閘瓦

和諧型大功率內燃機車是中國鐵路未來客貨運輸主力機型，並逐步成為中國鐵路的主要牽引動力。隨著機車功率的提高對制動系統也提出了更高的要求。高摩擦係數合成閘瓦（以下簡稱高摩合成閘瓦）作為大功率內燃機車制動的關鍵配件，其質量和使用性能對行車安全和維修成本有重要影響。中國南車集團戚墅堰機車車輛廠通過引進美國 GE公司技術生產的和諧型大功率內燃機車已經在國內廣泛使用，但其使用的高摩合成閘瓦目前仍採用原裝產品。因此，本文針對和諧型大功率內燃機車用高摩合成閘瓦的使用要求和特點，開展具有自主知識產權的和諧型大功率內燃機車高摩合成閘瓦的研製。

根據以往研製高摩合成閘瓦的相關經驗，結合和諧型大功率內燃機車車輪對高摩合成閘瓦的使用要求，從填料、增強纖維和黏合劑三方面考慮適合用於和諧型大功率內燃機車高摩合成閘瓦的原材料。

高摩合成閘瓦中的填料在壓製成摩擦材料后，在各種使用情況下均應該具有耐磨的特性和高而穩定的摩擦係數。在綜合分析國內各種填料材質的基礎上，根據填料的溫度穩定性、莫氏硬度、晶粒形狀以及對黏合劑的浸漬性等參數，並充分考慮填料的成本和來源，優選石墨（型號：L—185，含碳量85%）、鋁礬土（氧化鋁含量 70%，細度150目以上）、鉀長石粉（細度100目以上，氧化鉀含量大於7%）、還原鐵粉（細度100目）和沉澱硫酸鋇（細度100目）作為製作高摩合成閘瓦的主要填料；其中石墨作為固體潤滑劑，鋁礬土、鉀長石粉和還原鐵粉等作為摩擦性能調節劑，另外選用沉澱硫酸鋇粉作為填料是為了提高高摩合成閘瓦的機械性能和降低成本。

為保證高摩合成閘瓦的綜合強度，在高摩合成閘瓦的材料配方中必須加入增強纖維，以起到耐熱補強的作用。目前可採用的增強纖維主要有礦物纖維、高強度纖維和金屬纖維三大類。參考國外公司在摩擦製品中採用多種纖維組合的經驗，並充分考慮到工藝的可行性，選用鋼纖維（規格：DF5.5）和海泡石纖維（A級）2種纖維組合用於對高摩合成閘瓦的耐熱補強。

用於將填料和增強纖維黏結在一起的黏合劑是製備高摩合成閘瓦的關鍵材料，其性能直接影響到高摩合成閘瓦的性能。本文選用溶解度較為接近的熱塑性酚醛樹脂（規格：6828）和丁腈橡膠（規格：26）進行共混改性，從而得到相容性好、易共混並能夠使填料和增強纖維互為補強的新型黏合劑———丁腈橡膠改性酚醛樹脂。

在選材的基礎上，依據各種原材料的特性及其在高摩合成閘瓦中的作用，圍繞高摩合成閘瓦的物理力學性能和制動摩擦磨損性能，開展黏合劑、石墨、鉀長石、海泡石纖維、鋼纖維等材料配比的研究，形成高摩合成閘瓦的配方；並通過反覆實驗對配方進行優化。

按照優化后的高摩合成閘瓦配方，經原料整備配料乾燥稱量分類混料熱壓成型后處理成品等多道工序製備高摩合成閘瓦。為了確定熱壓成型時合適的壓制壓力和壓制溫度，需要通過實驗分析壓制壓力和壓制溫度對高摩合成閘瓦物理力學性能的影響。

壓制壓力對高摩合成閘瓦物理力學性能的影響為了考察熱壓成型工序中壓制壓力對高摩合成閘瓦物理力學性能的影響，按照實驗方案，在壓制溫度為160 、壓制時間為40min以及后處理溫度和時間分別為160和4h的條件下，對高摩合成閘瓦的物理力學性能進行測試。

壓制壓力分別取 28.0，16.8和5.6MPa得到的高摩合成閘瓦各項物理力學性能指標並沒有發生明顯的變化，這說明壓制壓力對高摩合成閘瓦的物理力學性能雖有一定影響，但影響不大。因此，在高摩合成閘瓦的製備過程中，在保證高摩合成閘瓦用鋼背上的梅花孔能夠被摩擦材料完全充滿的前提下，可以適當降低壓制壓力，以節約製造成本。

壓制溫度對高摩合成閘瓦物理性能的影響為了考察熱壓成型工序中壓制溫度對高摩合成閘瓦物理性能的影響，按照實驗方案，在壓制壓力為16.8MPa、壓制時間為40min以及后處理溫度和時間分別為160和4h的條件下，分別取壓制溫度150，160和180 ，對高摩合成閘瓦的物理力學性能進行測試，。

壓制溫度對高摩合成閘瓦的物理力學性能有一定的影響。在壓制溫度為150和160 時對高摩合成閘瓦的物理力學性能影響較小，這是由於處理溫度和時間分別為160和4h的條件下，黏合劑只發生了1次化學反應，所以壓制溫度為150和160時摩擦材料的固化效果一致；但當壓制溫度升高至180時，高摩合成閘瓦中的黏合劑又發生了第2次反應，摩擦材料的交聯度進一步提高，致使高摩合成閘瓦的硬度增加、壓縮強度增大、壓縮模量增高，而韌性和衝擊強度大幅降低，嚴重影響了高摩合成閘瓦的物理力學性能。

DSC分析

為了驗證上述分析結果，採用差示掃描量熱法DifferentialScanning CalorimetryDSC和DSC—2型差熱掃描量熱儀，測試黏合劑———丁腈橡膠改性酚醛樹脂的熱性能（自然空氣環境下，升溫速度為10·min）。

這說明發生了2次化學反應過程。第1個固化峰是由酚醛樹脂初期固化放熱並同時伴有橡膠硫化放熱引起的，此階段主要是橡膠的硫化和由於酚醛樹脂中羥基之間的縮水而生成二苄基醚，形成了交聯的體型分子結構，其溫度變化範圍為134.2～168.9 熱焓為－38.08Jg第2個固化峰是酚醛樹脂發生了更加複雜的化學反應所導致，主要是二卞基醚進一步分解並釋放出少量的甲醛，使得體型分子結構收縮，體系中的弱分子鍵斷裂，形成了更加穩定的亞甲基結構，此階段的溫度變化範圍為171.3～238.9熱焓為－18.26J·，這進一步說明在180的高溫階段存在化學反應，柔性的弱鍵斷裂重新交聯，使得材料的韌性降低，致使高摩合成閘瓦的衝擊強度降低、模量增高和壓縮強度增加。

壓制壓力和壓制溫度的確定

根據上述壓制壓力和壓制溫度對高摩合成閘瓦物理力學性能影響的分析，以及保證高摩合成閘瓦用鋼背上的梅花孔能夠被摩擦材料完全充滿的要求，經反覆實驗，在後處理溫度和時間分別為160和4h的條件下。

為了對研製出的高摩合成閘瓦的性能進行分析，並與原裝高摩合成閘瓦的性能進行比較，按照《塑料壓縮性能試驗方法》 （GB/T1041—1992）、《硬質塑料簡支梁衝擊試驗方法》 （GB/T1043—1993）和《塑料洛氏硬度試驗方法》 （GB/T9342—1988），利 用 沖 擊 試 驗 機（型 號：XCT3923）、洛氏硬度計（型號：XHR—150）、電子萬能試驗機（型號：CSS—1110C）、單盤電光分析天平（型號：TG279c）和1 3制動動力試驗台，對研製出的高摩合成閘瓦和原裝高摩合成閘瓦的物理力學性能及1 3制動摩擦磨損性能進行測所研製高摩合成閘瓦的各項物理力學性能指標均符合進口機車的技術標準，尤其是其壓縮模量和洛氏硬度分別達到了460MPa和68HHR，達到了原裝高摩合成閘瓦的性能，具有不易掉塊和不易對車輪造成熱損傷的特點，顯示了優異的使用性能。

按照制動初速度由高到低、再由低到高的測試程序，對原裝高摩合成閘瓦和研製的高摩合成閘瓦進行1 3制動摩擦磨損性能測試。測試中模擬的軸重為33t，制動壓力為2kN。由表6可以看出，研製的高摩合成閘瓦的磨耗量雖略高於原裝高摩合成閘瓦，但其摩擦係數與原裝高摩合成閘瓦一樣比較穩定，在測試的制動初速度範圍內摩擦係數穩定在0.31～0.37之間。能夠滿足高摩擦合成閘瓦的技術要求。

為了進一步考察所研製高摩合成閘瓦的制動摩擦磨損性能，結合和諧型大功率內燃機車的實際運用條件，又在1 1制動動力試驗台上進行了型式測試。測試中模擬的軸重為25.2t，制動壓力為3.53kN；測試得到不同制動初速度下重車的制動距離、磨耗量和車輪踏面最高溫度等數據。

針對我國和諧型大功率內燃機車的運用需求，以丁腈橡膠改性酚醛樹脂為黏合劑，石墨、鋁礬土、鉀長石粉、還原鐵粉和沉澱硫酸鋇等為填料，鋼纖維和海泡石纖維為增強纖維，混合構成了高摩合成閘瓦的摩擦材料；通過實驗和優化得到高摩合成閘瓦的配方以及工藝參數。研製出的高摩合成閘瓦具有衝擊強度高、韌性好、壓縮模量低、摩擦性能穩定等特點，物理力學性能和摩擦磨損性能達到了國外原裝產品的質量水平，經哈爾濱鐵路局等裝車試驗表明，完全能夠滿足使用要求。