南昌地铁闸瓦国产化方案初探
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摘要：通过对地铁车辆合成闸瓦的必要性和可行性分析，提出研究改性树脂合成闸瓦的初步技术方案,着重解决适用于南昌地铁车辆制动工况的关键技术.闸瓦国产化后将有可能全面替代进口闸瓦为地铁行业服务,不仅能够大幅度降低采购及运营成本,同时极大地缩短了采购周期。
关键字：国产化；合成闸瓦；技术方案；试验
中图分类号：TV663文献标识码： A 文章编号：
0 引言
目前，地铁车辆的关键设备如牵引系统、辅助系统、列车控制、制动系统等仍为国外进口，价钱所占整车30%多。随着国内大多城市地铁的开建，国产化势在必行。地铁车辆采用国产化设备,对节约投资、降低造价、加快工程进度将起到非常关键的作用。对于城市轨道交通设备的国产化进程，各方面人士的共识是：零部件首先实行国产化，关键备品备件先行于设备国产化。而制动系统的闸瓦作为易损易耗件，需求量大，更应早日实现国产化。
1 闸瓦国产化的必要性和可行性
目前，国内绝大部分地铁列车采用价格高昂的进口合成闸瓦，闸瓦又属于磨耗件,年消耗量较大。进口闸瓦拖车每块实际使用寿命约为40000km（5个月），动车每块理论使用寿命约为500000km（5年），而国产化闸瓦使用寿命已经达到或超过进口闸瓦。南昌地铁一年进口闸瓦与国产化闸瓦使用总费用对比如下（表1）。
表1 进口闸瓦与国产化闸瓦使用总费用对比
由此可见，如果国产化成功，一年使用成本为48.3万元，仅为进口总费用成本的16.3℅。因此，进行地铁车辆制动闸瓦国产化的研制与开发对地铁车辆运营成本的节约是非常必要。
研究表明，地铁所使用的闸瓦和大铁使用的闸瓦在原理上基本一致。根据地铁闸瓦在瞬时摩擦系数、制动曲线、耐磨性、导热性和制动距离等方面的要求,从配方、工艺、材料等方面改善闸瓦特性，通过试验分析，基本满足地铁列车制动各项性能，因此，实现闸瓦的国产化是可行的。
2 南昌地铁合成闸瓦初步技术方案分析
2.1国内外使用合成闸瓦情况简介
国内外在研制合成闸瓦时已经历了多种阶段，一直到现在多采用改性橡胶和树脂混杂结构，国内橡胶改性技术应用于摩擦材料是在世界领先的，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。有关专家研制了两种配方地铁闸瓦：一种是针对热衰减性和对车轮影响的闸瓦，属于改性树脂结构；另一种是完全模仿南京地铁闸瓦试验特性的闸瓦，属于多橡胶基体。两个配方主要区别是采用的基体材料、部分纤维和生产工艺不同。
研制的第一配方国产化地铁合成闸瓦是采用改性树脂、少金属、多功能优化混杂结构、复合耐热填加剂和超细增摩剂等压制的合成闸瓦。这种闸瓦既可保证闸瓦的贴合性，又能保持在高温时闸瓦强度和硬度、摩擦系数稳定。
改性树脂合成闸瓦采用干法工艺，突出优点是摩擦性能非常稳定，在高温、高速、高压力状况下综合性能稳定（摩擦系数稳定、磨耗量小），在坡道、涉水及一次性紧急制动的平均摩擦系数都稳定。
研制的第二配方国产化地铁合成闸瓦是由南京地铁和ALSTOM共同研制的车辆合成闸瓦，采用多橡胶、混杂纤维的湿法工艺制作高摩合成闸瓦结构。填加剂的作用是将纤维增强剂，摩擦系数调节剂、摩擦剂、剂等填料经一定的工艺复合为一体，达到闸瓦整体效果。
2.2 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,一般是将酚醛树脂、金属粉末和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:高速区摩擦系数为0.15~0.35,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;耐磨性好,使用寿命可达铸铁闸瓦的4倍以上;制动时无火花;质量小(仅为铸铁闸瓦的1/2~l/3);等等。但合成闸瓦尚存在以下缺点:一是在状态下摩擦系数大为降低,因而在雨雪天气制动能力下降;二是导热性差,制动时热量难以散发,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,使粘着系数降低。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。
通过对改性合成闸瓦按相应的国家标准进行密度、吸油率、吸水率、硬度、压缩强度、冲击强度、弹性模量等机械物理性能和摩擦磨损性能的分析,同时参阅铁道部科学研究院制定的《T K型无石棉地铁合成闸瓦技术标准》的有关规定,并结合车辆本身的制动性能要求,确定闸瓦的主要技术参数如下:
2.2.1 地铁合成闸瓦物理、机械性能要求
密度.(g·cm -3) ≥2. 1
吸油率.% < 1. 5
吸水率.% < 1. 5
布氏硬度.HB > 13
冲击强度.(kJ·m -1) > 5. 1
压缩强度.M Pa > 61
弹性模量.M Pa ≤1. 56×103
制动摩擦性能要求
静摩擦系数平均值≥0. 25
规定时间内坡道匀速连续制动摩擦系数≥0. 21
参考平均摩擦系数0. 3左右
2.2.2制动距离要求(表2)
表2制动距离要求 m
2.3南昌地铁车辆用合成闸瓦的初步技术方案
地铁车辆对闸瓦的理化要求、耐磨性要求,以及独立承担制动要求(即摩擦系数要求)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,橡胶等非金属材料的导热性较差。而采用树脂改性工艺,这样既可以保证闸瓦贴合性,又可保持在高温时闸瓦强度、硬度和摩擦系数的稳定。从材料的性能价格比考虑，南昌地铁车辆合成闸瓦初步技术方案系采用改性树脂混杂结构、复合耐热填加剂和超细增摩剂等压制的高摩合成闸瓦,使得摩擦系数高而稳定（摩擦系数稳定、磨耗量小）且有可能减少磨损车轮。
现对南昌地铁车辆的合成闸瓦技术要求归结如下:①新研制的地铁车辆合成瓦应具有高而稳定的摩擦系数②配方研制过程中要从材质的综合性能考虑,达到良好的制动性能。并且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。③注重绿色环保,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。④新研制的高摩合成闸瓦在考虑自身耐磨性的同时,其材质应尽量减少对车轮的磨耗。
3 南昌地铁合成闸瓦国产化方案
1）市场调研，确定技术方案和验收标准；
2）确定合作单位，签定项目合作协议；
3）新产品的研制、性能试验、产品初步性能验收；
4）装车试验、跟踪试验效果；
5）整改、整理技术文件和试验报告、项目评估。
4 南昌地铁合成闸瓦风险评估
通过该项目的可行性分析可以看出，闸瓦的国产化已具备基本的理论基础。为更好的控制项目风险，建议从两方面控制。
4.1 技术方面
1）修正热压成型模，使闸瓦表面与轮毂形状贴近，尽快解决贴合摩擦时间，解决局部热应力过大。
2）为防止闸瓦表面划痕(轮毂上无划痕及热瘤)，提高闸瓦密度，同时提高热压和处理温度及保温时间，产品在制动摩擦过程中，要有足够的适宜硬度、并保持相应的强度，与轮瓦摩擦副匹配。
3）通过调整改性树脂比例，从而提高闸瓦磨耗率。
4.2 厂家合作方面
可以通过控制付款方式来降低风险，让委托单位承担研制风险。具体的项目费用和付款方式还需要相关部门牵头和委托单位洽谈。
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