一種高速列車用輕量化制動輪盤的制作方法

本發明涉及一種高速列車制動盤，具體涉及一種高速列車制動系統用的具有輕量化、高效能特征的復合材料制動盤。

背景技術：

制動系統是高速列車安全保障和應急的關鍵系統。高速列車制動系統是由制動閘片、制動盤、制動夾鉗、制動缸及控制系統等組成。制動缸通過制動夾鉗使閘片夾緊制動盤，依靠閘片與制動盤間的摩擦，將高速列車的動能轉變為熱能，熱能通過制動盤與閘片散于大氣，從而達到制動目的。傳統的制動盤大多是采用單一材質的金屬制動盤，重量較大，并且由于制造工藝等原因，金屬制動盤內部不可避免的會存在夾雜、偏析和孔隙等缺陷；同時，在制動過程中，巨大的制動熱負荷使制動盤產生很大的溫度梯度,并由此產生熱應力。缺陷的存在以及不均勻溫度場和應力場的循環作用容易使制動盤產生微裂紋，當微裂紋擴展到一定程度時，制動盤就會發生疲勞斷裂。從實際運用情況來看，高速列車制動盤多數是因制動盤表面熱裂紋而更換。因此，制動盤的熱裂是當前高速列車安全制動的主要威脅之一。

傳統軌道交通車輛制動材料難以滿足高熱沖擊、高能載和高摩擦因素的要求，比熱容高、密度小、具有更高效能的復合材料相繼投入使用到制動盤中。如碳陶復合材料，即碳纖維增強補韌碳基和碳化硅基雙基體復合材料(C/C-SiC)，已成為新一代制動材料的一個主要研究方向，具有耐高溫、高比強、高耐磨、低密度和全環境適用等優點，在飛機、高速列車、賽車、港口工程機械等高速高能載制動系統上具有廣泛的應用前景，但是復合材料的制動盤如何實現與車輪的結合以及提高散熱效果仍然是一個亟待解決的難題。

技術實現要素：

本發明解決的技術問題是：針對現有的復合材料在制動盤上存在的上述難題，提供一種具有輕量化、高能載與高效能特征的高速列車制動輪盤，解決現有金屬制動盤因熱裂導致失效和復合材料制動盤的安裝難題

本發明采用如下技術方案實現：

一種高速列車用輕量化制動輪盤，包括碳陶摩擦材料的摩擦盤和碳碳復合材料的骨架盤；所述摩擦盤與骨架盤固定貼合，并通過骨架盤與車輪連接。

進一步的，所述摩擦盤的兩面平整，在摩擦盤上以摩擦盤圓心為中心環形均勻分布有若干第一鉚釘孔和第三鉚釘孔，所述骨架盤上設有與之對應的第二鉚釘孔和第四鉚釘孔，其中第一鉚釘孔和第三鉚釘孔用于將摩擦盤和骨架盤通過鉚釘貼合鉚接，第二鉚釘孔和第四鉚釘孔用于將摩擦盤和骨架盤貼合后設置圓套，通過所述圓套將制動輪盤整體與車輪連接。

進一步的，所述第一鉚釘孔和第二鉚釘孔分別靠近摩擦盤和骨架盤的內圈和外圈分布兩組。

進一步的，所述骨架盤上均勻分布有若干通風凸臺。

進一步的，所述通風凸臺為以骨架盤圓心為中心呈環形分布的若干Y型通風凸臺，所述Y型通風凸臺之間留有間隔為10mm-20mm的通風槽。

進一步的，所述骨架盤的通風凸臺上還以骨架盤圓心為中心環形均勻分布若干滑塊孔，所述滑塊孔為沿徑向布置的腰形孔，所述滑塊孔內通過鉚釘固定嵌設有滑塊孔套。

在本發明中，所述摩擦盤的碳陶摩擦材料按照質量百分比包括如下組分：20～28％的碳纖維、18～32％的基體碳、26～45％的SiC、2～6％的Si。

進一步的，所述摩擦盤的厚度為10mm-20mm，密度為1.8～2.2g/cm³。

在本發明中，所述骨架盤的碳碳復合材料按照質量百分比包括如下組分：20～35％的碳纖維；65～80％的基體碳。

進一步的，所述骨架盤的厚度為28mm-40mm，密度為1.7～1.8g/cm³。

本發明具有如下有益效果：

(1)制動輪盤由碳陶材質的摩擦盤和碳碳材質的骨架盤組成，密度約為鍛鋼的1/3，對于制動系統的減重效果明顯。

(2)同時擁有更好的高溫性能和制動效能，即使在高濃度的氧氣中也不會腐蝕，同時在緊急制動時陶瓷制動輪盤理論上可以消耗近50MJ的能量，而性能較好的鍛鋼盤也只能消耗20MJ左右。

(3)碳陶摩擦盤在制動性能方面的重大改進，使得可以用一個碳陶摩擦盤代替兩個鋼質制動盤的使用壽命，以一輛高速列車運行三十年來計算，成本核算顯示，采用完整的本發明制動輪盤，可比鋼盤制動器節約成本50％。

綜上所述，本發明將碳基復合材料代替現有廣泛應用的合金鋼作為高速列車的制動輪盤材料，減輕了列車簧下重量，降低了牽引功率耗損；同時提高了制動輪盤的熱機械性能，可以減少制動輪盤的盤數；摩擦盤磨損到位或失效后，可以直接拆卸更換，而骨架盤可以一直利用，降低了維護成本。

以下結合附圖和具體實施方式對本發明做進一步說明。

附圖說明

圖1為實施例中的制動輪盤俯視圖。

圖2為圖1中的A向剖視圖。

圖3為圖1中的B向剖視圖。

圖4為圖2中的I處局部放大示意圖，具體表現摩擦盤和骨架盤之間的鉚釘連接示意。

圖5為圖3中的II處局部放大示意圖，具體表現摩擦盤和骨架盤形成的連接車輪的鉚釘孔示意。

圖6為實施例中的摩擦盤俯視圖。

圖7為圖6中的C向剖視圖，具體表現摩擦盤上的第一鉚釘孔的位置關系。

圖8為圖6中的D向剖視圖，具體表現摩擦盤上的第二鉚釘孔的位置關系。

圖9為實施例中的骨架盤俯視圖。

圖10為圖9中的III處局部放大示意圖，具體表現骨架盤上的鉚釘孔及通風凸臺的位置關系。

圖11為圖9中的E向剖視圖。

圖12為圖9中的F向剖視圖。

1-摩擦盤，101-第一鉚釘孔，102-第三鉚釘孔，

2-骨架盤，201-第二鉚釘孔，202-第四鉚釘孔，203-滑塊孔，204-通風凸臺，2041-通風槽，

31-滑塊孔套，32-圓套，

41-第一連接鉚釘，411-鉚釘套，42-第二連接鉚釘，421-墊圈，

具體實施方式

實施例

參見圖1至圖5，本實施例中的制動輪盤為本發明的優選實施方案，具體包括摩擦盤1和骨架盤2，其中摩擦盤1和骨架盤2均為具有內圈的圓盤結構，兩者的內圈和外圈尺寸相同，摩擦盤1通過銅質或鋼質的第一鉚釘41與骨架盤2冷鉚接，并通過骨架盤2與車輪固定連接。

結合參見圖6-8，摩擦盤1采用碳陶摩擦材料，厚度為10mm-20mm，摩擦盤1的兩面均加工成平整面，在摩擦盤1上以摩擦盤圓心為中心設有呈環形陣列分布的第一鉚釘孔101，第一鉚釘孔101分別靠近摩擦盤1的內圈和外圈分布兩組，每組為12個，第一鉚釘孔101為貫穿摩擦盤1的沉頭通孔，用于鉚接后的鉚釘定位。在摩擦盤1上還以摩擦盤圓心為中心設有呈環形陣列分布的第三鉚釘孔102，第三鉚釘孔102同樣為沉頭孔，其中第三鉚釘孔102的孔徑要大于第一鉚釘孔101，第三鉚釘孔102用于將貼合鉚接后的摩擦盤和骨架盤組成的制動輪盤與車輪連接。

結合參見圖9-12，骨架盤2采用碳碳復合材料，厚度為28mm-40mm，骨架盤2與摩擦盤1貼合的一面為平整面，骨架盤2上設有與第一鉚釘孔101對應的第二鉚釘孔201，第二鉚釘孔201為與第一鉚釘孔101相同的沉頭孔，骨架盤2在與摩擦盤1貼合后，摩擦盤1上的第一鉚釘孔101和第二鉚釘孔201全部同軸對齊，通過在第一鉚釘孔101和第二鉚釘孔201設置第一連接鉚釘41和鉚釘套411，把第一連接鉚釘41的兩端部墩粗后將摩擦盤1和骨架盤2固定貼合，如圖4所示。在骨架盤2上還設有與第三鉚釘孔102對應的第四鉚釘孔202，在摩擦盤1和骨架盤2后，第三鉚釘孔102和第四鉚釘孔202一一同軸對齊，在第三鉚釘孔102和第四鉚釘孔202內嵌入圓套32，形成整體制動輪盤與車輪連接的孔結構，鉚釘穿過圓套將骨架盤和車輪固定連接，提高制動盤和車輪之間的鉚接強度。

摩擦盤1的一面與骨架盤2貼合，另一面作為制動輪盤的摩擦面與制動閘片摩擦制動，骨架盤2一面與摩擦盤1貼合，另一面上設有若干通風凸臺204，提高制動輪盤的散熱效率。如圖9和圖10所示，通風凸臺204為以骨架盤圓心為中心呈環形陣列分布的24條凸臺，在保證通風效果的前提下，將凸臺設置成沿徑向分布的Y型凸臺，Y型凸臺的開口槽朝外設置，Y型凸臺之間留有間隔為10mm-20mm的通風槽2041，提高了制動輪盤表面的散熱面積，靠近骨架盤2外圈的第二鉚釘孔201全部分布在Y型凸臺的開口槽中，靠近骨架盤2內圈的第二鉚釘孔201有一半貫穿通風凸臺204及骨架盤2設置。

在骨架盤2的通風凸臺204上還以骨架盤圓心為中心環形均勻布置有6個滑塊孔203，滑塊孔203用于對制動輪盤和車輪接觸面的位置進行微調，滑塊孔203為沿骨架盤徑向布置的腰形孔，底部設有小的鉚釘孔，在滑塊孔203內固定嵌設有滑塊孔套31，滑塊孔套31通過第二連接鉚釘42和墊圈421鉚接固定在滑塊孔203的內壁，如圖4所示。

本實施例中的摩擦盤1的碳陶摩擦材料按照質量百分比包括如下組分：20～28％的碳纖維、18～32％的基體碳、26～45％的SiC、2～6％的Si，摩擦盤2的密度為1.8～2.2g/cm³。骨架盤2的碳碳復合材料按照質量百分比包括如下組分：20～35％的碳纖維；65～80％的基體碳，骨架盤2密度為1.7～1.8g/cm³，骨架盤2上的通風凸臺可直接一體成型加工，鉚釘孔則通過后續機加工成型。

以上實施例描述了本發明的基本原理和主要特征及本發明的優點，本行業的技術人員應該了解，本發明不受上述實施例的限制，上述實施例和說明書中描述的只是說明本發明的具體工作原理，在不脫離本發明精神和范圍的前提下，本發明還會有各種變化和改進，這些變化和改進都落入要求保護的本發明范圍內，本發明要求保護范圍由所附的權利要求書及其等效物界定。