǎn)生的紅熱鐵沫火花，四處飛濺易引起沿線火災。合成閘瓦在制
4、動時沒有或有很少的火花,有利于防止火災。 2、列車制動材料的選用分析 為滿足列車制動需要,防止閘瓦早期失效，對閘瓦材料的要求是：合適且穩(wěn)定的高摩擦系數(shù),耐磨、熱裂性能優(yōu)良,制動火花少。目前用于閘瓦的制動材料可 歸類為鑄鐵閘瓦、合成閘瓦、粉末冶金閘瓦和復合材料閘瓦等4種。 2.1、鑄鐵材料 鑄鐵閘瓦在鐵道車輛上使用已有百年以上的歷史。鑄鐵制動材料的主要優(yōu)點是：1擦系數(shù)受環(huán)境影響小而較為穩(wěn)定,具有“全天候”運行特征；2導熱性較好,對車輪熱損害?。?可使車輪踏面粗化,從而獲得較大的粘著力,減小車輪的機械擦傷；4堅固耐用、價格低廉。但普通灰鑄鐵（片狀石墨）閘瓦的摩擦系數(shù)較小,且隨摩擦速度的提升, 摩擦
5、系數(shù)迅速下降,在列車高速運行時尤為明顯,故普通鑄鐵閘瓦一般多用于低速運行的客貨列車。對高速列車閘瓦,可從提高鑄鐵的含磷量和加人少量合金元素兩方面來改進其性能。實際上, 現(xiàn)在使用的多種鑄鐵閘瓦,即是中高磷鑄鐵、含磷蠕墨鑄鐵、合金鑄鐵等長壽命的特殊鑄鐵閘瓦。鑄鐵的含磷量增加,組織中析出大量磷共晶,使閘瓦的摩擦系數(shù)提高、耐磨性改善,列車的制動距離也將縮短。如將含磷量從 0.5%提高到3.0%（質(zhì)量分數(shù)）左右,閘瓦的摩擦系數(shù)提高了20%,閘瓦的耐磨性也成比例地提高,制動距離可縮短30%一45%。但磷增加了鑄鐵閘瓦的脆性,使用中不可避免地產(chǎn)生裂紋,故需采用閘瓦背來補強。即便如此,高磷鑄鐵閘瓦的耐熱裂性仍
6、較差,其摩擦系數(shù)隨列車運行速度的提升而急劇下降的缺點未得到改善 2.2、合成材料 由于鑄鐵閘瓦的摩擦系數(shù)在高速時迅速下降,故高速車輛制動閘瓦可采用合成材料。它是由有機樹脂粘結(jié)劑（如酚醛樹脂）、金屬或化合物粉末（如鐵、銅、鉛與氧化鐵、氧化鋁等）和摩擦潤滑調(diào)節(jié)劑等經(jīng)充分混煉后成型加工、焙燒而成,它將材料與制品工序合二為一。改變合成材料的配比,可使合成閘瓦獲得不同的摩擦系數(shù),我國目前研制的合成閘瓦分低摩擦系數(shù)合成閘瓦和高摩擦系數(shù)合成閘瓦。合成材料閘瓦的主要優(yōu)點是：1、摩擦性能可按需要進行調(diào)整。2、耐磨性好，使用壽命長。3、節(jié)約鑄鐵材料。4、對車輪踏面的磨耗小，可延長車輪使用壽命。5、重量輕，一般只為
7、鑄鐵閘瓦的1/2-1/3.。6、可避免磨耗鐵粉的污損及因制動噴射火星而引起火災事故，并減輕對電氣設備的不良影響。7、摩擦系數(shù)從比較平穩(wěn)并能保證有足夠的制動力。8、由于摩擦系數(shù)值可以充分提高，采用合成閘瓦與小直徑的制動缸配套，可節(jié)約壓縮空氣，在高坡地區(qū)連續(xù)制動時可縮短再充氣時間，提高列車在坡道地區(qū)運行的安全性。但合成材料閘瓦也存在不足：其一是材料的導熱性差,制動時摩擦熱量難以散發(fā)，因而車輪溫度升高明顯，甚至產(chǎn)生熱裂；其次是在濕潤狀態(tài)下,摩擦系數(shù)顯著下降,即列車制動受天氣環(huán)境影響大,在雨雪天氣制動能力下降；此外,合成材料閘瓦與車輪踏面反復磨合后,使二者間的粘著系數(shù)降低,導致列車制動時車輪滑行而引起
8、踏面擦傷。合成材料閘瓦在高速列車發(fā)展的早期曾得到了廣泛的重視與應用,如我國雙層旅客列 車上就采用了這種制動閘瓦材料,但因其在高溫下磨損急劇增加,限制了合成材料閘瓦只能在一定范圍內(nèi)使用列車運行速一般不應高于200km/h,其制動處溫度一般不能超250此外,合成材料閘瓦的“全天候”也不適應列車營運重載化的發(fā)展趨勢。 2.3、粉末冶金材料 粉末冶金材料是以金屬粉末為基體,適當添加摩擦劑、潤滑劑等成分,通過壓制成型、可控高溫燒結(jié)（900-1050）而制得。粉末冶金閘瓦具有高而穩(wěn)定的摩擦系數(shù),耐磨損,導熱性優(yōu)良、抗熱裂性好,雨雪天氣環(huán)境下摩擦系數(shù)穩(wěn)定等優(yōu)點。其缺點是對車輪刮削傾向大。粉末冶金閘瓦不僅在質(zhì)
9、量與性能上有突出的優(yōu)點,而且在組分設計、產(chǎn)品多樣化上也極具靈活性。目前,粉末冶金閘瓦主要有鐵基和銅基材料兩大類,銅基粉末冶金閘瓦雖原材料貴重,但因其導熱性極佳,本身抗熱裂,且對制動盤和車輪的熱按傷隱患小,故也具有較高的應用價值。為充分發(fā)揮粉末冶金材料的性能潛力,以銅鐵鎳合金為基體的粉末冶金閘瓦已在日本應用,其列車的運行速度可高達350km/h。粉末冶金材料閘瓦2.4、復合材料 為滿足鐵路營運高速化、重載化、車輛的輕量化以及在規(guī)定范圍內(nèi)剎車的要求,材料學家已研究、應用了新型復合材料閘瓦,主要有C/C纖維復合材料和金屬基復合材料。C/C纖維復合材料是用碳纖維強化碳基體的復合材料,具有質(zhì)輕、高強度、
10、高模量、低熱膨脹系數(shù)、高抗裂性和優(yōu)良的耐高溫性能,能在1000溫度下正常工作。它已在飛機和賽車上得到了廣泛的應用，法國已在TGV高速列車上使用了這種復合材料制動裝置,效果顯著。 金屬基復合材料是以鋁為基體、以均勻分布的陶瓷顆粒為強化相,它克服了鋁材熱穩(wěn)定性差、耐磨性欠佳的缺點,具有較高的強度、優(yōu)良的耐熱性與抗裂性。 3、結(jié)論 列車制動閘瓦工作失效主要形式為磨損,嚴重時為磨粒磨損和粘著磨損,在制動溫度較高時,氧化磨損的作用也不可忽視。目前用于制動閘瓦的材料有鑄鐵、合成材料、粉末冶金材料和復合材料等4大類,將上述各種制動材料進行組合而獲得優(yōu)異特性也是今后閘瓦材質(zhì)的發(fā)展方向之一,如在合成閘瓦中摻人鑄鐵片等閘瓦已有部分應用在選擇應用閘瓦材料時應主要考慮列車運行速度和運行氣候環(huán)境等兩大因素。從鐵路車輛運行高速化、營運重載化和車體輕量化發(fā)展趨勢來看,復合材料是首選的摩擦制動材料,故各國都加強了對復合材料閘瓦的研制、生產(chǎn)與推廣應用。4、建議 我國合成閘瓦標準可考慮增加現(xiàn)場使用情況測評，如記錄一定數(shù)量的閘瓦裝車運行一定里程后的使用情況。對反饋回來的信息，結(jié)合物理力學性能、 制動摩擦性能的測試結(jié)果加以對比分析，將有助于相關標準的完善和閘瓦質(zhì)量的提高。 謝謝觀賞
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