陈澍军，王东星，秦佳颖，刘中华，陈 磊，李继山

（1 中国北车集团 唐山轨道客车有限责任公司，河北唐山063035；2 中国铁道科学研究院 机车车辆研究所，北京100081）

潮湿工况影响高速动车组制动摩擦性能试验研究*

陈澍军1，王东星1，秦佳颖1，刘中华1，陈 磊1，李继山2

（1 中国北车集团 唐山轨道客车有限责任公司，河北唐山063035；2 中国铁道科学研究院 机车车辆研究所，北京100081）

高速动车组制动摩擦副的摩擦因数在雨天或湿润的环境下存在衰退的问题，直接影响到轨道车辆的运行安全。随着我国广泛开行速度超过300 km/h的动车组，潮湿工况下制动盘的性能研究越来越受到人们的重视。现首先采用1∶1制动动力试验台对高速动车组制动盘潮湿工况下的摩擦性能进行了测试研究，比较了干燥和湿润两类工况下制动盘摩擦性能的异同。潮湿工况对制动盘的摩擦性能的影响较为复杂：潮湿工况下平均摩擦系数存在着明显的下降且波动更加明显；制动压力对于平均摩擦系数的影响有限，但在较高制动初速度和潮湿工况下，较低的制动压力却可以有较高的平均摩擦系数。最后分析了潮湿工况的各种影响因素，并提出了潮湿工况下制动系统的控制策略。

制动盘；平均摩擦系数；潮湿工况；摩擦性能

随着列车运行速度的不断提高，对基础制动装置以及制动材料提出了更加苛刻的需求。粉末冶金摩擦材料由于其平均摩擦系数高，耐磨性好而被广泛运用于高速列车［1］。在高速动车组施加制动时，常因环境条件的不同，表现出不同的性能，如线路条件改变，轮轨黏着条件变化，或者在有雨、雪的天气行车，表现出不同的制动性能。由于摩擦磨损性能不是材料的内在属性，而与摩擦条件密切相关［2］。而现有高速制动盘的研究和试验大都在干燥工况下进行研究，因此有必要研究潮湿工况下制动盘摩擦副的摩擦性能，进而能够评估动车组在雨、雪、浓雾等潮湿环境下制动性能。

以高速动车组用制动盘和粉末冶金闸片构成的摩擦副为研究对象，在1∶1制动动力试验台上测试了在不同摩擦压力分别在干燥、湿润工况下，材料的平均摩擦系数和制动盘温度的变化情況。通过试验数据结合理论分析，找出摩擦性能变化的原因，可为高速动车组在雨、雪等潮湿天气的制动控制研究提供试验依据。

1 试验台和试验方法

试验在中国铁道科学研究院的试验台进行，该试验台可以进行最高试验速度为550 km/h的1∶1动力试验，可以根据轴重的不同，调节轴重和负载，能够模拟风、雨雪、冰冻、潮湿等各种工况，能够采集到温度、加速度、平均摩擦系数、噪声等各种参数［3］。试验样件采用与高速动车组现车一致的制动盘和闸片，试验样件和试验设备见图1。

依据UIC 541－3，并根据我国高速动车组运营技术条件编制了高速制动盘潮湿工况试验大纲，其中潮湿工况的喷水条件与UIC 541－3保持一致，洒水量为25 dm3/h。由于UIC 541－3中对动车组的制动闸片潮湿工况摩擦性能试验测试只在50～200 km/h的试验速度范围有规定，对于超过200 km/h的试验速度没有具体要求。因此现行标准对于运营速度超过300 km/h的高速动车组用制动盘潮湿工况下摩擦性能没有专门规定，本次试验评价标准仅参考了UIC 541－3中有关潮湿工况摩擦性能的要求但不做强制要求，属研究性探索性试验。

试验首先进行了轮盘的制动试验，轴重负载为7.9 t，与现车一致。试验首先按照UIC 541－3的要求，对制动盘和闸片进行了磨合。磨合完成后，分别进行了3个不同制动压力下，制动初速度为50，80，120，160，200，250，280，300，320，350，380 km/h等11个不同等级的摩擦性能试验。并根据实车控制方式，对于200 km/h以上的制动试验采用压力分级制动方式，分级制动压力分别为最大常用制动压力17/28 k N、紧急制动压力21/35 k N、常用制动9/18 k N（速度高时采用较低压力），即当制动盘速度减速至200 km/h时，制动压力切换至较高的压力。试验采用了对比研究，分别研究了干燥工况、喷水工况和湿润工况（喷水试验后进行的试验）3轮共计105次试验。

图1 高速制动盘潮湿工况摩擦试验部件和试验设备

轴盘试验与轮盘试验的区别在于其轴重负载为5 t，与现车一致。试验测试制动初速度与轮盘一致，不同之处在于分级压力切换点为300 km/h，分级制动压力分别为最大常用制动压力19/24 k N、紧急制动压力24/30 k N、常用制动15/18 k N，压力转换意义与轮盘相同。同样进行了干燥工况、喷水工况和湿润工况3轮共计105次试验。

3种工况中，喷水工况和湿润工况均可认为是潮湿工况，能够对制动盘暴露在雨水、冰雪周围以及湿热潮湿天气等实际环境工况进行反应。试验记录了制动过程中的平均摩擦系数和瞬时温度，在试验报告中提供了单次试验的平均摩擦系数和最高温度，以下将对上述试验数据进行分析。

2 试验结果和讨论

2.1 平均摩擦系数的影响分析

图2所示为不同工况下，平均摩擦系数随制动初速度的变化。

由图2（a）可以看到，干燥工况下，平均摩擦系数在不同制动压力下，随着制动初速度增加的变化趋势较为一致，呈现出先下降后增加再下降的“S”形变化，平均摩擦系数存在较大的波动，但均在0.35±15%的变化范围之内；不同制动压力对平均摩擦系数的影响有限，平均摩擦系数对制动压力的变化不敏感，试验结果显示较高的制动压力不一定获得较高的平均摩擦系数。制动摩擦副在较高初速下制动时，这种现象更加明显。这可能是因为在制动初速度较高时，制动压力增大，则导致制动盘温升较快，材料高温下软化，力学性能下降，综合以上分析可知，较高初速制动时，居中的制动压力可以获得较为理想的平均摩擦系数。

图2（b）所示，喷水工况下，制动摩擦副的平均摩擦系数波动较大，已经超出了0.35±15%的变化范围；制动压力较小时，平均摩擦系数的波动较剧烈；随着制动初速度增加的变化呈现出先下降后增加的变化趋势，即在中低速区域100～200 km/h，测得平均摩擦系数较低，仅能满足UIC 541－3规定的潮湿工况下，平均摩擦系数≥0.25的最低要求。在超过250 km/h的高速区域，最大常用制动和紧急制动的平均摩擦系数较为接近，轮盘摩擦副的常用制动压力测得平均摩擦系数波动下降严重，而轴盘摩擦副测得摩擦系数较高。

图2（c）所示，可以认为经历过喷水试验后，潮湿环境下，平均摩擦系数随着制动初速的变化趋势与干燥工况下一致，区别在于，较低的制动压力和较高的制动压力获得平均摩擦系数的差异性更加明显，且较低的制动压力获得较高的平均摩擦系数。

综合图2，可以看出，无论轮盘还是轴盘摩擦副，在压力分级的制动初速时（轮盘200 km/h，轴盘300 km/h，图中虚线标志），平均摩擦系数波动不明显，进一步说明了制动压力对平均摩擦系数的影响有限。

图2 不同工况和制动压力下，平均摩擦系数随制动初速度的变化

为了进一步说明潮湿工况对制动盘摩擦副平均摩擦系数的影响，分析对比同一种制动压力下，干燥工况、喷水工况和湿润工况平均摩擦系数的变化，如图3所示。图3（a）和（b）所示，轮盘和轴盘均在紧急制动压力和最大常用制动压力下的平均摩擦系数的变化。可以明显看出，平均摩擦系数的波动趋势类似但差异明显，干燥工况下在各种制动初速度下的平均摩擦系数最高，其次是湿润工况；喷水工况时制动盘的摩擦系数明显下降，特别是在中速区域（100～200 km/h），下降最为明显；在高速区域（≥300 km/h），干燥工况下平均摩擦系数最为理想，喷水工况和湿润工况获得平均摩擦系数较低，且比较接近。这可能是因为在高速区域，制动盘迅速升温，喷水工况喷洒的水很快蒸发消失；湿润工况时，制动盘摩擦副中的水分也容易蒸干，此时两者在相同的制动压力下，获得了较为一致的平均摩擦系数。

在制动压力较小时，如图3（c）所示，干燥工况和湿润工况所得到的平均摩擦系数变化趋势一致，且数值较为接近，特别是轮盘摩擦副；喷水工况则波动较大，其中轮盘摩擦副平均摩擦系数呈下降上升再下降的“N”形变化趋势，且两次下降均低于干燥工况的平均摩擦系数的下限；轴盘摩擦副的平均摩擦系数变化呈下降后，有持续上升的趋势，在较低制动初速度（100～200 km/h）时，平均摩擦系数较低，低于干燥工况的平均摩擦系数的下限。

综合以上分析，可以得出以下结论：

（1）该型高速动车组制动盘摩擦副的平均摩擦系数对制动压力不敏感，但受环境因素影响较大；

（2）在中低速区（100～200 km/h）的平均摩擦系数无论何种工况和制动压力下均较低；

（3）潮湿工况下（含喷水工况和湿润工况）的平均摩擦系数偏小，在制动盘表面喷水时，平均摩擦系数的衰退严重，特别是在中低速区，平均摩擦系数降低到可以接受的下限。制动盘摩擦副的制动性能下降较为明显，且不稳定性增大，可能出现影响制动系统安全的问题。

（4）在低速时，因制动时间短，潮湿工况和干燥工况的区分不明显；在高速时，由于制动盘温度上升，潮湿工况对制动盘的影响有限。

上述试验可以说明该型制动盘和闸片的开发为了适合高速动车组的使用工况专门做了优化，在干燥工况和湿润工况均能够保证良好的摩擦性能。

图3 不同工况下，相同制动压力，平均摩擦系数随制动初速度的变化

2.2 制动摩擦副温度变化的影响分析

为了研究潮湿工况下制动盘温度的变化，评估在该工况下的制动盘的耐热疲劳能力，针对不同速度下、不同制动压力和工况下的制动盘最高温度进行对比分析。

图4 不同工况和不同制动压力下，制动盘温度随制动初速度的变化

图4是不同工况和不同制动压力下，温度随制动初速的变化曲线。可以看出，无论何种工况，随着制动初速的上升，制动盘的温度与制动初速大致呈线性上升关系；制动压力较大，制动盘温度也较高。在较低制动初速时无论何种工况制动盘的温升较为接近；在压力分级位置，其中轮盘在压力变化之后，制动盘温度随制动压力不同的区分较为明显；在制动初速较高时，温度差异性拉大，低约100～200℃，详见图4（a）～（c）轮盘温度变化；而轴盘由于压力分级点速度较高，即使出现压力变动，也未观察到明显的变化。在中高速的范围内，喷水工况下制动盘温度波动较大，详见图4（b），说明在此速度等级范围内，制动盘温度变化较为复杂。

图5 相同制动压力，不同工况下，制动盘温度随制动初速度的变化

不同制动工况对制动盘温升影响有所不同，如图5所示。图5试验曲线表明，干燥和湿润工况表现出来的制动盘温度变化趋势和大小基本一致，说明浸过水或潮湿的环境对于制动盘摩擦副制动过程温升影响有限；而喷水工况下的制动盘温度明显偏低，特别是在中低速区间，温度差异更加明显，说明喷水能够显著降低制动盘摩擦面的温度，同时波动加大，如图5（b）轴盘所示，可能是因为平均摩擦系数波动，导致发热温度波动。

综合以上试验分析，可以得出以下结论：

（1）该型制动盘摩擦副的温度变化与制动压力、制动初速度近似线性关系；

（2）压力分级点不会对温度的变化有较大的影响，说明制动初速度是影响温度的主要因素；

（3）喷水工况能够显著降低制动盘表面温度，并在中低速时（100～200 km/h）的制动盘温度变化较为复杂。

综合以上分析，潮湿工况对于高速动车组制动盘摩擦副的温度变化影响不大，甚至是有利于制动盘的冷却和降温降低制动盘的热裂纹倾向。然而对于制动盘摩擦副的平均摩擦系数影响较大，特别是喷水工况下的平均摩擦系数下降较为严重，此时试验中观测到制动减速度下降严重，导致制动距离变长。因此在雨、雪等潮湿天气，在中低速运营速度时，随着轮轨黏着下降，制动盘摩擦系数也会下降且不稳定，极易发生打滑现象，有发生安全问题隐患。

3 结 论

对高速动车组制动摩擦副潮湿工况的摩擦性能进行了测试，通过对试验结果分析。得出以下结论：

（1）该型高速动车组制动盘摩擦副的平均摩擦系数对制动压力不敏感，但受环境因素影响较大，在中低速区（100～200 km/h）的平均摩擦系数无论何种工况和制动压力下均较低。

（2）制动盘摩擦副的温度变化与制动压力、制动初速度近似线性关系，制动初速度是影响温度的主要因素。

（3）潮湿工况下，制动盘摩擦性能下降，特别是在喷水的工况下，平均摩擦系数衰退严重，特别是在中低速区，平均摩擦系数降低到可以接受的下限，且不稳定性增大，此时可能出现影响制动系统安全问题。

（4）潮湿工况下，制动盘温度降低，特别是喷水工况下能够显著降低制动盘表面温度，并在中低速时（100～200 km/h）制动盘温度变化较为复杂。

（5）喷水工况主要是通过水的冷却作用和动力润滑作用影响制动盘摩擦副的制动性能，并在制动盘中低速区间能够发挥作用，在低速和高速阶段对制动盘的影响较小。

根据对高速动车组潮湿工况下制动盘摩擦副摩擦性能的试验研究，在雨、雪等潮湿天气，以及冰雪天气，高速动车组施加制动时，尽可能地施加最大常用制动而不施加紧急制动，可能产生更好的制动效果。

［1］ 周继承，黄伯云.列车制动摩擦材料的进展［J］.材料科学与工程，1999，17（2）：91-93.

［2］ 温诗铸，黄 平.摩擦学原理［M］.北京：清华大学出版社，2008.

［3］ 丁福焰，李和平，焦标强，等.高速动车组盘形制动装置的性能试验方法［J］.铁道机车车辆，2011，31（5）：148-150.

［4］ 李继山，李和平，丁福焰.1∶1动力制动试验台原理及应用［J］.铁道机车车辆，2013，33（3）：18-20.

［5］ 高 飞，牟 超，宋宝韫，等.铜复合材料干湿润条件下的摩擦学行为［J］.复合材料学报.2010，27（1）：80-83.

［6］ 王仁广，刘昭度，马岳峰，等.环境湿度和喷水对制动器材料摩擦性能影响分析［J］.农机化研究，2006，（7）：199-200，204.

Test Study on Wet Conditions Affecting Frictional Performance of Brake Disc for High Speed EMU

CHEN Shujun1，WANG Dongxing1，QIN Jiaying1，LIU Zhonghua1，CHEN Lei1，LI Jishan2
（1 CNR Tangshan Railway Vehicle Co.，Ltd.，Tangshan 063035 Hebei，China；2 Locomotive＆Car Research Institute，China Academy of Railway Science，Beijing 100081，China）

The reduction in the friction coefficient for frictional brake disc of high speed EMU applications in a rainy and humidly environment is considered as a serious problem as it affects the safety of the railway vehicle.However，relevant research should be more and more attention through there is a lot of high speed EMU which speed over 300 km/h.The change of friction properties under different work conditions was tested through dynamometer tester，and the similarities and differences between wet and dry friction mode were companied.It is shown that water has a complex effect on the properties of friction materials，as a kind of cooling medium and lubricant.The causes of friction performance change at different conditions and friction layer function and the braking system control strategy were also presented.

brake disc；friction coefficient；wet condition；frictional performance

U266.2

A

10.3969/j.issn.1008－7842.2014.04.03

1008－7842（2014）04－0014－06

铁道部科技研究开发计划（2012J003－C）；唐车公司研究开发项目（2013TCY022）

0—）男，工程师（

2014－01－01）