250 km/h 动车组用闸片制动摩擦及噪声特性

龙 波，陈 刚，余程巍，程景琳，王林波，张 鹏，章 林，秦明礼，曲选辉

（1.北京天宜上佳高新材料股份有限公司，北京 102402；2.北京科技大学新材料技术研究院，北京 100083；3.北京科技大学北京材料基因工程高精尖创新中心，北京 100083）

引言

160～250 km/h 城际动车组是为满足我国区域经济快速发展和城市群崛起对城际轨道交通的需求而研制的一种新型运输工具。作为高速铁路和城市轨道交通的纽带，具有运能大、起停速度快、乘降方便快速、疏通迅捷有效、乘坐舒适、安全可靠、节能环保的特点。制动系统是保障动车组运营安全的重要部件之一，其一般由控制系统、风源装置、防滑装置、基础制动装置、辅助装置等组成［1-2］。在电制动故障和紧急情况下，采用纯空气制动的方式依靠闸片和制动盘相接触进行摩擦产生摩擦阻力，消耗动能并生成其他形式的能量而耗散，从而实现车辆的减速［3-4］。然而，城际动车组使用场景决定了其运营站间距短，制动频繁，且制动初速度高，制动减速度大等特点。摩擦性能是体现制动系统安全稳定的重要参数之一，而制动噪声在频繁制动过程中也影响人们出行的舒适性。按照声源振动频率的大小，把运载工具在制动过程中产生的噪声分为振动频率在几十到几百赫兹之间的低频制动噪声和振动频率在几百到几万赫兹的中高频制动噪声，而由高频振动激发的啸叫是列车制动过程中影响最大的噪声［5］，其声压甚至能达到110 dB 以上，不仅使列车制动效果降低，还会损害人的身体健康。Faulkne 等［6］研究表明，居住在交通频率高、噪声水平超过65 dB 的地域附近，人患缺血性心脏病风险会增加。噪声的形成过程非常复杂，涉及闸片的成分和结构设计、制动条件、使用环境等，不同因素引起接触表面结构和性质的剧烈改变，如接触表面刚度、接触面积和接触压力分布［7-9］，这些表面特征又与闸片的具体成分相联系。因此，有必要对城际动车组在多工况下的摩擦性能以及噪声行为进行分析。本文通过在1∶1 台架上进行紧急制动实验，研究了不同制动速度、不同制动压力和干燥/潮湿工况对噪声特性的影响，探索噪声激发频率的规律，为研发静音制动闸片的成分优化提供参考。

1 实验部分

1.1 材料制备

本文是通过1∶1 台架实验研究铜基制动闸片与合金钢盘对磨时产生的摩擦制动行为。1∶1 台架实验能够充分可靠地模拟动车组所经历的各种制动条件及环境，比如其能够使得闸片所经受的能量输入密度与真实动车组紧急制动时所经历的相等，这种手段是检测闸片及制动盘性能的必备实验。1∶1 台架的宏观形貌如图1（a）所示，其中直接用于闸片-盘紧急制动试验测试的装置如图1（b）所示。本文制备的铜基制动闸片材料化学成分如表1 所示，原料粉末包括电解铜粉末（纯度99.7%，约45 μm）、还原铁粉末（纯度98%，＜74 μm），片状石墨粉（纯度95%，270～400 μm），粒状石墨粉（纯度95%，180～250 μm），高碳CrFe 粉（纯度95%，＜150 μm），Cr 粉（纯度95%，＜74 μm）和其他粉末。以前的研究已经证实，粒状石墨（表1 中的G）具有更高的强度，能更加持久地存在于摩擦表面，而片状石墨（表1 中的F）可以提供更强的润滑［10］。闸片材料利用传统的粉末冶金工艺制备，包括混粉，冷压成形以及热压烧结等步骤。原料粉末按照表1 称取后，在机械旋转混合器中混合10 h。随后将均匀混合的粉末在400 MPa 的压力下冷压成压坯。烧结在氢气气氛中进行。烧结压力为2 MPa，温度为950 ℃，保温时间为2 h。闸片的致密度和布氏硬度分别为4.9 g/cm3和20 HBW，其宏观形貌及微观组织的背散射电子像（BSE）如图1（c）和（d）所示，所制备单个闸片摩擦面积为1 560 mm2，每副闸片组由18 块完全相同的闸片按照一定的方式组合在钢背上，总的面积为280.8 cm2。

图1 闸片组织及1∶1 台架实验设备Fig.1 Microstructure of brake pads and the device for the full-scale braking tests

表1 铜基制动闸片的成分组成Tab.1 Chemical compositions of copper-based brake pad

1.2 测试方法

本工作所有的制动测试均在1∶1 台架（Link 3600，美国）上完成，实验程序按照《动车组闸片暂行技术条件》（标准性技术文件编号：TJ/CL 307—2019）中的C.3 试验大纲进行。该实验大纲用于CRH1 和CRH5 动车组用闸片组（200～250 km/h）的性能检测。为加速实验，选取大纲中的第19-22，25-26，29-30，57-61，91-93，100-102 次制动，共19 次制动作为研究对象，覆盖了该大纲中所有速度等级、大中小压力、干燥/潮湿制动，具体制动次序及条件参数如表2 所示。

表2 1∶1 台架实验的制动速度、单侧制动压力和环境条件Tab.2 Braking speeds，clamping force and environmental conditions

潮湿条件下制动时喷水速度为25 L/h。麦克风放置在离制动盘表面约45 mm、离制动盘轴线中心约70 mm、离地面约190 mm 的位置，以记录测试过程中产生的噪声信号，这确保了良好的噪声测量质量，同时防止磨损碎屑侵入麦克风。时间信号由数据采集系统自动采集。噪声的大小用声压级（Sound Pressure Level，SPL）表示。制动过程中的温度由插入制动盘中的热电偶测量。

2 结果与讨论

2.1 摩擦及噪声特性

闸片性能的优劣由制动过程中的摩擦及噪声特性反映。整个制动过程中的平均摩擦系数，盘表面出现的最高温度以及峰值SPL 情况如图2 所示。在干燥条件下，平均摩擦系数为0.36～0.42（如图2（a）所示），符合TJ/CL 307—2019 中B.2 的规定。除低速（≤120 km/h）及中压（11.5 kN）条件外，制动速度的提高会导致平均摩擦系数下降，这主要是由于低速下闸片-盘以微凸体接触为主，摩擦阻力大。随着速度提高，摩擦表面微凸体损伤引发平台的表面，生成的氧化膜也会导致速度的持续提高对平均摩擦系数大小没有显著的影响，这表明摩擦表面趋于动态稳定所致［11-12］。高的制动压力则导致较低的摩擦系数，这在16 kN 的制动压力下尤为显著，原因同样是基于摩擦表面的平整性［13］。潮湿的制动环境对摩擦系数有显著的降低作用。在较低的制动速度范围内，制动速度的提高能够带动水膜充分覆盖摩擦表面，从而使得平均摩擦系数随制动速度升高（50～80 km/h）而下降。当制动速度超过120 km/h，制动速度提高导致离心力增加，接触界面上水量降低，使得平均摩擦系数随着制动速度升高而升高，这也表明在较高的制动速度下水对摩擦接触界面的作用正在降低。

图2 不同制动条件下闸片制动摩擦及噪声特性Fig.2 Tribological and noise performance when braking under different conditions

不同制动条件下盘表面最高温度如图2（b）所示。温度的升高主要是由于制动速度提高所致，几乎与制动速度呈现出线性关系，这表明动能的转化是决定制动界面温度的主要因素。压力增加也能使摩擦界面温度略有升高，这是高压下摩擦接触界面面积增加所致［14］。潮湿条件也会显著的降低摩擦界面的温度。

制动噪声的大小用SPL 来评估，不同制动条件下出现的峰值SPL 如图2（c）所示。峰值SPL 随制动速度增大的变化规律不显著，在一定的范围内波动，这主要受接触界面的动态变化所影响，在潮湿条件下更加显著。速度较低时水膜润滑作用较好，降低了摩擦界面间的噪声。而随着制动速度升高，摩擦界面水量降低使得噪声变大，甚至超过了同等条件下干摩擦产生的噪声。此外，制动压力的增大会显著增加峰值SPL，11.5 kN 下SPL 普遍在110 dB以上，这与摩擦系数的变化情况不一致。文献［15-16］表明较高的摩擦系数通常引发大的噪声，来自于垂直的振动产生高频噪声，而切向振动产生低频噪声［17］。因此，该速度等级闸片的噪声产生可能主要受垂直方向振动的影响。下面将分别研究制动速度、压力以及潮湿条件的影响。

2.2 制动速度的影响

不同制动速度下瞬时摩擦系数随制动时间的变化如图3（a）所示。瞬时摩擦系数在初始较为平稳，维持一段时间后出现显著的“翘尾”现象［18］。随着制动速度升高，稳定阶段的时间逐渐延长，翘尾程度逐渐降低。在250 km/h 时，摩擦系数上升情况完全消失，在65 s 左右，瞬时摩擦系数出现先下降后上升的阶段，这表明出现摩擦系数衰退行为［19］。温度则是先上升后维持相对稳定。在制动后期由于转速下降，散热能力超过产热能力，会导致温度出现略微下降，如图3（b）所示。较强噪声的频率以5000 Hz 以下为主，随着频率升高噪声强度逐渐下降，但是在8000 Hz 和16000 Hz 左右出现异常的高频尖叫，如图3（c）所示。速度的提高带来两方面影响：（1）提高最大声压级。这主要是在制动初始阶段制动盘转速较高，接触时产生的摩擦界面失稳振动较大；（2）高频噪声的频率降低。这可能与更大制动速度促使摩擦界面平整化有关。

图3 不同制动速度下闸片制动摩擦及噪声特性Fig.3 Tribological and noise performance when braking under different braking speeds

图4 给出了更加具体的SPL-时间-频率分布关系。当制动速度为50 km/h 时，主要噪声产生频率在4000 Hz 左右，其大概从制动开始1 s 时开始产生，贯穿整个制动过程，这与台架本身的噪声有关，在其他制动速度下也发现了相似的噪声特征。在制动后半段（比如图4（a）中的10 s 以后），在8000，9000 及16000 Hz 频率段也会产生高强度噪声，该频率段噪声强度会随着制动速度的升高逐渐减弱，推测这与瞬时摩擦系数的拖尾现象有关。制动速度升高带来的另一个影响则是在制动初期噪声强度增加，并且频率也逐渐从低频向高频转变，这表明高频噪声的产生与初期制动盘转速较高有关，摩擦面接触时会引发更大的接触不稳定。

2.3 制动压力的影响

制动压力也是影响闸片与对偶盘之间的摩擦及噪音产生倾向的重要因素之一。图5（a）和5（b）表明压力增大使得摩擦系数下降，但是所需的制动时间更短，这是由于摩擦力为摩擦系数与正压力的乘积［20］。高压力下产生更大的摩擦阻力从而导致较短的停车时间。另外，高压力同样使得摩擦界面间的温升作用更加显著，具体原因已经在图2 中阐述。峰值SPL 值随频率的变化（如图5（c）所示）与图3 一致，但是压力增大对峰值SPL 频率的影响并不显著，主要提升峰值SPL 的强度。压力增大易导致摩擦表面的平台结构发生破坏，进而引发整个基础制动系统的振荡，导致高频噪声的产生［21］。更加详细的噪声频谱分布如图6 所示，其表明在低压下（如图6（b）所示），噪声主要产生在制动初期，且频率较高，16000 Hz 也有显著的高SPL 噪声分布。随着压力增大，制动初期噪声发生的频率范围变小，但是在制动中后期逐渐出现显著的高频噪声，大概分布在8000，12000 及16000 Hz频率范围。压力增大带来的噪声频谱变化与制动速度增大的效应相反，这可能是由于较大的压力能够抑制制动初期突然接触带来的垂直振动。

图5 不同制动压力下闸片在250 km/h 时的制动摩擦及噪声特性Fig.5 Tribological and noise performance when braking under different clamping force at 250 km/h

图6 不同制动压力下SPL 随时间和频率的分布Fig.6 The distribution of SPL as the change of time and frequency under different clamping force

2.4 潮湿制动条件的影响

在闸片服役过程中，除经历波动的压力和速度之外还需要适应潮湿摩擦条件，其性能表现如图7所示。图7（a）中瞬时摩擦系数的变化趋势与干燥条件下没有显著区别，均为制动初期接触后摩擦系数上升至一个稳定值后保持相对稳定，并在制动后期出现摩擦系数的翘尾现象。差异主要体现在潮湿条件下瞬时摩擦系数更加稳定，没有出现异常的波动，这主要是由于界面水膜的润滑作用所致。喷水的降温作用也使得盘表面温度较干燥条件下低（如图7（b）所示）。然而，图7（c）表明，潮湿条件下最大噪声的产生及不同速度下峰值SPL 在不同频率的分布与图3（c）相比没有显著改变，尤其是在高速制动条件下，这是由于制动界面水膜随制动速度的变化所致。

图7 潮湿条件下闸片制动摩擦及噪声特性Fig.7 Tribological and noise performance when braking under wet conditions

图8 显示在潮湿条件下SPL 在不同时间和频率上的分布也与干摩擦一致，某些频率的噪声出现在各个制动速度下，比如在4000，8000 及16000 Hz频率附近。随着制动速度增加到160 km/h，制动速度增加对制动初期噪声的促进作用逐渐显著，表明水膜的润滑作用正在逐步减弱，摩擦界面回归到干摩擦状态。

图8 潮湿条件下SPL 随时间和频率的分布Fig.8 The distribution of SPL as the change of time and frequency under wet condition

3 结论

本工作利用1∶1 台架实验，揭示了不同制动条件下城际列车的摩擦性能及噪声特性，相关结论如下：

（1）在50～250 km/h 的速度范围内，闸片的平均摩擦系数为0.36～0.42，未出现异常的波动和衰退。即使在潮湿条件下摩擦系数也不低于0.32，表明该型闸片显示出优异的摩擦性能。

（2）制动速度增大对制动盘最高温度的提升较大，二者呈线性关系，而压力增大仅有略微的提升作用，各制动条件下最高温度不超过350 ℃。单次制动过程中，温度先在制动初期快速上升，然后长时间维持相对稳定。

（3）依据频率和时间，噪声分为两个典型区域：制动初期频率分布范围较广的噪声和制动后期某些特定高频率出现的噪声。制动速度的增加会强化制动初期的噪声强度和频率范围，压力的提高则带来抑制作用。高制动压力也会促使制动后期高频啸叫的产生。潮湿环境仅在低速下对摩擦和噪声性能影响较大，而高速下接近于干摩擦条件下的情况。该型闸片的最大噪声能达到120 dB，需要进一步提升噪声表现。