1、60模压工艺对地铁车辆用合成闸瓦力学及摩擦磨损性能的影响模压工艺对地铁车辆用合成闸瓦力学及摩擦磨损性能的影响（青岛永贵科技有限公司，山东 青岛 266000）宫象亮 摘 要 从模压工艺方面研究了压制压力、压制温度、保压时间、热处理温度、热处理时间对地铁车辆用合成闸瓦力学及摩擦磨损性能的影响。采用正交试验法和一般试验相结合的方式，分析并确定了一组最佳的工艺条件，该工艺条件下，闸瓦冲击强度可达 7.1 kJ/m2，磨耗量为 0.21 cm3/MJ。将本闸瓦与某进口闸瓦性能进行了比较，结果表明两者性能相当。关键词 地铁车辆；模压工艺；合成闸瓦；正交试验法 中图分类号 TH117 文献标识码 A 文章
2、编号 1006-7523（2023）02-0060-06DOI:10.16640/ki.37-1222/t.2023.02.010 收稿日期 2022-06-19 作者简介 宫象亮（1981），男，硕士，青岛永贵科技有限公司，工程师。引 言我国城市轨道交通的迅速发展带来了地铁车辆用合成闸瓦的大量需求。合成闸瓦安装在车辆制动装置上，制动时闸瓦抱紧车轮踏面，通过轮轨间摩擦力使车轮停止转动，达到制动的目的。目前国内有不少合成闸瓦的生产企业，实现了闸瓦配方及模压工艺设计、装车运用，但与进口同类产品相比，性能方面存在较大差距，如普遍存在裂纹、掉块、磨耗量大、摩擦性能不稳定、制动噪声大、金属镶嵌等问题1,
3、2。目前合成闸瓦论文研究成果比较多，但大多是从原材料选型、配比角度做了讨论，而在企业生产实践中，不仅要保证持续稳定提供性能可靠的产品，还要从提高生产效率、节约能源、降低制品不合格率等方面权衡经济性和功能性，以实现精益化生产，所以选择合适的工艺条件显得尤为重要。为此，本文着重从模压工艺方面讨论影响制品力学及摩擦磨损性能的因素，以期为国内合成闸瓦的研究提供有益参考。一、试验部分1.原材料及配比本文选用的的原料（1-12 号为原料 A，13-19 号为原料 B）及配比（见表 1）。2.主要生产、试验设备（见表 2）3.模压工艺参数的选择模压成型过程涉及复杂的物理及化学反应，影响性能的因素较多。本文选
4、取对闸瓦性能影响较大的五个模压工艺参数，即压制压力、压制温度、保压时间、热处理温度、热处理时间进行研究。以上各工艺参数若进行全面试验，排列组合数量很大，受试验条件、时间、成本的限制难于全部进行。61山东工业技术 2023 年 第 2 期(总第 310 期）序号原料重量配比技术要求生产厂家1酚醛树脂 PF6291A12%流动度：2540 mm，聚速：4065s，200目全通过，游离酚：2%4%山东圣泉化工股份有限公司2氧化铝1.5%325 目全通过，Al2O3含量 80%无锡鸿泰超微粉碎有限公司3还原铁粉8%100 目全通过，Fe 含量 99%苏州市金穗粉末冶金有限公司4钢纤维12%长径比 10
5、75常州宏泰摩擦材料有限公司5沉淀硫酸钡12%325 目筛上物 0.2%，淄博博山科普森新材料有限公司6碳酸钙晶须10%长径比 2030，长度 3040um，上海格润亚纳米材料7硅灰石3%长径比 1218，100 目全通过长兴金鳞石粉厂8鳞片石墨 1852.8%固定碳含量 85%，100 目全通过青岛市天和达石墨有限公司9钾长石粉10%SiO2 含量 6070%、K2O 含量 10%灵寿县鹏显矿产品加工厂10海泡石绒8%纤维束径 0.27um，长度束径比 60100灵寿县鹏显矿产品加工厂11膨胀蛭石4.5%2040 目，松散比重：130160 kg/m3灵寿县鹏显矿产品加工厂12摩擦粉4%20
6、60 目灵寿县奥森矿物粉体厂13丁腈橡胶 N230S10%丙烯腈含量：3040%日本 JSR14氧化锌0.5%100 目全通过，ZnO 含量 99.4%，市售15硬脂酸锌0.5%120 目全通过，Zn 含量：1011%市售16工业硫磺粉0.5%100 目全通过，S 含量：99%市售17高耐磨碳黑 N-3300.5%80 目全通过，灰分 0.7%市售18防老剂 4010NA0.1%加热减量（5055）：0.3%市售19促进剂 M0.1%加热减量（100105）：0.5%，市售总计100%/表 1 合成闸瓦原料配比实践证明，正交试验法是一种可以在大量的试验中获得最佳水平组合的准确高效的方法，故本文
7、采用正交试验法研究各参数对闸瓦性能的影响。4.闸瓦的制备本文采用干法模压生产工艺，该工艺投料方表 2 主要生产/试验设备设备名称型号规格生产厂家液压机（315T）YQ32-315南通锻压设备有限公司立式混料机BY210 型武汉市祥龙摩檫材料有限公司密炼机X(S)M-20/32 青岛铭羽机械科技有限公司塑料粉碎机PC-250成都恒荣鑫元亨机械设备摩擦材料固化炉NMC-1宁波市东方加热设备有限公司塑料洛氏硬度计XHR-150上海材料试验机厂电子天平TG328A 上海精密科学仪器有限公司冲击试验机XJJ-5承德大华试验机有限公司电子式万能试验机 WDW-20济南试金集团有限公司可调速调压摩擦材料性能
8、试验机QDM150西安顺通机电应用技术研究所便，胶料在模腔中分布均匀，流动性好，制品性能较高。制备工艺如下：（1）配料：按照原料配比，准确称重。（2）混料：混料分两步进行，先用立式混料机混合原料 A，用密炼机混合原料 B，然后将混好的原料 A 加入到密炼机中与原料 B 共混。分步混料的目的在于各种原料可以混合更均匀。混料结束后放置 12 小时备用。（3）粉碎：由于橡胶的粘结作用，会出现较大的块状胶料，热压成型时会出现裂纹、起泡、分层等缺陷，故需事先粉碎。使用爪刀型强力塑料粉碎机进行粉碎，筛网直径 5 mm。（4）热压成型：将模具预热后，倒入称量准确的胶料，然后放入瓦背，启动程序，按照设定的压制
9、压力、温度、保压时间开始压制，经保压-排气循环（压制 20 秒，抬模排气 10 秒）8次后进行保压固化，直至程序完成。（5）热处理：将压制成型后的闸瓦踏面朝62模压工艺对地铁车辆用合成闸瓦力学及摩擦磨损性能的影响上平整排放在摩擦材料固化炉中，按照设定的温度和时间进行热处理。热处理后即制得闸瓦成品。5.试验要求闸瓦在使用过程中，冲击性能不良会造成闸瓦裂纹、掉块等问题，磨耗量过大会造成闸瓦异常磨耗、制动平稳性差等问题，从而影响车辆制动性能及运行安全。故本文以冲击强度和磨耗量（耐磨损性能）作为性能指标，讨论模压各工艺参数对其影响关系。依据TB/T 3196-2015 机车用合成闸瓦试 样 尺 寸 要
10、 求，从 闸 瓦 中 制 取 以 下 试 样：(1202)(150.5)(100.5)无 缺 口 试 样 用于 冲 击 强 度 的 测 试；（25-0.4）（25-0.4）(80.5)试样用于磨耗量的测试。要求试样长度、宽度、厚度方向与闸瓦长度、宽度、厚度方向一致。冲击强度按GB/T 1043.1-2008 塑料 简支梁冲击性能的测定 第 1 部分:非仪器化冲击试验用 XJJ-5 冲击试验机进行测试；磨耗量按GB/T 17469-2012 汽车制动器衬片摩擦性能评价 小样台架试验方法用 QDM150 可调速调压摩擦材料性能试验机进行测试，参数设置：摩擦盘（HT180-250HB）直径 30 c
11、m，施加压力 0.98 Mpa，转速1500 r/min，转数 5000 转。确定最佳工艺参数后，将按此工艺制得的闸瓦参照标准TB/T 3196-2015 机车用合成闸瓦进行全面的性能试验，并与某进口闸瓦性能进行比较。二、试验结果与讨论1.试验结果正交试验首先选取压制压力、压制温度、保压时间、热处理温度四因素进行研究，热处理时间固定为 10 h，在确定四因素的最佳组合后，再进一步研究热处理时间对闸瓦性能的影响。正交试验设计因素和水平见表3，正交试验结果见表4。为便于直观展现四因素对闸瓦性能的影响关系并进行讨论，根据表 4 试验结果绘制了影响关系图（图 1 图 8）。表 3 合成闸瓦正交试验设计
12、因素和水平因素A 压制压力/MPaB 压制温度/C 保压时间/sD 热处理温度/水平 12140800140水平 241501000160水平 361601200180水平 481701400200表 4 合成闸瓦正交试验结果L16（44）ABCDE 冲击强度/kJm-2F 磨耗量/cm3MJ-1121408001403.10.812215010001603.80.733216012001804.40.694217014002004.30.845414010001804.90.50641508002005.10.587416014001405.20.558417012001605.80.539
13、614012002005.50.3410615014001806.50.281161608001606.10.3512617010001405.50.3813814014001605.40.3714815012001405.80.4015816010002006.20.311681708001805.80.38E 均值 13.94.75.04.9E 均值 25.35.35.15.3E 均值 35.95.55.45.4E 均值 45.85.45.35.3F 均值 10.770.510.530.54F 均值 20.540.500.480.50F 均值 30.340.480.490.46F 均值 4
14、0.370.530.510.522.结果讨论（1）压制压力对冲击强度和磨耗量的影响：压制压力是为使制品具有所要求的形状、机械强度3所需施加的压力。图 1、图 2 是压制压力对冲击强度和磨耗量的影响关系。由图可知，随着压力增大，冲击强度随之提高，磨耗量随之减少，压力达到 6 MPa 后，随着压力增大，冲击强度开63山东工业技术 2023 年 第 2 期(总第 310 期）始降低，磨耗量开始增加。这是因为增大压制压力，可以促进树脂、橡胶等粘接剂与纤维、填料形成致密的交联网状结构，使制品性能提高；但压力过大会造成制品内部结构破坏，增大残余应力，产生裂纹等缺陷，从而降低冲击强度，增加磨耗量。24683
15、.54.04.55.05.56.0冲击强度(kJm-2)压制压力(MPa)图 1 压制压力对冲击强度的影响关系24680.30.40.50.60.70.8磨耗量(cm3/MJ)压制压力(MPa)图 2 压制压力对磨耗量的影响关系（2）压制温度对冲击强度和磨耗量的影响：压制温度对胶料的熔融、流动、填充、固化程度都有着重要的影响，影响关系如图 3、图 4 所示。由图可知，随着压制温度升高，冲击强度先提高后降低，磨耗量先减少后增加，160时达到了最佳。这是因为随着温度升高，胶料熔融后粘度降低，流动性提高，可均匀包覆纤维和填料，固化交联反应得以充分进行，制品结构均匀致密，性能提高；但温度过高时，固化速
16、速过快，制品表面会很快硬化，内部产生的水分、低分子挥发物不能有效释放出来，制品内部会形成密闭的高压气孔，出模时这些高压气体就会突破制品表面，造成内部疏松，表面起泡、肿胀等问题，内部残余应力还会引起制品翘曲、开裂等4，造成冲击强度降低，磨耗量增加。1401501601704.64.85.05.25.45.6冲击强度(kJm-2)压制温度()图 3 压制温度对冲击强度的影响关系 1401501601700.480.490.500.510.520.53磨耗量(cm3/MJ)压制温度()图 4 压制温度对磨耗量的影响关系（3）保压时间对冲击强度和磨耗量的影响：保压时间是指胶料在压制压力和温度作用下从闭模到出模的时间，其作用是使胶料充分交联固化。图 5、图 6 是保压时间对冲击强度和磨耗量的影响关系，由图可知，随着保压时间延长，冲击强度先提高后降低，磨耗量先减少后增加。这是因为时间过短时树脂固化不完全，制品欠熟发软，且脱模后易出现鼓泡、肿胀、裂纹、翘曲变形等问题，制品性能较差，适当延长保压时间可克服上述问题；但时间过长，又会使制品过熟，不仅生产效率降低，能耗增大而且会因过度交联固化使收缩率增加，
