南京地铁车辆合成闸瓦技术方案探讨

1、南京地铁车辆合成闸瓦技术方案探讨吴井冰 1 姜 敏 2 应之丁 2 裴顶峰 3(1. 南京地下铁道有限公司运营分公司 ,210012, 南京 ; 2. 同济大学铁道与城市轨道交通研究院 ,200092, 上海 ; 3. 铁道部科学研究院金化所 ,100081, 北京 第一作者 , 工程师 摘 要 分析了国内外铁路车辆应用的合成闸瓦技术 , 并对 地铁车辆使用的合成闸瓦特点进行探讨 。提出研究聚合物 基复合摩阻材料的地铁车辆合成闸瓦初步技术方案 , 重点解 决适用于地铁车辆制动工况的关键技术 , 包括耐热高聚物的 改性和应用研究 、 增强材料的应用研究和设计材料结构与性 能 , 并对合成闸瓦的生

2、产工艺进行初步探讨 。关键词 地铁车辆 , 合成闸瓦 , 技术方案 , 生产工艺中图分类号 U 260. 351On T echnical Solution for rake N anjing MetroWu Jingbing ,Jiang Zhiding ,Pei DingfengAbstract In this paper , many kinds of composition brake shoe used in railway rolling 2stock worldwide are introduced for the exploration of the features of b

3、rake shoe installed in metro cars. The technical solution of com position brake shoe is to use phe 2 nolic resins compounded with the rubbing resistance material , and this solution applied in metro vehcilesr has been analysized to offer higher properties and lower cost. To improve the ther 2 mal re

4、sistance and mechanical properties ,it is necessary to im 2 prove the properties of synthetic fiber and their application in the brake shoe. Finally , the manufacturing technology of com 2 position brake shoe is also discussed.K ey w ords metro vehicle , composition brake shoe , technical solution ,

5、 technologyFirst 2author s address Nanjing Metro Affiliated Company of Operation , 210012, Nanjing , China1 国内外使用合成闸瓦情况简介目前已成熟地应用在铁路车辆上的合成闸瓦 有 :橡胶闸瓦 (丁苯橡胶 、 顺丁橡胶等 及改性酚醛树 脂基半金属合成闸瓦 。它们主要应用在速度 120 km/h 以下的列车 。 在近两年国内有研究单位和厂 家相继推出了适用于速度 120km/h 以上列车的高 摩合成闸瓦产品 。 这些合成闸瓦产品的性能有了很 大的提高 , 逐步替代同类进口产品 。但与国外同类

6、产品相比 , 在解决合成闸瓦耐热 、 摩擦性能的稳定性 问题 , 。, (亦称 K 型闸瓦 , =0. 25 和低 (亦称 L 型闸瓦 , =0. 17 。这种合 成材料制成的闸瓦是通过把树脂 、 金属粉未 , 外加增 强材料 、 摩擦材料等混合在一起 , 加热后压缩制成 的 。 法国 TGV PSE 列车上使用的合成材料制动 闸片的成分是 : 粘接剂为丁醛 (丁二烯 苯乙烯 (SBR 弹性粘结剂或是甲醛酚醛树脂 ; 铁和氧化 铁 ; 硅和二氧化硅 (磨料 ; 氧化铝 ; 硫酸钡 ; 锌和氧化锌 ; 氧化镁 ; 铜 。 闸片的制造工艺采用 成形加工 (压铸 和焙烧 。近些年来 , 盘形制动用的

7、合成材料闸片的主要 发展方向是研制不含石棉的闸片 。 采用的石棉代用 材料有钢丝棉 、 铁粉 、 铜屑 、 玻璃纤维 、 碳纤维 、 钛酸 钾晶须 、 硼酸铝晶须等 。日本非石棉化技术通常是 采用耐热的芳族聚酰胺纤维代替石棉纤维 , 也有使 用金属纤维的 。这些合成闸瓦材质 , 除了上述纤维 外 , 还混合石墨 、 橡胶等材料 , 用酚醛树脂成型 : 热 固性的酚醛树脂是作为制动闸瓦的基体材料 , 连结 各种材料 (填充物 起到成型作用 。 这种酚醛树脂当 摩擦热熔化或者炭化时 , 将增大闸瓦的磨耗 , 从而引 起摩擦力的降低 , 因此在保持整体的强度范围内 , 应 调整它的含量 。 石墨通常

8、是作为润滑剂来调整摩 擦性能和磨耗量的 。 通过对石墨的品种和粒径反复 进行研究得知 , 石墨的粒度大小可以影响摩擦力 。 配上具有弹性性能的高分子合成橡胶时 , 制动闸 瓦即可提高柔软性 。 合成橡胶对增大真实接触面积 起到了重要作用 , 然而其含量多少影响着闸瓦的耐 热性 。 纤维是为确保制动闸瓦的强度而配的 。 这 14 第 10期研究报告 里使用的纤维是采用聚酰胺系和陶瓷系的纤维 , 并 且以弥补各材料性能的形式使其混合化 , 其效果有 :提高了机械强度 , 增加了材料气孔系数而使之柔软 化 , 提高了振动阻尼特性而控制了制动噪声 。这种 新开发的制动闸片性能经制动试验台试验 , 结果

9、表 明 , 其表面摩擦因数为 0. 350. 40, 比较稳定 , 摩擦 面在进入高温的高速区域内 , 未发现有衰减现象 (摩 擦力急剧下降 。 另外 , 获得了磨耗量比目前使用的 闸片低约 50%的好结果 , 并且制动时无噪声 。2 地铁车辆合成闸瓦技术分析从国内外研制的合成闸瓦来看 , 一般是将酚醛 材脂 、 金属粉末和润滑材料经混合加热压制而成闸 瓦 。 与常用的铸铁闸瓦相比 , 合成闸瓦的特点是 :高 速区摩擦因数为 0. 150. 35, 且不随列车速度的改 变而变化 , 并可通过改变配方和工艺进行调整 ; 性好 , 使用寿命可达铸铁闸瓦的 4火花 ; 质量小 (2:一是在润滑状下降

10、 ; 二是导热性差 , 因而使 车轮温度升高 , 甚至使车轮材料的组织 、 性能发生变 化 , 导致热裂 ; 此外 , 这种闸瓦会把车轮踏面磨得光 滑如镜 , 便粘着系数降低 。目前这些缺点尚未得到 有效解决 。 而地铁列车制动频繁 , 尤其上 、 下坡道多 而长 , 对闸瓦耐热要求更高 ; 为防止对车轮产生异形 磨耗 , 要求闸瓦与车轮踏面贴合性较好 , 闸瓦硬度值 较低 , 此外还要考虑降噪等效果 。2007年初 , 对上海地铁和南京地铁的车辆用合 成闸瓦分别做了理化性能指标测试 。 在铁道部产品 质量监督检验中心机车车辆检验站 1 1制动动力试 验台上进行了不同制动压力下的各项性能测试

11、, 取 得了第一手资料 , 并和北京 、 天津地铁用的闸瓦做了 分析比较 。最终 , 南京地铁车辆决定采用多橡胶 、 混杂纤维 结构型式的合成闸瓦 。 因多橡胶结构使得闸瓦摩擦 面与车轮踏面贴合性较好 , 常温状态下摩擦因数较 高 (0. 350. 45 , 而温度较高时摩擦因数略有下降 。 从多次试验结果看 , 由于是采用湿法多橡胶结构 , 其 耐热性及抗热衰退性较差 , 磨耗率较高 , 对于多项复 杂的制动工况 , 特别是在坡道试验上 , 表现出摩擦因 数衰退较大 ; 一次停车试验曲线 (18次连续制动 摩 擦因数热衰退性也较大 。从试验结果的总体上看 , 为保护车轮采用多橡胶成分 , 在

12、连续制动产生高温 时会造成摩擦因数降低 。但是 , 地铁列车通常工况 下很大一部分是依靠再生制动作用 , 故一般不会发 生连续性的摩擦制动 , 因此这种闸瓦也适用于地铁 制动工况 。3 南京地铁车辆合成闸瓦的初步技术方案国内对地铁列车用闸瓦的理化要求 、 耐磨性要 求 , 以及独立承担制动要求 (即摩擦因数要求 是非 常严格的 , 设置了许多基本指标 。多橡胶成分结构 在高温时偏软 , 在制动过程中易粘结车轮踏面 、 产生 冷焊效应 ; 同时 , , , , 故对, 这是因为国内铁路对机械制动功率要 求和连续长时间制动工况要求是世界各国少见的 。 地铁车辆闸瓦课题组研制的闸瓦坚持采用树脂改性

13、工艺 , 这样既可以保证闸瓦贴合性 , 又可保持在高温 时闸瓦强度 、 硬度和摩擦因数的稳定 。高分子基体是制造合成闸瓦的关键材料 , 其性 能的好坏 , 直接影响到合成闸瓦的各种性能 。我国 研制合成闸瓦基本上均选用热固性树脂和橡胶弹性 体进行共混改性 , 选用溶解度参数较为接近 、 相容性 好的材料共混得到互为补强的体系 。聚合物基复合材料有着优越的常温性能 。 但在 摩擦制动的高温高速条件下 , 即便采用耐高温的高 性能树脂 , 聚合物材料的耐高温性能始终不能满足 要求 。 一般的合成闸瓦是由聚合物作为基体粘结其 他颗粒或者纤维增强材料 , 这就造成了一种两难的 处境 :要提高复合材料闸

14、瓦的耐高温性能 , 聚合物基 体的含量要尽可能的低 ; 但是基体树脂含量过低时 , 增强材料将不能被有效粘结 , 造成材料性能恶化 。 这就必须采用新的材料和工艺方法 , 在保证复合材 料的粘结强度的前提下 , 尽可能降低树脂的含量 。 国内研究单位目前尝试采用无机粘结剂与树脂相结 合 , 以及在多孔陶瓷纤维增强复合材料骨架中原位 聚合耐热高聚物材料等办法 , 在解决聚合物基闸瓦 的 “ 三热” 问题上取得了一些进展 。国内关于合成闸瓦聚合物基复合摩阻材料的研 究主要集中在以下几个方面 : 耐热高聚物的改性 和应用的研究 , 如酚醛树脂的各种改性和应用 , 耐热 24 城市轨道交通 研究200

15、7年 橡胶的改性和应用 , 聚酰胺 、 聚酰亚胺等耐热聚合物 在摩擦材料上的应用 , 橡胶与树脂的共混应用等 。 各种增强材料的应用研究 , 如取代石棉用的各种 矿物纤维海泡石纤维 、 硅灰棉及其他天然矿物棉的 应用 , 人造矿物纤维如玻璃纤维 、 复合矿物纤维等的 应用 , 有机纤维如 Interfiber 、 Kevelar 纤维 、 碳纤维 , 金属纤维如钢纤维 、 铜纤维等的应用研究 。目前最 成熟和实用的是以钢纤维为主体增强纤维 , 配合其 他增强材料的半金属合成闸瓦 。 合成闸瓦生产工 艺 、 使用性能及其摩擦学机理的研究 。目前国内闸瓦在瞬时摩擦因数 、 制动曲线 、 耐磨 性

16、、 导热性和制动距离等方面尚不能满足列车的技 术发展要求 。 在研制新型地铁车辆合成闸瓦时 , 要 注重于改进现有材料性能和引入先进复合材料 , 特 别是纤维增强复合材料 。 聚合物基复合材料制动闸 瓦是以玻璃纤维 、 Kevlar 纤维 、 碳纤维 、纤维材料为增强材料 , 以橡胶 、醛树脂 、组元材料 、的摩擦材料 。 , 材料结构与性能具 有良好的可设计性 ,密结构 , 具有良好的摩擦性能 。南京地铁车辆合成闸瓦技术初步方案系采用高 分子化合物的多元共混并用体系作为高摩合成闸瓦 的粘合基体 。 其作用是将纤维增强剂和摩擦因数调 节剂 、 摩擦剂 、 润滑剂等填料经一定的工艺复合为一 体

17、。 该粘合基体将直接影响摩擦材质的结构强度和 弹性模量 , 更重要的是它的耐热性将影响闸瓦材质 的制动摩擦性能及热稳定性 。 从材料的性能价格比 考虑 , 选择了传统的耐热性较好 , 对填料粘附力较强 的 、 价格相对便宜的酚醛树脂与橡胶共混改性的技 术路线 ; 选择的纤维具有优良的力学性能 (包括高韧 性 、 高耐磨性 、 卓越的导热性及耐热性 。填料作为 摩擦材料的摩擦剂 、 摩擦因数调节剂及粘着增强剂 等 , 其各自在材质中起着不同的作用 , 因此筛选填料 也是技术方案的关键之一 。现对地铁车辆的合成闸瓦技术要求归结如下 : 新研制的地铁车辆合成瓦应具有高而稳定的摩擦 因数 , 其材质在

18、连续制动及长大坡道制动条件下都 应具备稳定的摩擦因数和尽量小的热衰退性 。 配 方研制过程中要从材质的综合性能考虑 , 尤其要适 当降低闸瓦的弹性模量 , 使其制动时能最大限度地 增加与车轮踏面的贴合性 , 从而达到良好的制动性 能 , 并降低在轮踏面的热点温度 , 避免产生有害于车 轮的金属镶嵌 。 注重绿色环保 , 新研制的高摩合 成闸瓦材质中除了不含有石棉 、 铅等有害物质外 , 其 它原材料的选择及制造工艺都要注重环保 。 所用原 材料在保证产品性能及质量的前提下 , 尽量采用国 产价廉质优 、 无毒无害的原材料 , 以降低制造成本 。 新研制的高摩合成闸瓦在考虑自身耐磨性的同 时 ,

19、 其材质应尽量减少对车轮的磨耗 。课题组研制的南京地铁合成闸瓦是采用少金 属 、 多功能复合纤维优化混杂结构 , 硬度适中 、 耐磨 损 。 尤其表现出高温时摩擦因数稳定 、 热衰退性小 的优良特性 :在高温 、 高速 、 , 综合摩擦 性能 ( 、 涉水及一次性 ; 在 18次连续制 , 同时在磨耗 、 噪声 。整个试验过程中 , 所研制 、 无龟裂 、 无金属镶嵌物 , 试 验轮也无损伤 ; 所研制的闸瓦导热系数较进口闸瓦 大一些 (因加入少量金属纤维传热快 ; 闸瓦表面温 度较进口闸瓦大 , 但对应测试车轮的热集聚相对减 少 , 这有利于保护车轮 。4 合成闸瓦的生产工艺探讨在铁路车辆用

20、的三种类型闸瓦 (铸铁 、 粉末冶 金 、 合成 中 , 合成闸瓦的生产工艺最为简单 , 可分为 干法和湿法两大类 。1 干法生产工艺分为直接混合法和辊炼法 。 直接混合法是指干态形式的粘结剂为粉状树脂或橡 胶 , 两者在混料机中与其他组分材料干态混合制成 模塑料 ; 辊炼法是指干态形式的粘合剂为粉状或块 状树脂和块状橡胶 , 两者在炼胶机或炼塑机上实现 混合 , 制成模塑料 。2 湿法生产工艺分为直接混合法和浸渍法 。 直接混合法是指液态的树脂或者橡胶乳与其他组分 在捏合机中直接混合或经烘干制成模塑料 ; 浸渍法 是指液态的树脂溶液或橡胶乳液浸渍到纱 、 线 、 布等 纤维增强材料上 , 烘

21、干制成模塑料 。模塑料制成以后 , 经过以下工艺过程制成闸瓦 :模塑料的制备 预成型 热压成型 热处理 机械 后加工 (磨饰 、 倒角 、 钻孔等 成品检测 入库 。 在几种成型工艺方法中 , 考虑以干法直接混合 模压成型工艺为主 。 这是因为其成本低 、 质量控制 (下转第 44页 34 第 10期研究报告 上海城市轨道交通宝山路站列车落码故障分析张 郁(上海地铁通号分公司 ,200233, 上海 工程师 摘 要 对上海轨道交通 3、 4号线信号系统进行了简要介 绍 , 并结合宝山路站列车运行状况 , 对列车在接口站的运行 原理进行了论述 。 对宝山路站列车落码的故障进行了分析 , 提出故障

22、的处理思路 , 找到了故障原因和排除故障的解决办 法 。 宝山路站故障处理采用了处理故障的一般方法 , 为今后 处理复杂故障和日常维护积累了一定的经验 。关键词 城市轨道交通 , 非正常停车 , 信号环线 , 故障分析 中图分类号 U 231+. 7F ailure Analysis of T rain Emergence B Shanghia URT B aoshan Zhang YuAbstract Through a of the signal system of URT Line 3and Line 4in Shanghai ,this paper makes a prima 2ry

23、discussion of the signal system. Combined with the working status of the vehicle at Baoshan Rd. Station , the working rules of the vehicle at the switch zone is ex plained in a systematic way. This paper also analyses the breakdowns at Baoshan Rd. Station , discusses the ways to solve the problems ,

24、 and finally to find the measures against the breakdowns. S ome conventional ways are used to solve the breakdowns at Baoshan Rd. Station and many precious experiences are obtained for s olving the com 2plexed problems and daily maintence in the future.K ey w ords urban rail transit , non 2normal stop , signal loor , failure analysisAuthor s address Division of Telecom &Singalling ,Shanghai Metro Operation Company ,200233,Shanghai ,China1