专利名称：铁路货车用高分子复合材料斜楔摩擦板的制作方法
技术领域：
本发明系含有高分子物质的制品及其成形制造的技术领域，特别涉及铁路货车斜楔摩擦板专用的高分子复合材料的构成及其生产工艺。
背景技术：
斜楔式摩擦减震器是铁路车辆领域一项比较成熟的技术。据申请人所知早在1964年由齐齐哈尔车辆厂和铁道科学研究院设计，大连机车车辆厂试制的转8A转向架，开始使用斜楔式摩擦减震器。该减震器由弹簧、侧架立面摩擦板和斜楔组成，借助弹簧将斜楔紧压在侧架立面摩擦板(主摩擦面)和摇枕的斜面上(副摩擦面)，主要由主摩擦面上产生的摩擦阻力来衰减车辆的振动。参阅《新转8型及转6A型铁路货车转向架》一文(人民铁道出版社1975年9月第1版)。转8A型转向架是我国现有铁路货运列车采用的主型转向架，占货车保有量的80％以上，目前转8A转向架上采用的斜楔式摩擦减震器寿命短，影响车辆运行安全，其主要原因是侧架立柱摩擦板和摇枕斜楔摩擦面的磨擦板耐磨性不好，使磨耗过限，与其相对应的斜楔主、副摩擦面也因为磨损超差而失效。参阅《适应货车提速的三大件转向架新技术与潜能》“铁道车辆”张进德、徐小平、胡用生一文，1999、37(5)。
铁路车辆制造部门曾经采用贝球体斜楔取代老式斜楔，但并没有从根本上解决楔式摩擦减震器性能不稳定和不耐磨的问题。2000年秦皇岛车辆段检修的转8A转向架中仍有超过30％的摩擦板不到一个段修期便已磨损超差，必须更换。参阅《磨耗板换代是解决转8A减震器失效的根本途径》邓立、周菜林、邵芳议，一文，《铁道车辆》、2001、39(8)。
目前我国客、货混跑，所以货车运行速度低影响了客车的进一步提速。为了达到我国客、货车运行速度合理匹配，必须提高货运列车速度，要提高货车的运行速度必须首先提高车辆的动力学性能，提高车辆动力学性能的关键之一是必须有性能优良的减震系统。专家指出自九十年代以来，国外高速货车摩擦减震器的发展方向均是用高分子复合材料摩擦副取代金属摩擦副，老式铸铁斜楔摩擦副，在高速运行状态下烧结、咬伤、不耐磨等严重影响了减震器性能的提高，从而限制了车辆速度的提高。为了克服铸铁斜楔难以克服的缺陷，我国在九十年代推出了贝球体铸体铁斜楔，但仍未解决问题。据申请人所知，高分子复合材料斜楔的研究在我国未见公开报道。彻底解决斜楔这一技术难题，提高转向架关键部件的摩擦学性能和运行可靠性，是设计本发明的出发点。
鉴此，研制开发一种具有相对稳定的摩擦系数，受外界环境和温度影响较小，在摩擦运行过程中不伤对体，运转安全可靠的斜楔式摩擦减振器的高分子复合材料摩擦板是铁路货车车辆的技术市场的需求。
为了验证本发明的新颖性，申请人进行了文献检索，其范围是中国专利数据库，中文科技期刊数据库，中国科学技术成果数据库，中国学位论文数据库和中国学术会议论文数据库。查新结果认为未见有国内相同的文献报道。
为了查找出与本申请主题密切相关或者相关的现有技术中的对比文件，以助于发明人对技术方案的理解及其专利可许性的求证，对专利文献进行了检索，它揭示可对比的文件有《半金属摩擦材料》(申请号89100843)，它由钢纤维、铁纤维、石墨、二硫化钼、酚醛树脂等构成，具有摩擦制动平稳、摩擦系数稳定、磨损量小等优点，适用于高负荷、高速度运载工具中。《汽车用海泡石摩擦材料的制备方法》(申请号89106982)，系以海泡石为基料，配以热塑性树脂等料制成，具有良好的抗高温抗摩损的性能，是一种汽车用耐摩材料。《固体轮轨踏面摩擦剂》(申请号92115302)是由石墨粉、二硫化钼等制成的摩擦剂，它可提高机车车轮粘着系数、防滑、减少磨损和降低噪声。可见这些技术方案和应用领域与本申请方案是不相同的。
发明内容
本发明的目的是为铁路货车特别是提速后的货车研制开发一种具有相对稳定的摩擦系数、受外界环境和温度影响较小、在摩擦运行过程中不伤对体，运转安全可靠的斜楔式摩擦减振器用高分子复合材料摩擦板。为此，所要能解决的技术问题是对复合材料的组分、重量比份和生产工艺进行设计，该技术方案如下组分和重量比份范围温石棉纤维或海泡石纤维或予氧化纤维35-45重量份；铜纤维或钢纤维1-8重量份；酚醛树脂或腰果壳油改性；酚醛树脂或丁腈橡胶改性酚醛树脂17-23重量份；二硫化钼6-13重量份；石墨8-15重量份。
根据本技术方案的总体设计思路，申请人共进行36类45种材料配方试验，经反复实验和检验，最后确定该摩擦板材料的组分及重量份的调整范围。至于本产品的生产方法系常规工艺，已为公知公用，发明人所采用的是干法和湿法。现分别简介如下干法生产过程按组分及其重量比份范围进行选择设计，确定各成份的具体数值；纤维原料进行预处理；将之与树脂、丁腈橡胶粉、二硫化钼、石墨注入机中进行搅拌成混合料，备用；对模具进行处理，予热、装模；加入混合料；予压；排气；压制成型；脱模；热处理；检测；成品。
湿法生产过程按组分及其重量比份范围进行选择设计，确定各成份的具体数值；纤维原料予处理后备用；树脂加溶剂溶解后用以浸渍纤维；烘干；好树脂、二硫化钼、石墨注入机中进行搅拌成混合料；将混合料再注入模具中，后经予压、排气、压制成型、脱模、热处理、检测、成品。
现对有关的生产过程作以下补充说明(1)纤维予处理用工业洗涤剂浸泡纤维除去油污，然后漂洗、烘干。若选用海泡石纤维，则需高温脱水。
(2)纤维开松将铜(或钢)纤维放入高速开松机内，开松5-8分钟后，加入所选的其它纤维继续开松10-15分钟，混和均匀、蓬松即可。
(3)混和搅拌用高速搅拌机将树脂、纤维和各种填充料充分搅拌，使之混和均匀。搅拌时先加入已经开松好的纤维，搅拌3-5分钟后，加入各种填充料，继续搅拌10分钟，然后加入树脂，再搅拌25-30分钟，这一阶段要密切注意混和料的温度，若温度超过60℃，就要打开搅拌机的水冷装置，强过60℃，就要打开搅拌机的水冷装置，强制冷却混和料，直至混和料的外观呈羊绒状，各种纤维互相交错，填充料、树脂分布均匀即可。
(4)热压成型将混和好的混和料填入模温160℃±5℃的成型模内，施加35-40Mpa的成型压力，保压6-8分钟，保压前必须先排气，每隔1分钟排气一次，共排气6次，而后保压。
(5)热处理将压制好的摩擦板放入165℃的烘箱内，保温10-14(视摩擦板的厚度决定保温时间的长短)，然后随烘箱一起降温至室温即可。
至于组方的设计，申请人认为摩擦材料是一种具有复杂结构的体系，一般由三个部分组成，①基体各种粘结剂(如树脂等)或金属基体及各种陶瓷、玻璃等非金属基体；②纤维材料(如石棉、金属纤维，无机纤维、有机纤维等)③填充料(摩擦剂、耐磨剂、润滑剂等)。
本发明的基体材料选用酚醛树脂。酚醛树脂是一种耐热性能、机械性能及加工性能良好，成本低廉，用途广泛的基本热固性树脂，用酚醛树脂作为粘结剂组成的摩察材料具有摩擦系数稳定、磨损率较低、耐水、耐油等介质，噪音较低、并有一定的韧性等优点。为了进一步改进高分子复合摩擦阻尼材料的性能，本发明还选用了各种改性酚醛树脂，如腰果壳油改性酚醛树脂、丁腈橡胶改性树脂。各种改性酚醛树脂的应用，进一步提高了材料的综合性能。
纤维材料在摩擦材料中起增强作用，使材料具有一定的强度和韧性，能够承受冲击、剪切、拉伸、弯曲等机械作用而不会产生裂纹、断裂、崩缺等机械损伤。所以选用纤维材料必须满足；有足够的强度、较好的韧性、分散性、耐热性及与基体材料有很好的黏附性能，作为摩擦材料的增强纤维还要求具有良好的摩擦磨损性能在工作温度范围内不发生热分解、脱水、相变等等，同时还要不对环境造成污染。本发明选用天然矿物海泡石纤维和不存在致癌危险的温石棉纤维，金属纤维在混杂纤维中起到硬支撑的作用，特别是铜纤维，其耐磨性能好，能够在对偶件表面形成转移膜，既能够提高材料的摩擦学性能，又有效增强摩擦材料的强度和韧性。
填充料在摩擦材料中具有提高材料物理机械性能、调节摩擦性能(摩擦系数、磨损率等)及降低成本的作用。一般的摩擦材料为了提高材料的物理机械性能和摩擦系数常常选用金刚石粉、刚玉粉、铁粉、铜粉、SiO2、SiC等等。但是用这些填充料制成摩擦材料的摩擦系数都比较高，不符合铁路货车斜楔摩擦减震器的使用要求。本发明选用二硫化钼，石墨等固体润滑剂，它不但能够提高复合摩擦材料的物理机构性能，而且使摩擦系数能够符合铁路货车斜楔摩擦减震器的使用要求。
按照上述技术方案生产的铁路货车用高分子复合材料斜楔摩擦板主要技术指标是耐温≥200℃摩擦系数0.19～0.31抗压强度＞100Mpa吸水率 ≤8mg/cm2球压痕硬度 ≥100N/mm2摩损率 ＜2×10-8cm3/N.m本技术方案与现有技术相比其效果是(1)对比试验，现将有关试验数据摘录如下磨损对比试验数据
摩擦系数对比试验数据
由以上对比试验数据可知第一，磨损对比试验报告证明，在重载100km/h运行的情况下，新型高分子复合材料斜楔磨耗体积为6.1和7.2，平均值为6.65，是贝球体磨耗体积平均值的1/21。
第二，摩擦系数对比度试验报告证明，在重载100km/h运行的情况下，高分子复合材料的摩擦系数在0.1996～0.2518间波动，波动值为0.0522，贝球体在0.1802～0.4009之间波动，波动值为0.2207，前者不足后者的1/4。
第三，在空载情况下，高分子复合材料斜楔的磨耗体积为贝球体的1/8。
第四，在空载情况下，高分子复合材料的摩擦系数在0.2248～0.3144间波动，波动值为0.0896，贝球体在0.1852～0.4561间波动，波动值为0.2709。以上数据说明本产品可以全面提升斜楔的性能。为我国铁路货车提速提供了一种新的材料和高性能的关键配件。
(2)实际运行，根据我国铁路运行状况，在有关部门的大力支持下申请人选择在我国杭州至乌鲁木齐区间，在100km/h状态下运行的行包快运列车的转k2转向架上安装了高分子复合材料楔摩擦板进行实际运用试验，目的是检验在相同的工况下，与针状铸铁斜楔摩擦板相比高分子复合材料斜楔摩擦板的耐摩性、使用寿命。试验是这样进行的，选用试验车4辆，车号P65 3502519的两台转向架中一位装高分子复合材料斜楔摩擦板，二位装引进美国技术的针状铸铁斜楔；车号P65 3502508则相反，一位装针状铸铁斜楔，二位装高分子复合材料斜楔摩擦板；车号P65 3502488全部装高分子斜楔；车号P65 3502463，全部装针状铸铁斜楔，4辆车始终在同一编组内运行。行程11万公里和行程31万km的试验结果表明复合材料摩擦板的平均耐磨寿命为针状铸铁摩擦板的5.49倍。对于装有高分子复合材料摩擦板的组合式耐磨斜楔的减振器进行观察发现；其对体表面光洁，表面无损伤现象，斜楔的高分子复合材料主摩擦板与对体整面接触，在减振过程中贴合可靠、磨损均匀，从而使得摩擦副的摩擦系数稳定可靠。预期使用寿命均超过180万公里。
申请人还与有关部门合作，在北京铁路环形线进行的提速货车可靠性试验中对高分子复合材料斜楔摩擦板各项技术指标的可靠性进行试验现场测试的结果表明，装有高分子复合材料斜楔摩擦板的K4转向架，敞、棚、平、罐四种车型都能够在120km/h的速度和重载的条件下，保持良好的动力学性能。而没有安装高分子复合材料斜楔摩擦板的K2、K6转向架试验货车，由于其摩擦减振装置摩擦副的摩擦系数过大，导致车辆垂向加速度超标。环形线提速货车可靠性试验证明，本发明所研制的高分子复合材料斜楔摩擦板是能够在120km/h的速度和重载的条件下，长期保持车辆具有良好的动力学性能的关键性零部件之一。
上述试验证明高分子复合材料斜楔摩擦板适于在高速运行的铁路货车减振器中使用，并达到予定的设计指标。
(3)经济效益该产品通过试验和安装使用，已证明能较好的满足我国铁路货车重载高速运行的要求，目前，铁路客运速度已提到160Km/h，而货运速度最高也仅为80Km/h，使用该产品后，货运速度可提高到120Km/h，客货速度比的折减系数将由现在的1∶3.7降至1∶2。也就是意味着全国铁路每天至少可多开行25对货运列车，按现行铁路标准，每列编组50辆，每辆装载50吨每天运行300Km，每吨公里直接运价按0.05元计算，则一年全国铁路可增加运输收入6亿多元，并且带动搬运、仓储等社会其他行业的经济效益增长，它必将为铁路货运事业的发展，发挥较大的作用，其社会经济效益是显而易见的；同时，该产品可使维修周期提高到8年，而现在我国铁路使用的50万辆路用货车配件每2年左右就需检查维修更换，每次维修材料费用不低于608元，按此换算，使用该产品后铁路货车每年节约的直接材料费用至少为1亿多元。
具体实施例方式
方式一按温石棉纤维44重量份；钢纤维2重量份；酚醛树脂17重量份；二硫化钼12重量份；石墨12重量份进行配制。
此配方用干法生产，组分和工艺简单，由于温石棉纤维本身的各项性能优异，同时与基材酚醛树脂有非常好的结合力，所以产品性能优良，又由于采用了温石棉，所以没有致癌的危险。
方式二按海泡石纤维40重量份；铜纤维6重量份；腰果壳油改性酚醛树脂19重量份；二硫化钼10重量份；石墨15重量份进行配制。
该配方用干法生产，在目前人们对石棉有致癌作用普遍存在顾虑的情况下，以海泡石纤维代替石棉，是比较可行的方案。(最新的研究结果证明温石棉没有致癌作用，只有角石棉才有致癌作用)由于海泡石纤维的综合性能不如石棉，所以在组分中选用了改性树脂增加材料的韧性，加入铜纤维又提高了材料的机械性能，其成本略高于前者，机械性能和摩擦学性能两者基本相同。
方式三按预氧化纤维38重量份；铜纤维3重量份；丁腈橡胶改性酚醛树脂21重量份；二硫化钼7重量份；石墨14重量份进行配制。
用湿法生产，由于选用了丁腈橡胶改性酚醛树脂，提高了产品的耐热性和韧性，而预氧化纤维的综合性能非常优异，又采用了湿法工艺，所以产品的机械性能也优于干法工艺生产的产品，但是这组配方的成本高于前两种。它适用于散热条件不好，比压大的减震器，如转K3转向架。
权利要求
1.一种铁路货车用高分子复合材料斜楔摩擦板，其特征是按以下组分及重量比份范围构成温石棉纤维或海泡石纤维或予氧化纤维35-45重量份铜纤维或钢纤维 1-8重量份酚醛树脂或腰果壳油改性酚醛树脂或丁腈橡胶改性酚醛树脂17-23重量份二硫化钼 6-13重量份石墨 8-15重量份。
2.权利要求1所述的一种高分子复合材料用于制造铁路货车转向架摩擦减震器的摩擦板。
全文摘要
铁路货车用高分子复合材料斜楔摩擦板系含有高分子物质制品及其成形制造技术领域，特别涉及铁路货车斜楔摩擦板专用的高分子复合材料的构成及其生产工艺。所要解决的技术问题是该产品为具有相对稳定的摩擦系数、受外界环境和温度影响较小、运行中不伤对体、安全可靠的摩擦板。其技术方案是产品按以下组分及重量比份范围构成温石棉纤维或海泡石纤维或预氧化纤维35－45重量份，铜纤维或钢纤维1－8重量份；酚醛树脂或腰果壳油改性酚醛树脂或丁腈橡胶改性酚醛树脂17－23重量份；二硫化钼6－13重量份；石墨8－15重量份。再经常规的干法或湿法工艺加工而成。试验证明产品已达到设计指标。它可用于制造铁路货车转向架斜楔式摩擦减震器的斜楔摩擦板。
文档编号C08L61/00GK1618873SQ20041006091
公开日2005年5月25日 申请日期2004年9月28日 优先权日2004年9月28日
发明者赵泽 申请人:赵泽