250 km/h 動車組用閘片制動摩擦及噪聲特性

龍 波，陳 剛，余程巍，程景琳，王林波，張 鵬，章 林，秦明禮，曲選輝

（1.北京天宜上佳高新材料股份有限公司，北京 102402；2.北京科技大學新材料技術研究院，北京 100083；3.北京科技大學北京材料基因工程高精尖創新中心，北京 100083）

引言

160～250 km/h 城際動車組是為滿足我國區域經濟快速發展和城市群崛起對城際軌道交通的需求而研制的一種新型運輸工具。作為高速鐵路和城市軌道交通的紐帶，具有運能大、起停速度快、乘降方便快速、疏通迅捷有效、乘坐舒適、安全可靠、節能環保的特點。制動系統是保障動車組運營安全的重要部件之一，其一般由控制系統、風源裝置、防滑裝置、基礎制動裝置、輔助裝置等組成［1-2］。在電制動故障和緊急情況下，采用純空氣制動的方式依靠閘片和制動盤相接觸進行摩擦產生摩擦阻力，消耗動能并生成其他形式的能量而耗散，從而實現車輛的減速［3-4］。然而，城際動車組使用場景決定了其運營站間距短，制動頻繁，且制動初速度高，制動減速度大等特點。摩擦性能是體現制動系統安全穩定的重要參數之一，而制動噪聲在頻繁制動過程中也影響人們出行的舒適性。按照聲源振動頻率的大小，把運載工具在制動過程中產生的噪聲分為振動頻率在幾十到幾百赫茲之間的低頻制動噪聲和振動頻率在幾百到幾萬赫茲的中高頻制動噪聲，而由高頻振動激發的嘯叫是列車制動過程中影響最大的噪聲［5］，其聲壓甚至能達到110 dB 以上，不僅使列車制動效果降低，還會損害人的身體健康。Faulkne 等［6］研究表明，居住在交通頻率高、噪聲水平超過65 dB 的地域附近，人患缺血性心臟病風險會增加。噪聲的形成過程非常復雜，涉及閘片的成分和結構設計、制動條件、使用環境等，不同因素引起接觸表面結構和性質的劇烈改變，如接觸表面剛度、接觸面積和接觸壓力分布［7-9］，這些表面特征又與閘片的具體成分相聯系。因此，有必要對城際動車組在多工況下的摩擦性能以及噪聲行為進行分析。本文通過在1∶1 臺架上進行緊急制動實驗，研究了不同制動速度、不同制動壓力和干燥/潮濕工況對噪聲特性的影響，探索噪聲激發頻率的規律，為研發靜音制動閘片的成分優化提供參考。

1 實驗部分

1.1 材料制備

本文是通過1∶1 臺架實驗研究銅基制動閘片與合金鋼盤對磨時產生的摩擦制動行為。1∶1 臺架實驗能夠充分可靠地模擬動車組所經歷的各種制動條件及環境，比如其能夠使得閘片所經受的能量輸入密度與真實動車組緊急制動時所經歷的相等，這種手段是檢測閘片及制動盤性能的必備實驗。1∶1 臺架的宏觀形貌如圖1（a）所示，其中直接用于閘片-盤緊急制動試驗測試的裝置如圖1（b）所示。本文制備的銅基制動閘片材料化學成分如表1 所示，原料粉末包括電解銅粉末（純度99.7%，約45 μm）、還原鐵粉末（純度98%，＜74 μm），片狀石墨粉（純度95%，270～400 μm），粒狀石墨粉（純度95%，180～250 μm），高碳CrFe 粉（純度95%，＜150 μm），Cr 粉（純度95%，＜74 μm）和其他粉末。以前的研究已經證實，粒狀石墨（表1 中的G）具有更高的強度，能更加持久地存在于摩擦表面，而片狀石墨（表1 中的F）可以提供更強的潤滑［10］。閘片材料利用傳統的粉末冶金工藝制備，包括混粉，冷壓成形以及熱壓燒結等步驟。原料粉末按照表1 稱取后，在機械旋轉混合器中混合10 h。隨后將均勻混合的粉末在400 MPa 的壓力下冷壓成壓坯。燒結在氫氣氣氛中進行。燒結壓力為2 MPa，溫度為950 ℃，保溫時間為2 h。閘片的致密度和布氏硬度分別為4.9 g/cm3和20 HBW，其宏觀形貌及微觀組織的背散射電子像（BSE）如圖1（c）和（d）所示，所制備單個閘片摩擦面積為1 560 mm2，每副閘片組由18 塊完全相同的閘片按照一定的方式組合在鋼背上，總的面積為280.8 cm2。

圖1 閘片組織及1∶1 臺架實驗設備Fig.1 Microstructure of brake pads and the device for the full-scale braking tests

表1 銅基制動閘片的成分組成Tab.1 Chemical compositions of copper-based brake pad

1.2 測試方法

本工作所有的制動測試均在1∶1 臺架（Link 3600，美國）上完成，實驗程序按照《動車組閘片暫行技術條件》（標準性技術文件編號：TJ/CL 307—2019）中的C.3 試驗大綱進行。該實驗大綱用于CRH1 和CRH5 動車組用閘片組（200～250 km/h）的性能檢測。為加速實驗，選取大綱中的第19-22，25-26，29-30，57-61，91-93，100-102 次制動，共19 次制動作為研究對象，覆蓋了該大綱中所有速度等級、大中小壓力、干燥/潮濕制動，具體制動次序及條件參數如表2 所示。

表2 1∶1 臺架實驗的制動速度、單側制動壓力和環境條件Tab.2 Braking speeds，clamping force and environmental conditions

潮濕條件下制動時噴水速度為25 L/h。麥克風放置在離制動盤表面約45 mm、離制動盤軸線中心約70 mm、離地面約190 mm 的位置，以記錄測試過程中產生的噪聲信號，這確保了良好的噪聲測量質量，同時防止磨損碎屑侵入麥克風。時間信號由數據采集系統自動采集。噪聲的大小用聲壓級（Sound Pressure Level，SPL）表示。制動過程中的溫度由插入制動盤中的熱電偶測量。

2 結果與討論

2.1 摩擦及噪聲特性

閘片性能的優劣由制動過程中的摩擦及噪聲特性反映。整個制動過程中的平均摩擦系數，盤表面出現的最高溫度以及峰值SPL 情況如圖2 所示。在干燥條件下，平均摩擦系數為0.36～0.42（如圖2（a）所示），符合TJ/CL 307—2019 中B.2 的規定。除低速（≤120 km/h）及中壓（11.5 kN）條件外，制動速度的提高會導致平均摩擦系數下降，這主要是由于低速下閘片-盤以微凸體接觸為主，摩擦阻力大。隨著速度提高，摩擦表面微凸體損傷引發平臺的表面，生成的氧化膜也會導致速度的持續提高對平均摩擦系數大小沒有顯著的影響，這表明摩擦表面趨于動態穩定所致［11-12］。高的制動壓力則導致較低的摩擦系數，這在16 kN 的制動壓力下尤為顯著，原因同樣是基于摩擦表面的平整性［13］。潮濕的制動環境對摩擦系數有顯著的降低作用。在較低的制動速度范圍內，制動速度的提高能夠帶動水膜充分覆蓋摩擦表面，從而使得平均摩擦系數隨制動速度升高（50～80 km/h）而下降。當制動速度超過120 km/h，制動速度提高導致離心力增加，接觸界面上水量降低，使得平均摩擦系數隨著制動速度升高而升高，這也表明在較高的制動速度下水對摩擦接觸界面的作用正在降低。

圖2 不同制動條件下閘片制動摩擦及噪聲特性Fig.2 Tribological and noise performance when braking under different conditions

不同制動條件下盤表面最高溫度如圖2（b）所示。溫度的升高主要是由于制動速度提高所致，幾乎與制動速度呈現出線性關系，這表明動能的轉化是決定制動界面溫度的主要因素。壓力增加也能使摩擦界面溫度略有升高，這是高壓下摩擦接觸界面面積增加所致［14］。潮濕條件也會顯著的降低摩擦界面的溫度。

制動噪聲的大小用SPL 來評估，不同制動條件下出現的峰值SPL 如圖2（c）所示。峰值SPL 隨制動速度增大的變化規律不顯著，在一定的范圍內波動，這主要受接觸界面的動態變化所影響，在潮濕條件下更加顯著。速度較低時水膜潤滑作用較好，降低了摩擦界面間的噪聲。而隨著制動速度升高，摩擦界面水量降低使得噪聲變大，甚至超過了同等條件下干摩擦產生的噪聲。此外，制動壓力的增大會顯著增加峰值SPL，11.5 kN 下SPL 普遍在110 dB以上，這與摩擦系數的變化情況不一致。文獻［15-16］表明較高的摩擦系數通常引發大的噪聲，來自于垂直的振動產生高頻噪聲，而切向振動產生低頻噪聲［17］。因此，該速度等級閘片的噪聲產生可能主要受垂直方向振動的影響。下面將分別研究制動速度、壓力以及潮濕條件的影響。

2.2 制動速度的影響

不同制動速度下瞬時摩擦系數隨制動時間的變化如圖3（a）所示。瞬時摩擦系數在初始較為平穩，維持一段時間后出現顯著的“翹尾”現象［18］。隨著制動速度升高，穩定階段的時間逐漸延長，翹尾程度逐漸降低。在250 km/h 時，摩擦系數上升情況完全消失，在65 s 左右，瞬時摩擦系數出現先下降后上升的階段，這表明出現摩擦系數衰退行為［19］。溫度則是先上升后維持相對穩定。在制動后期由于轉速下降，散熱能力超過產熱能力，會導致溫度出現略微下降，如圖3（b）所示。較強噪聲的頻率以5000 Hz 以下為主，隨著頻率升高噪聲強度逐漸下降，但是在8000 Hz 和16000 Hz 左右出現異常的高頻尖叫，如圖3（c）所示。速度的提高帶來兩方面影響：（1）提高最大聲壓級。這主要是在制動初始階段制動盤轉速較高，接觸時產生的摩擦界面失穩振動較大；（2）高頻噪聲的頻率降低。這可能與更大制動速度促使摩擦界面平整化有關。

圖3 不同制動速度下閘片制動摩擦及噪聲特性Fig.3 Tribological and noise performance when braking under different braking speeds

圖4 給出了更加具體的SPL-時間-頻率分布關系。當制動速度為50 km/h 時，主要噪聲產生頻率在4000 Hz 左右，其大概從制動開始1 s 時開始產生，貫穿整個制動過程，這與臺架本身的噪聲有關，在其他制動速度下也發現了相似的噪聲特征。在制動后半段（比如圖4（a）中的10 s 以后），在8000，9000 及16000 Hz 頻率段也會產生高強度噪聲，該頻率段噪聲強度會隨著制動速度的升高逐漸減弱，推測這與瞬時摩擦系數的拖尾現象有關。制動速度升高帶來的另一個影響則是在制動初期噪聲強度增加，并且頻率也逐漸從低頻向高頻轉變，這表明高頻噪聲的產生與初期制動盤轉速較高有關，摩擦面接觸時會引發更大的接觸不穩定。

2.3 制動壓力的影響

制動壓力也是影響閘片與對偶盤之間的摩擦及噪音產生傾向的重要因素之一。圖5（a）和5（b）表明壓力增大使得摩擦系數下降，但是所需的制動時間更短，這是由于摩擦力為摩擦系數與正壓力的乘積［20］。高壓力下產生更大的摩擦阻力從而導致較短的停車時間。另外，高壓力同樣使得摩擦界面間的溫升作用更加顯著，具體原因已經在圖2 中闡述。峰值SPL 值隨頻率的變化（如圖5（c）所示）與圖3 一致，但是壓力增大對峰值SPL 頻率的影響并不顯著，主要提升峰值SPL 的強度。壓力增大易導致摩擦表面的平臺結構發生破壞，進而引發整個基礎制動系統的振蕩，導致高頻噪聲的產生［21］。更加詳細的噪聲頻譜分布如圖6 所示，其表明在低壓下（如圖6（b）所示），噪聲主要產生在制動初期，且頻率較高，16000 Hz 也有顯著的高SPL 噪聲分布。隨著壓力增大，制動初期噪聲發生的頻率范圍變小，但是在制動中后期逐漸出現顯著的高頻噪聲，大概分布在8000，12000 及16000 Hz頻率范圍。壓力增大帶來的噪聲頻譜變化與制動速度增大的效應相反，這可能是由于較大的壓力能夠抑制制動初期突然接觸帶來的垂直振動。

圖5 不同制動壓力下閘片在250 km/h 時的制動摩擦及噪聲特性Fig.5 Tribological and noise performance when braking under different clamping force at 250 km/h

圖6 不同制動壓力下SPL 隨時間和頻率的分布Fig.6 The distribution of SPL as the change of time and frequency under different clamping force

2.4 潮濕制動條件的影響

在閘片服役過程中，除經歷波動的壓力和速度之外還需要適應潮濕摩擦條件，其性能表現如圖7所示。圖7（a）中瞬時摩擦系數的變化趨勢與干燥條件下沒有顯著區別，均為制動初期接觸后摩擦系數上升至一個穩定值后保持相對穩定，并在制動后期出現摩擦系數的翹尾現象。差異主要體現在潮濕條件下瞬時摩擦系數更加穩定，沒有出現異常的波動，這主要是由于界面水膜的潤滑作用所致。噴水的降溫作用也使得盤表面溫度較干燥條件下低（如圖7（b）所示）。然而，圖7（c）表明，潮濕條件下最大噪聲的產生及不同速度下峰值SPL 在不同頻率的分布與圖3（c）相比沒有顯著改變，尤其是在高速制動條件下，這是由于制動界面水膜隨制動速度的變化所致。

圖7 潮濕條件下閘片制動摩擦及噪聲特性Fig.7 Tribological and noise performance when braking under wet conditions

圖8 顯示在潮濕條件下SPL 在不同時間和頻率上的分布也與干摩擦一致，某些頻率的噪聲出現在各個制動速度下，比如在4000，8000 及16000 Hz頻率附近。隨著制動速度增加到160 km/h，制動速度增加對制動初期噪聲的促進作用逐漸顯著，表明水膜的潤滑作用正在逐步減弱，摩擦界面回歸到干摩擦狀態。

圖8 潮濕條件下SPL 隨時間和頻率的分布Fig.8 The distribution of SPL as the change of time and frequency under wet condition

3 結論

本工作利用1∶1 臺架實驗，揭示了不同制動條件下城際列車的摩擦性能及噪聲特性，相關結論如下：

（1）在50～250 km/h 的速度范圍內，閘片的平均摩擦系數為0.36～0.42，未出現異常的波動和衰退。即使在潮濕條件下摩擦系數也不低于0.32，表明該型閘片顯示出優異的摩擦性能。

（2）制動速度增大對制動盤最高溫度的提升較大，二者呈線性關系，而壓力增大僅有略微的提升作用，各制動條件下最高溫度不超過350 ℃。單次制動過程中，溫度先在制動初期快速上升，然后長時間維持相對穩定。

（3）依據頻率和時間，噪聲分為兩個典型區域：制動初期頻率分布范圍較廣的噪聲和制動后期某些特定高頻率出現的噪聲。制動速度的增加會強化制動初期的噪聲強度和頻率范圍，壓力的提高則帶來抑制作用。高制動壓力也會促使制動后期高頻嘯叫的產生。潮濕環境僅在低速下對摩擦和噪聲性能影響較大，而高速下接近于干摩擦條件下的情況。該型閘片的最大噪聲能達到120 dB，需要進一步提升噪聲表現。