專利名稱：鐵路貨車用高分子復(fù)合材料斜楔摩擦板的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明系含有高分子物質(zhì)的制品及其成形制造的技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及鐵路貨車斜楔摩擦板專用的高分子復(fù)合材料的構(gòu)成及其生產(chǎn)工藝。
背景技術(shù)：
斜楔式摩擦減震器是鐵路車輛領(lǐng)域一項比較成熟的技術(shù)。據(jù)申請人所知早在1964年由齊齊哈爾車輛廠和鐵道科學(xué)研究院設(shè)計，大連機(jī)車車輛廠試制的轉(zhuǎn)8A轉(zhuǎn)向架，開始使用斜楔式摩擦減震器。該減震器由彈簧、側(cè)架立面摩擦板和斜楔組成，借助彈簧將斜楔緊壓在側(cè)架立面摩擦板(主摩擦面)和搖枕的斜面上(副摩擦面)，主要由主摩擦面上產(chǎn)生的摩擦阻力來衰減車輛的振動。參閱《新轉(zhuǎn)8型及轉(zhuǎn)6A型鐵路貨車轉(zhuǎn)向架》一文(人民鐵道出版社1975年9月第1版)。轉(zhuǎn)8A型轉(zhuǎn)向架是我國現(xiàn)有鐵路貨運列車采用的主型轉(zhuǎn)向架，占貨車保有量的80％以上，目前轉(zhuǎn)8A轉(zhuǎn)向架上采用的斜楔式摩擦減震器壽命短，影響車輛運行安全，其主要原因是側(cè)架立柱摩擦板和搖枕斜楔摩擦面的磨擦板耐磨性不好，使磨耗過限，與其相對應(yīng)的斜楔主、副摩擦面也因為磨損超差而失效。參閱《適應(yīng)貨車提速的三大件轉(zhuǎn)向架新技術(shù)與潛能》“鐵道車輛”張進(jìn)德、徐小平、胡用生一文，1999、37(5)。
鐵路車輛制造部門曾經(jīng)采用貝球體斜楔取代老式斜楔，但并沒有從根本上解決楔式摩擦減震器性能不穩(wěn)定和不耐磨的問題。2000年秦皇島車輛段檢修的轉(zhuǎn)8A轉(zhuǎn)向架中仍有超過30％的摩擦板不到一個段修期便已磨損超差，必須更換。參閱《磨耗板換代是解決轉(zhuǎn)8A減震器失效的根本途徑》鄧立、周菜林、邵芳議，一文，《鐵道車輛》、2001、39(8)。
目前我國客、貨混跑，所以貨車運行速度低影響了客車的進(jìn)一步提速。為了達(dá)到我國客、貨車運行速度合理匹配，必須提高貨運列車速度，要提高貨車的運行速度必須首先提高車輛的動力學(xué)性能，提高車輛動力學(xué)性能的關(guān)鍵之一是必須有性能優(yōu)良的減震系統(tǒng)。專家指出自九十年代以來，國外高速貨車摩擦減震器的發(fā)展方向均是用高分子復(fù)合材料摩擦副取代金屬摩擦副，老式鑄鐵斜楔摩擦副，在高速運行狀態(tài)下燒結(jié)、咬傷、不耐磨等嚴(yán)重影響了減震器性能的提高，從而限制了車輛速度的提高。為了克服鑄鐵斜楔難以克服的缺陷，我國在九十年代推出了貝球體鑄體鐵斜楔，但仍未解決問題。據(jù)申請人所知，高分子復(fù)合材料斜楔的研究在我國未見公開報道。徹底解決斜楔這一技術(shù)難題，提高轉(zhuǎn)向架關(guān)鍵部件的摩擦學(xué)性能和運行可靠性，是設(shè)計本發(fā)明的出發(fā)點。
鑒此，研制開發(fā)一種具有相對穩(wěn)定的摩擦系數(shù)，受外界環(huán)境和溫度影響較小，在摩擦運行過程中不傷對體，運轉(zhuǎn)安全可靠的斜楔式摩擦減振器的高分子復(fù)合材料摩擦板是鐵路貨車車輛的技術(shù)市場的需求。
為了驗證本發(fā)明的新穎性，申請人進(jìn)行了文獻(xiàn)檢索，其范圍是中國專利數(shù)據(jù)庫，中文科技期刊數(shù)據(jù)庫，中國科學(xué)技術(shù)成果數(shù)據(jù)庫，中國學(xué)位論文數(shù)據(jù)庫和中國學(xué)術(shù)會議論文數(shù)據(jù)庫。查新結(jié)果認(rèn)為未見有國內(nèi)相同的文獻(xiàn)報道。
為了查找出與本申請主題密切相關(guān)或者相關(guān)的現(xiàn)有技術(shù)中的對比文件，以助于發(fā)明人對技術(shù)方案的理解及其專利可許性的求證，對專利文獻(xiàn)進(jìn)行了檢索，它揭示可對比的文件有《半金屬摩擦材料》(申請?zhí)?9100843)，它由鋼纖維、鐵纖維、石墨、二硫化鉬、酚醛樹脂等構(gòu)成，具有摩擦制動平穩(wěn)、摩擦系數(shù)穩(wěn)定、磨損量小等優(yōu)點，適用于高負(fù)荷、高速度運載工具中?！镀囉煤Ｅ菔Σ敛牧系闹苽浞椒ā?申請?zhí)?9106982)，系以海泡石為基料，配以熱塑性樹脂等料制成，具有良好的抗高溫抗摩損的性能，是一種汽車用耐摩材料?！豆腆w輪軌踏面摩擦劑》(申請?zhí)?2115302)是由石墨粉、二硫化鉬等制成的摩擦劑，它可提高機(jī)車車輪粘著系數(shù)、防滑、減少磨損和降低噪聲?？梢娺@些技術(shù)方案和應(yīng)用領(lǐng)域與本申請方案是不相同的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為鐵路貨車特別是提速后的貨車研制開發(fā)一種具有相對穩(wěn)定的摩擦系數(shù)、受外界環(huán)境和溫度影響較小、在摩擦運行過程中不傷對體，運轉(zhuǎn)安全可靠的斜楔式摩擦減振器用高分子復(fù)合材料摩擦板。為此，所要能解決的技術(shù)問題是對復(fù)合材料的組分、重量比份和生產(chǎn)工藝進(jìn)行設(shè)計，該技術(shù)方案如下組分和重量比份范圍溫石棉纖維或海泡石纖維或予氧化纖維35-45重量份；銅纖維或鋼纖維1-8重量份；酚醛樹脂或腰果殼油改性；酚醛樹脂或丁腈橡膠改性酚醛樹脂17-23重量份；二硫化鉬6-13重量份；石墨8-15重量份。
根據(jù)本技術(shù)方案的總體設(shè)計思路，申請人共進(jìn)行36類45種材料配方試驗，經(jīng)反復(fù)實驗和檢驗，最后確定該摩擦板材料的組分及重量份的調(diào)整范圍。至于本產(chǎn)品的生產(chǎn)方法系常規(guī)工藝，已為公知公用，發(fā)明人所采用的是干法和濕法?，F(xiàn)分別簡介如下干法生產(chǎn)過程按組分及其重量比份范圍進(jìn)行選擇設(shè)計，確定各成份的具體數(shù)值；纖維原料進(jìn)行預(yù)處理；將之與樹脂、丁腈橡膠粉、二硫化鉬、石墨注入機(jī)中進(jìn)行攪拌成混合料，備用；對模具進(jìn)行處理，予熱、裝模；加入混合料；予壓；排氣；壓制成型；脫模；熱處理；檢測；成品。
濕法生產(chǎn)過程按組分及其重量比份范圍進(jìn)行選擇設(shè)計，確定各成份的具體數(shù)值；纖維原料予處理后備用；樹脂加溶劑溶解后用以浸漬纖維；烘干；好樹脂、二硫化鉬、石墨注入機(jī)中進(jìn)行攪拌成混合料；將混合料再注入模具中，后經(jīng)予壓、排氣、壓制成型、脫模、熱處理、檢測、成品。
現(xiàn)對有關(guān)的生產(chǎn)過程作以下補(bǔ)充說明(1)纖維予處理用工業(yè)洗滌劑浸泡纖維除去油污，然后漂洗、烘干。若選用海泡石纖維，則需高溫脫水。
(2)纖維開松將銅(或鋼)纖維放入高速開松機(jī)內(nèi)，開松5-8分鐘后，加入所選的其它纖維繼續(xù)開松10-15分鐘，混和均勻、蓬松即可。
(3)混和攪拌用高速攪拌機(jī)將樹脂、纖維和各種填充料充分?jǐn)嚢瑁怪旌途鶆?。攪拌時先加入已經(jīng)開松好的纖維，攪拌3-5分鐘后，加入各種填充料，繼續(xù)攪拌10分鐘，然后加入樹脂，再攪拌25-30分鐘，這一階段要密切注意混和料的溫度，若溫度超過60℃，就要打開攪拌機(jī)的水冷裝置，強(qiáng)過60℃，就要打開攪拌機(jī)的水冷裝置，強(qiáng)制冷卻混和料，直至混和料的外觀呈羊絨狀，各種纖維互相交錯，填充料、樹脂分布均勻即可。
(4)熱壓成型將混和好的混和料填入模溫160℃±5℃的成型模內(nèi)，施加35-40Mpa的成型壓力，保壓6-8分鐘，保壓前必須先排氣，每隔1分鐘排氣一次，共排氣6次，而后保壓。
(5)熱處理將壓制好的摩擦板放入165℃的烘箱內(nèi)，保溫10-14(視摩擦板的厚度決定保溫時間的長短)，然后隨烘箱一起降溫至室溫即可。
至于組方的設(shè)計，申請人認(rèn)為摩擦材料是一種具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的體系，一般由三個部分組成，①基體各種粘結(jié)劑(如樹脂等)或金屬基體及各種陶瓷、玻璃等非金屬基體；②纖維材料(如石棉、金屬纖維，無機(jī)纖維、有機(jī)纖維等)③填充料(摩擦劑、耐磨劑、潤滑劑等)。
本發(fā)明的基體材料選用酚醛樹脂。酚醛樹脂是一種耐熱性能、機(jī)械性能及加工性能良好，成本低廉，用途廣泛的基本熱固性樹脂，用酚醛樹脂作為粘結(jié)劑組成的摩察材料具有摩擦系數(shù)穩(wěn)定、磨損率較低、耐水、耐油等介質(zhì)，噪音較低、并有一定的韌性等優(yōu)點。為了進(jìn)一步改進(jìn)高分子復(fù)合摩擦阻尼材料的性能，本發(fā)明還選用了各種改性酚醛樹脂，如腰果殼油改性酚醛樹脂、丁腈橡膠改性樹脂。各種改性酚醛樹脂的應(yīng)用，進(jìn)一步提高了材料的綜合性能。
纖維材料在摩擦材料中起增強(qiáng)作用，使材料具有一定的強(qiáng)度和韌性，能夠承受沖擊、剪切、拉伸、彎曲等機(jī)械作用而不會產(chǎn)生裂紋、斷裂、崩缺等機(jī)械損傷。所以選用纖維材料必須滿足；有足夠的強(qiáng)度、較好的韌性、分散性、耐熱性及與基體材料有很好的黏附性能，作為摩擦材料的增強(qiáng)纖維還要求具有良好的摩擦磨損性能在工作溫度范圍內(nèi)不發(fā)生熱分解、脫水、相變等等，同時還要不對環(huán)境造成污染。本發(fā)明選用天然礦物海泡石纖維和不存在致癌危險的溫石棉纖維，金屬纖維在混雜纖維中起到硬支撐的作用，特別是銅纖維，其耐磨性能好，能夠在對偶件表面形成轉(zhuǎn)移膜，既能夠提高材料的摩擦學(xué)性能，又有效增強(qiáng)摩擦材料的強(qiáng)度和韌性。
填充料在摩擦材料中具有提高材料物理機(jī)械性能、調(diào)節(jié)摩擦性能(摩擦系數(shù)、磨損率等)及降低成本的作用。一般的摩擦材料為了提高材料的物理機(jī)械性能和摩擦系數(shù)常常選用金剛石粉、剛玉粉、鐵粉、銅粉、SiO2、SiC等等。但是用這些填充料制成摩擦材料的摩擦系數(shù)都比較高，不符合鐵路貨車斜楔摩擦減震器的使用要求。本發(fā)明選用二硫化鉬，石墨等固體潤滑劑，它不但能夠提高復(fù)合摩擦材料的物理機(jī)構(gòu)性能，而且使摩擦系數(shù)能夠符合鐵路貨車斜楔摩擦減震器的使用要求。
按照上述技術(shù)方案生產(chǎn)的鐵路貨車用高分子復(fù)合材料斜楔摩擦板主要技術(shù)指標(biāo)是耐溫≥200℃摩擦系數(shù)0.19～0.31抗壓強(qiáng)度＞100Mpa吸水率 ≤8mg/cm2球壓痕硬度 ≥100N/mm2摩損率 ＜2×10-8cm3/N.m本技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比其效果是(1)對比試驗，現(xiàn)將有關(guān)試驗數(shù)據(jù)摘錄如下磨損對比試驗數(shù)據(jù)

摩擦系數(shù)對比試驗數(shù)據(jù)

由以上對比試驗數(shù)據(jù)可知第一，磨損對比試驗報告證明，在重載100km/h運行的情況下，新型高分子復(fù)合材料斜楔磨耗體積為6.1和7.2，平均值為6.65，是貝球體磨耗體積平均值的1/21。
第二，摩擦系數(shù)對比度試驗報告證明，在重載100km/h運行的情況下，高分子復(fù)合材料的摩擦系數(shù)在0.1996～0.2518間波動，波動值為0.0522，貝球體在0.1802～0.4009之間波動，波動值為0.2207，前者不足后者的1/4。
第三，在空載情況下，高分子復(fù)合材料斜楔的磨耗體積為貝球體的1/8。
第四，在空載情況下，高分子復(fù)合材料的摩擦系數(shù)在0.2248～0.3144間波動，波動值為0.0896，貝球體在0.1852～0.4561間波動，波動值為0.2709。以上數(shù)據(jù)說明本產(chǎn)品可以全面提升斜楔的性能。為我國鐵路貨車提速提供了一種新的材料和高性能的關(guān)鍵配件。
(2)實際運行，根據(jù)我國鐵路運行狀況，在有關(guān)部門的大力支持下申請人選擇在我國杭州至烏魯木齊區(qū)間，在100km/h狀態(tài)下運行的行包快運列車的轉(zhuǎn)k2轉(zhuǎn)向架上安裝了高分子復(fù)合材料楔摩擦板進(jìn)行實際運用試驗，目的是檢驗在相同的工況下，與針狀鑄鐵斜楔摩擦板相比高分子復(fù)合材料斜楔摩擦板的耐摩性、使用壽命。試驗是這樣進(jìn)行的，選用試驗車4輛，車號P65 3502519的兩臺轉(zhuǎn)向架中一位裝高分子復(fù)合材料斜楔摩擦板，二位裝引進(jìn)美國技術(shù)的針狀鑄鐵斜楔；車號P65 3502508則相反，一位裝針狀鑄鐵斜楔，二位裝高分子復(fù)合材料斜楔摩擦板；車號P65 3502488全部裝高分子斜楔；車號P65 3502463，全部裝針狀鑄鐵斜楔，4輛車始終在同一編組內(nèi)運行。行程11萬公里和行程31萬km的試驗結(jié)果表明復(fù)合材料摩擦板的平均耐磨壽命為針狀鑄鐵摩擦板的5.49倍。對于裝有高分子復(fù)合材料摩擦板的組合式耐磨斜楔的減振器進(jìn)行觀察發(fā)現(xiàn)；其對體表面光潔，表面無損傷現(xiàn)象，斜楔的高分子復(fù)合材料主摩擦板與對體整面接觸，在減振過程中貼合可靠、磨損均勻，從而使得摩擦副的摩擦系數(shù)穩(wěn)定可靠。預(yù)期使用壽命均超過180萬公里。
申請人還與有關(guān)部門合作，在北京鐵路環(huán)形線進(jìn)行的提速貨車可靠性試驗中對高分子復(fù)合材料斜楔摩擦板各項技術(shù)指標(biāo)的可靠性進(jìn)行試驗現(xiàn)場測試的結(jié)果表明，裝有高分子復(fù)合材料斜楔摩擦板的K4轉(zhuǎn)向架，敞、棚、平、罐四種車型都能夠在120km/h的速度和重載的條件下，保持良好的動力學(xué)性能。而沒有安裝高分子復(fù)合材料斜楔摩擦板的K2、K6轉(zhuǎn)向架試驗貨車，由于其摩擦減振裝置摩擦副的摩擦系數(shù)過大，導(dǎo)致車輛垂向加速度超標(biāo)。環(huán)形線提速貨車可靠性試驗證明，本發(fā)明所研制的高分子復(fù)合材料斜楔摩擦板是能夠在120km/h的速度和重載的條件下，長期保持車輛具有良好的動力學(xué)性能的關(guān)鍵性零部件之一。
上述試驗證明高分子復(fù)合材料斜楔摩擦板適于在高速運行的鐵路貨車減振器中使用，并達(dá)到予定的設(shè)計指標(biāo)。
(3)經(jīng)濟(jì)效益該產(chǎn)品通過試驗和安裝使用，已證明能較好的滿足我國鐵路貨車重載高速運行的要求，目前，鐵路客運速度已提到160Km/h，而貨運速度最高也僅為80Km/h，使用該產(chǎn)品后，貨運速度可提高到120Km/h，客貨速度比的折減系數(shù)將由現(xiàn)在的1∶3.7降至1∶2。也就是意味著全國鐵路每天至少可多開行25對貨運列車，按現(xiàn)行鐵路標(biāo)準(zhǔn)，每列編組50輛，每輛裝載50噸每天運行300Km，每噸公里直接運價按0.05元計算，則一年全國鐵路可增加運輸收入6億多元，并且?guī)影徇\、倉儲等社會其他行業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益增長，它必將為鐵路貨運事業(yè)的發(fā)展，發(fā)揮較大的作用，其社會經(jīng)濟(jì)效益是顯而易見的；同時，該產(chǎn)品可使維修周期提高到8年，而現(xiàn)在我國鐵路使用的50萬輛路用貨車配件每2年左右就需檢查維修更換，每次維修材料費用不低于608元，按此換算，使用該產(chǎn)品后鐵路貨車每年節(jié)約的直接材料費用至少為1億多元。
具體實施例方式
方式一按溫石棉纖維44重量份；鋼纖維2重量份；酚醛樹脂17重量份；二硫化鉬12重量份；石墨12重量份進(jìn)行配制。
此配方用干法生產(chǎn)，組分和工藝簡單，由于溫石棉纖維本身的各項性能優(yōu)異，同時與基材酚醛樹脂有非常好的結(jié)合力，所以產(chǎn)品性能優(yōu)良，又由于采用了溫石棉，所以沒有致癌的危險。
方式二按海泡石纖維40重量份；銅纖維6重量份；腰果殼油改性酚醛樹脂19重量份；二硫化鉬10重量份；石墨15重量份進(jìn)行配制。
該配方用干法生產(chǎn)，在目前人們對石棉有致癌作用普遍存在顧慮的情況下，以海泡石纖維代替石棉，是比較可行的方案。(最新的研究結(jié)果證明溫石棉沒有致癌作用，只有角石棉才有致癌作用)由于海泡石纖維的綜合性能不如石棉，所以在組分中選用了改性樹脂增加材料的韌性，加入銅纖維又提高了材料的機(jī)械性能，其成本略高于前者，機(jī)械性能和摩擦學(xué)性能兩者基本相同。
方式三按預(yù)氧化纖維38重量份；銅纖維3重量份；丁腈橡膠改性酚醛樹脂21重量份；二硫化鉬7重量份；石墨14重量份進(jìn)行配制。
用濕法生產(chǎn)，由于選用了丁腈橡膠改性酚醛樹脂，提高了產(chǎn)品的耐熱性和韌性，而預(yù)氧化纖維的綜合性能非常優(yōu)異，又采用了濕法工藝，所以產(chǎn)品的機(jī)械性能也優(yōu)于干法工藝生產(chǎn)的產(chǎn)品，但是這組配方的成本高于前兩種。它適用于散熱條件不好，比壓大的減震器，如轉(zhuǎn)K3轉(zhuǎn)向架。
權(quán)利要求
1.一種鐵路貨車用高分子復(fù)合材料斜楔摩擦板，其特征是按以下組分及重量比份范圍構(gòu)成溫石棉纖維或海泡石纖維或予氧化纖維35-45重量份銅纖維或鋼纖維 1-8重量份酚醛樹脂或腰果殼油改性酚醛樹脂或丁腈橡膠改性酚醛樹脂17-23重量份二硫化鉬 6-13重量份石墨 8-15重量份。
2.權(quán)利要求1所述的一種高分子復(fù)合材料用于制造鐵路貨車轉(zhuǎn)向架摩擦減震器的摩擦板。
全文摘要
鐵路貨車用高分子復(fù)合材料斜楔摩擦板系含有高分子物質(zhì)制品及其成形制造技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及鐵路貨車斜楔摩擦板專用的高分子復(fù)合材料的構(gòu)成及其生產(chǎn)工藝。所要解決的技術(shù)問題是該產(chǎn)品為具有相對穩(wěn)定的摩擦系數(shù)、受外界環(huán)境和溫度影響較小、運行中不傷對體、安全可靠的摩擦板。其技術(shù)方案是產(chǎn)品按以下組分及重量比份范圍構(gòu)成溫石棉纖維或海泡石纖維或預(yù)氧化纖維35－45重量份，銅纖維或鋼纖維1－8重量份；酚醛樹脂或腰果殼油改性酚醛樹脂或丁腈橡膠改性酚醛樹脂17－23重量份；二硫化鉬6－13重量份；石墨8－15重量份。再經(jīng)常規(guī)的干法或濕法工藝加工而成。試驗證明產(chǎn)品已達(dá)到設(shè)計指標(biāo)。它可用于制造鐵路貨車轉(zhuǎn)向架斜楔式摩擦減震器的斜楔摩擦板。
文檔編號C08L61/00GK1618873SQ20041006091
公開日2005年5月25日 申請日期2004年9月28日 優(yōu)先權(quán)日2004年9月28日
發(fā)明者趙澤 申請人:趙澤