專利名稱：一種仿生耦合軌道車輛制動盤的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于軌道車輛領(lǐng)域具有仿生耦合耐磨、抗疲勞、抗龜裂效果的高效高壽命制動盤。
背景技術(shù)：
隨著國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，鐵路客貨運(yùn)輸量迅速增加，鐵路運(yùn)輸?shù)母咚倩椭剌d化已成為必然的發(fā)展趨勢。列車速度的不斷提高，載重量的日益增加，對制動裝置及其安全保障也提出了更高、更新的要求，對列車制動的關(guān)鍵部件——制動盤的性能和壽命提出了越來越嚴(yán)格的要求。據(jù)調(diào)查，我國原有普通軌道列車制動盤維修車輛段采用的經(jīng)驗(yàn)報(bào)廢標(biāo)準(zhǔn)為最大裂紋長度不超過50mm，裂紋距制動盤邊緣不小于10mm，制動盤厚度不小于112mm， 單邊磨損不超過7mm，然而現(xiàn)有高速列車制動盤因熱裂和磨損嚴(yán)重，壽命大大縮短。為避免制動盤的早期失效而發(fā)生惡性事故，部分尚未嚴(yán)格達(dá)到報(bào)廢標(biāo)準(zhǔn)的制動盤也不得不提前報(bào)廢。為保障安全行車，產(chǎn)生足夠的制動力矩，制動盤數(shù)量由原先的每根車軸2個增加到每根車軸3個，或是在多個位置增加制動軸和制動盤總套數(shù)。但仍然達(dá)不到國家所規(guī)定的對制動盤使用壽命的要求(達(dá)到7. 5年或運(yùn)行總里程240萬公里進(jìn)行大修)，特別是那些長期行駛在山區(qū)等路況較差地區(qū)的軌道車輛，需頻繁制動剎車，制動盤的維修更換周期更短，造成人力、物力、財(cái)力的極大浪費(fèi)，大大增加了運(yùn)營成本。雖然目前用于高速鐵路列車的基礎(chǔ)制動方式有很多種，如摩擦制動、電阻制動、磁軌/渦流制動等，但在緊急情況下，要使高速運(yùn)動中的列車在很短的時(shí)間停下來，摩擦制動仍然是一種重要而有效的制動方法。利用運(yùn)動表面相接觸時(shí)所產(chǎn)生的摩擦阻力達(dá)到減速或終止運(yùn)動的方式稱為摩擦制動或者機(jī)械制動。歐洲鐵路聯(lián)盟UIC規(guī)定高速列車行駛時(shí)，應(yīng)能在摩擦制動的單一作用下，在規(guī)定的制動距離內(nèi)停車，其目的是在動力制動發(fā)生故障時(shí)也能保證列車運(yùn)行安全?？梢姡Ｕ夏Σ林苿拥目煽啃院椭苿有?，提高制動盤的摩擦磨損性能和抗疲勞止裂性能，是軌道車輛零部件技術(shù)發(fā)明和創(chuàng)新的重要環(huán)節(jié)。為提高制動盤的上述性能，國內(nèi)外的傳統(tǒng)方法幾乎全部局限于針對制動盤材料或制備工藝的優(yōu)化研究。這些材料包括通過減輕列車簧下重量，降低牽引功率耗損的顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料和陶瓷材料制動盤；通過提高制動盤的熱機(jī)械性能，以減少盤數(shù)的C-C復(fù)合材料制動盤。制備工藝的改善主要依賴于針對熱處理工藝進(jìn)行調(diào)節(jié)。這些方法的局限性在于，①僅局限于制動盤材料因素的改進(jìn)與優(yōu)化，設(shè)計(jì)與制備方法單一，不同的制動盤材料具有不同的局限性；②研究方法僅改善材料單一方面性能，或因提高了一方面性能，卻導(dǎo)致另一方面性能的下降；③一些新材料研究存在制造成本過高，資源浪費(fèi)嚴(yán)重，材料脆性大， 不易實(shí)現(xiàn)大體積部件制造等問題。為了調(diào)和摩擦系數(shù)和減少磨損量的矛盾關(guān)系，國內(nèi)外進(jìn)行了很多相關(guān)的研究，也取得了一定的進(jìn)展。如添加合金元素，通電流改善組織性能等，但是成本也隨之升高，迄今為止還沒有一種方法能使這些性能同時(shí)改善。從影響制動盤失效的多種因素和耐磨抗疲勞的多種角度出發(fā)，制動盤表面的耐磨抗疲勞性能研究是否可打破傳統(tǒng)僅針對盤體材料研究的界限，進(jìn)行盤體材料、表面形態(tài)和表層結(jié)構(gòu)的多因素協(xié)同研究，進(jìn)而在制動盤表面獲得優(yōu)異的力學(xué)性能組合以及高的磨損和疲勞抗力？該研究構(gòu)思在自然界生物的耦合現(xiàn)象中找到了答案。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種仿生耦合軌道車輛制動盤，他是在普通制動盤表面局部區(qū)域構(gòu)建形狀、結(jié)構(gòu)、組織、材料等多元耦合作用的仿生功能單元，并實(shí)現(xiàn)有益于功能實(shí)現(xiàn)的仿生單元多種形態(tài)分布，利用多因素仿生耦合的辦法同時(shí)改善軌道車輛制動盤表面的耐磨性能、抗疲勞能力性能和摩擦性能，有效提高制動盤的工作效能和服役壽命。經(jīng)過20億年的進(jìn)化，自然界中的很多生物具有適應(yīng)環(huán)境生存的特殊體表，研究表明，很多生物體表都存在幾何非光滑和珍珠層特征，即一定幾何形狀的結(jié)構(gòu)單元隨機(jī)或規(guī)律的分布于其體表某些部位，其結(jié)構(gòu)單元有條紋形、凸包形、樁釘形等。這些分布在生物體表的結(jié)構(gòu)單元使生物有特殊的性能，比如蚯蚓體表能承受土壤的擠壓和磨損，海螺表面的交叉層片結(jié)構(gòu)能有效阻止裂紋擴(kuò)展，隨著仿生學(xué)研究的不斷發(fā)展，研究人員發(fā)現(xiàn)，生物體適應(yīng)環(huán)境生存的各項(xiàng)機(jī)體功能，不僅僅是單一因素作用或多個因素的作用的簡單線性相加， 而是如同整個系統(tǒng)的優(yōu)化組合，即由多種因素相互依存、互相影響，通過一定的機(jī)制耦合、 協(xié)同的作用。仿生耦合表面的設(shè)計(jì)是借鑒生物表面形態(tài)、結(jié)構(gòu)、組織、成分的相互耦合作用通過對仿生耦合單元體的形狀、尺寸、分布規(guī)律、數(shù)量等幾何參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，達(dá)到同時(shí)改善材料表面多種性能的目的?；谝陨仙锺詈侠碚摶A(chǔ)上，在列車制動盤表面構(gòu)建多因素、多功能的仿生耦合單元，這些單元體呈一定規(guī)則分布，具有一定幾何形狀，組織、結(jié)構(gòu)同基體相區(qū)別，根據(jù)需要，單元體中相對于基體還可以出現(xiàn)化學(xué)成分和含量的變化。該制動盤可顯著提高其表面的摩擦磨損性，抗疲勞性及使用壽命。本發(fā)明是基于上述思想按如下方案實(shí)現(xiàn)的一種具有仿生耦合耐磨、抗熱疲勞效果的軌道車輛制動盤，在模擬生物耦合仿生原理，在普通制動盤表面局部區(qū)域構(gòu)建有形狀、結(jié)構(gòu)、組織、材料等多元耦合作用的仿生功能單元，仿生單元在形狀上具有圓形、矩形、方形、橢圓形、菱形等形狀；在結(jié)構(gòu)上具有矩型、 圓柱型、錐型等嵌入式結(jié)構(gòu)；在組織或成分上具有同基體相異的優(yōu)化組織或成分；在分布上呈現(xiàn)放射狀、同心圓狀、網(wǎng)絡(luò)狀和樁釘狀分布形態(tài)，可顯著改善軌道車輛制動盤的摩擦磨損和抗疲勞性能，提高制動盤的工作效能和服役壽命。所述制動盤表面仿生單元與基體表面具有O-Imm的高度差，單元體直徑或?qū)挾葹?2-20mm，單元體中心距為10-50mm，相鄰單元體中心線夾角為15° -60° (呈放射狀分布時(shí))。所述制動盤表面仿生單元呈矩型、圓柱型和錐型結(jié)構(gòu)嵌入至基體表面以下l_7mm 深度，單元體與基體的硬度差介于200-800HV。所述的仿生單元體內(nèi)含有以下一種或多種合金元素或陶瓷成分，Cr :0 20%， Mn 0 20%, Si 0 ~ 3%, Mo 0 5%, Ni 0 5%, W 0 ~ 20%, Co 0 10%, B 0 ~ 10%，Nb :0 10%，Ti :0 5% ；Zr 0 10%,Al2O3 :0 20% ；亦或是仿生單元體具有與基體相異的細(xì)晶強(qiáng)化、彌散強(qiáng)化、位錯強(qiáng)化或固溶強(qiáng)化組織。本發(fā)明所采用的技術(shù)手段是根據(jù)不同工況下制動盤的多種失效規(guī)律，由計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)進(jìn)行仿生單元體的形態(tài)尺寸和分布設(shè)計(jì)，通過機(jī)械加工、激光、焊接或燒結(jié)等手段，并結(jié)合噴涂、化學(xué)、物理、熔覆等方法，在制動盤表面加工出具有一定幾何形狀、結(jié)構(gòu)、組織和成分有別于基體材料的仿生耦合單元體，最終得到耐磨性高和疲勞壽命長的具有仿生耦合耐磨表層的制動盤。本發(fā)明的有益效果是經(jīng)多種現(xiàn)代技術(shù)手段制備獲得的仿生單元具有形態(tài)、結(jié)構(gòu)、 組織、材料多因素耦合特點(diǎn)，具有優(yōu)異的耐磨止裂功能；仿生耦合表面的非光滑效應(yīng)具有良好的減摩耐磨效果；優(yōu)化仿生單元的形態(tài)尺寸和分布規(guī)律可有效抑制裂紋萌生和阻礙裂紋擴(kuò)展。使用壽命與相同基體材料的普通表面制動盤相比，至少提高1倍。還可以針對不同要求，選用不同的仿生耦合方式，從而獲得不同的性能。本發(fā)明還具有加工簡單，性能可靠， 成本低，性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)。


圖1 (a)是具有圓形單元體呈樁釘型分布的仿生耦合制動盤表面示意圖。圖1(b)是圖1(a)的立體圖。圖2是(a)具有連續(xù)條紋狀單元體呈放射狀分布的仿生耦合制動盤表面示意圖。圖2 (b)是圖2 (a)的立體圖。圖3(a)是具有連續(xù)條紋狀單元體呈內(nèi)切線放射狀分布的仿生耦合制動盤表面示意圖。圖3 (b)是圖3 (a)的立體圖。圖4(a)是具有連續(xù)條紋狀單元體呈同心圓環(huán)狀分布的仿生耦合制動盤表面示意圖。圖4 (b)是圖4 (a)的立體圖。圖5(a)是具有連續(xù)條紋狀單元體呈網(wǎng)絡(luò)狀分布的仿生耦合制動盤表面示意圖。圖5 (b)是圖5 (a)的立體圖。圖6(a)是具有非連續(xù)短條狀條紋單元體呈同心圓環(huán)狀分布的仿生耦合制動盤表面示意圖。圖6 (b)是圖6 (a)的立體圖。圖7是仿生單元體呈矩型、圓柱型和錐型嵌入式結(jié)構(gòu)剖面圖，其中(a)是圓柱型或矩型仿生單元體，頂部為凸面并高于基體表面；(b)是錐型仿生單元體，頂部為凸面并高于基體表面；(c)是球型仿生單元體，頂部為凸面并高于基體表面；(d)是圓柱型或矩型仿生單元體，頂部為平面并與基體表面同一平面；(e)是錐型仿生單元體，頂部為平面并與基體表面同一平面；(f)是球型仿生單元體，頂部為平面并與基體表面同一平面；(g)是圓柱型或矩型仿生單元體，頂部為凹面并低于基體表面；(h)是錐型仿生單元體，頂部為凹面并低于基體表面；(i)是球型仿生單元體，頂部為凹面并低于基體表面。圖8為蠕墨鑄鐵仿生制動盤不同形狀仿生單元呈不同分布形態(tài)時(shí)的摩擦系數(shù)測
試ο
圖9為蠕墨鑄鐵仿生制動盤不同形狀、不同分布的仿生單元呈錐形嵌入基體時(shí)的磨損量比較。圖10(a)、(b)、(C)、(d)為蠕墨鑄鐵仿生制動盤仿生耦合制動盤磨損測試后的微觀形貌圖。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例1表面具有圓形單元體呈圓錐體樁釘型分布的仿生耦合軌道車輛鑄鐵制動盤。參照圖1，利用激光技術(shù)制備具有圓形單元體(表面投影形狀)的仿生耦合耐磨、 抗熱疲勞制動盤，單元體下部呈三維錐型結(jié)構(gòu)并下嵌入基體材料2mm ；其表面與制動盤基體表面處于同一水平高度，底圓直徑d為2mm，同一圓環(huán)上單元體沿圓環(huán)的分布角度α為 15°，圓環(huán)間的距離AR為10mm。制動盤基體材料為蠕墨鑄鐵，其顯微硬度為^OHV ；單元體材料成分與基體成分相同，但經(jīng)激光制備后獲得了細(xì)晶強(qiáng)化、位錯強(qiáng)化和固溶強(qiáng)化的組織，顯微硬度提高至680HV。對該仿生耦合制動盤使用情況進(jìn)行綜合測試，其使用壽命比普通制動盤提高1 1. 2倍，而加工該仿生耦合制動盤的成本僅提高3%。實(shí)施例2表面具有圓形單元體呈圓柱體樁釘型分布的仿生耦合軌道車輛鑄鋼制動盤。。參照圖1，利用激光和熔敷聯(lián)合技術(shù)制備具有圓形(投影形狀)凸包狀單元體的仿生耦合耐磨、抗熱疲勞制動盤，單元體下部呈三維圓柱體結(jié)構(gòu)并下嵌入基體材料Imm ；其表面呈凸包狀，頂點(diǎn)高于制動盤基體表面0. 5mm，底圓直徑d為20mm，同一圓環(huán)上相鄰單元體間夾角α為60°，圓環(huán)間距離Δ R為50mm。制動盤基體材料為鑄鋼，顯微硬度為350HV，單元體區(qū)經(jīng)激光熔覆含有WC成分(20% wt)的狗粉末后結(jié)構(gòu)強(qiáng)化和組織強(qiáng)化，硬度提高至 1130HV。經(jīng)綜合評定，該仿生制動盤的使用壽命比相同材質(zhì)的普通制動盤提高1 1. 3倍， 而加工仿生耦合制動盤的成本僅增加4%。實(shí)施例3表面具有連續(xù)條紋狀單元體呈放射線分布的仿生耦合鍛鋼制動盤。參照圖2，利用激光熔凝技術(shù)制備投影形狀為條紋狀單元體的仿生耦合耐磨、抗熱疲勞制動盤。單元體以制動盤圓心為中心呈放射線分布，其表面為圓弧面凹槽形狀，單元體下部橫截面呈錐形嵌入基體2. 5mm，單元體的下凹表面中心最低點(diǎn)低于制動盤基體表面 1mm，條紋寬度w為2mm，兩相鄰條紋中心線間夾角α為15°。制動盤基體材料為Cr-Mo-V 低合金鍛鋼制動盤，，其顯微硬度為400HV，單元體材料成分與基體材料成分相同，經(jīng)過激光處理后組織細(xì)化，相變強(qiáng)化，顯微硬度為790HV。經(jīng)加工后綜合測試，該仿生耦合單元體表面的制動盤的使用壽命比原基體制動盤提高1 1. 1倍，而加工仿生耦合制動盤的成本僅增加4%。實(shí)施例4表面具有連續(xù)條紋狀單元體呈內(nèi)切放射線分布的仿生耦合鑄鐵制動盤。參照圖3，利用激光和熔覆聯(lián)合技術(shù)制備投影形狀為條紋狀單元體，并呈內(nèi)切放射線分布的仿生耦合耐磨、抗熱疲勞制動盤。單元體下部呈錐形結(jié)構(gòu)下嵌入基體2mm，其上表面與制動盤基體表面之間的高度差為0mm，條紋寬度w為2mm，制動盤表面兩相鄰條紋中心線夾角α為15°。制動盤基體材料為蠕墨鑄鐵，顯微硬度為^OHV。單元體經(jīng)激光熔覆鉻鎳合金粉末后形成成分優(yōu)化(Crl9% wt, Ni4. 5wt)，組織強(qiáng)化的結(jié)構(gòu)，硬度提高至960HV。仿生耦合處理后制動盤的使用壽命比原制動盤提高1 1. 2倍，而仿生耦合盤的處理成本僅增加5%。實(shí)施例5表面具有連續(xù)條紋狀單元體呈內(nèi)切放射線分布的仿生耦合鑄鋼制動盤。參照圖3，首先利用機(jī)械雕刻方法在制動盤表面加工出投影形狀為內(nèi)切線放射狀條紋的凹槽，然后再用堆焊法在凹槽內(nèi)填充異質(zhì)合金材料，最終單元體與基體界面呈矩形連接，嵌入基體深度5mm，單元體寬度為20mm，其表面為圓弧面凸棱形狀，頂點(diǎn)高于制動盤基體表面0.5mm，兩相鄰條紋狀單元中心線夾角α為60°。制動盤基體材料為鑄鋼，顯微硬度為350HV。表面堆焊WC粉后形成具有形態(tài)、結(jié)構(gòu)、材料相互耦合的強(qiáng)化仿生單元(W20% wt)，顯微硬度達(dá)到930HV。加工后對該仿生耦合制動盤進(jìn)行綜合測試，其使用壽命比普通制動盤提高1 1. 3倍，而加工出仿生耦合制動盤的成本僅增加6%。實(shí)施例6表面具有連續(xù)條紋狀單元體呈同心圓環(huán)分布的仿生耦合鑄鋼制動盤。參照圖4，利用激光和熔覆聯(lián)合技術(shù)在制動盤表面加工投影形狀為條紋狀單元體呈同心圓環(huán)分布的仿生耦合耐磨、抗熱疲勞制動盤。加工后單元體橫截面為錐形結(jié)構(gòu)并嵌入基體2. 5mm，單元體表面為圓弧面凸棱形狀，其頂點(diǎn)高于制動盤基體表面0. 5mm，條紋寬度為3mm，相鄰條紋間的距離為10mm。制動盤材料為鑄鋼，基體的顯微硬度為350HV。熔覆材料組成為Cr30%，Ni 10%，B10%,Mo5%, Si_Fe45%。經(jīng)激光熔覆加工最終形成顯微硬度為970HV的仿生單元體。加工后綜合測試，該仿生耦合單元體表面的制動盤的使用壽命比原基體制動盤提高1. 3 1. 6倍，而加工出仿生耦合單元體表面的成本僅增加7%。實(shí)施例7表面具有連續(xù)條紋狀單元體呈同心圓環(huán)分布的仿生耦合鑄鋼制動盤。參照圖4，利用機(jī)械雕刻和堆焊結(jié)合方法在制動盤表面加工投影形狀為連續(xù)條紋狀單元體呈同心圓環(huán)分布的仿生耦合耐磨、抗熱疲勞制動盤。開矩形槽深度為5mm，寬度為15mm，相鄰開槽距離為30mm。隨后在凹槽中堆焊合金成分，材料為Mn15%，W15%, B10%，Mo10%，A120350%。最終仿生單元體圓弧形表面與制動盤基體表面之間的高度差為 +0. 5mm(+號表示仿生單元體表面高出制動盤的基體表面)，制動盤基體材料為鑄鋼，其顯微硬度為350HV，獲得的仿生單元體顯微硬度為950HV。加工后綜合測試，該仿生耦合單元體表面的制動盤的使用壽命比原基體制動盤提高1. 2 1. 5倍，而加工出仿生耦合單元體表面的成本僅增加6%。實(shí)施例8表面具有連續(xù)條紋狀單元體呈同心圓環(huán)和放射線交叉組合分布的仿生耦合煅鋼制動盤。
參照圖5，利用激光和熔敷聯(lián)合技術(shù)加工具有條紋狀單元體并在制動盤表面投影呈交叉網(wǎng)格分布的仿生耦合耐磨、抗熱疲勞制動盤。單元體橫截面呈錐形嵌入基體，其圓弧表面與制動盤基體表面間的高度差為+0. 2mm(+號表示單元體上表面高于制動盤基體表面)，條紋寬度w為2. 5mm，相鄰圓環(huán)間的距離d為10mm。相鄰放射狀條紋間的夾角α為 15°。制動盤基體材料為鍛鋼，其顯微硬度為400HV。表面熔敷材料組成為^50^,0)10%, Nbl0%, Til5%,MolO%, Si-Fel5%，經(jīng)激光熔覆后單元體區(qū)的顯微硬度為1050HV。加工后經(jīng)綜合測試，該仿生耦合制動盤的使用壽命比普通制動盤提高1. 4 2倍， 而加工出仿生耦合單元體表面的成本僅增加10%。實(shí)施例9表面具有短條狀單元體呈非連續(xù)同心圓環(huán)分布的仿生耦合鑄鐵制動盤。參照圖6，利用機(jī)械雕刻和焊接聯(lián)合方法制備投影形狀為短條狀單元體呈非連續(xù)同心圓環(huán)分布的仿生耦合耐磨、抗熱疲勞制動盤。首先通過機(jī)械加工方法獲得單元體嵌入式短條狀結(jié)構(gòu)，再利用焊接方法實(shí)現(xiàn)單元體異質(zhì)材料與基體材料的連接。制備獲得的短條狀仿生單元體表面與制動盤基體表面間的高度差為0mm，單元體嵌入基體5mm，寬度w為 2mm，相鄰圓環(huán)間的距離d為10mm，單元體沿圓環(huán)分布角度α工為15°，單元體的弧度角度為 %為15°。制動盤基體材料為蠕墨鑄鐵，顯微硬度為^OHV。經(jīng)堆焊Cr (60% wt)與Si-Fe 混合粉(40% wt)后單元體的顯微硬度為980HV。經(jīng)加工后綜合測試，具有仿生耦合表面的制動盤使用壽命比普通制動盤提高 1. 2 1. 5倍，而加工出仿生制動盤的成本僅增加6%。實(shí)施例10表面具有短條狀單元體呈非連續(xù)同心圓環(huán)分布的仿生耦合鑄鐵制動盤。參照圖6，利用機(jī)械雕刻和自蔓延燒結(jié)聯(lián)合方法，首先在制動盤表面機(jī)械加工出投影形狀為短條狀的凹槽，凹槽下部呈矩形嵌入基體；再選取Ni-Al，Ti-C, Ti-B為自蔓延反映體系，在凹槽內(nèi)填充反映體系合金材料，反映組分配比采用平衡法，通過自蔓延燒結(jié)方法制備仿生單元體。制備出的短條狀仿生耦合單元體表面與制動盤基體表面間的高度差為 0mm，單元體寬度w為20mm，下嵌深度為7mm，相鄰圓環(huán)間的距離d為50mm，單元體沿圓環(huán)分布角度、為〗。。，單元體的弧度角度為％為30°。制動盤基體材料為蠕墨鑄鐵，其顯微硬度為280HV ；經(jīng)自蔓延燒結(jié)方法實(shí)現(xiàn)合金材料與基體的結(jié)合，使單元體的顯微硬度達(dá)到 900HV。加工后經(jīng)綜合測試，該仿生耦合制動盤的使用壽命比普通制動盤提高1. 3 1. 8 倍，而加工出仿生耦合單元體表面的成本僅增加7%。圖7為單元體沿垂直于制動盤表面的剖面圖，表明制動盤表面的單元體呈矩型、圓柱型和錐型結(jié)構(gòu)嵌入至基體表面以下l_7mm深度，單元體與基體的硬度差介于 200-800HV。圖8為蠕墨鑄鐵制動盤表面經(jīng)激光加工獲得不同形狀單元體(點(diǎn)狀、條狀、網(wǎng)格狀、 未處理)后的摩擦系數(shù)，從圖中可以看出，經(jīng)過仿生處理后的材料表面摩擦系數(shù)波動不大，可以在不用更換摩擦副的前提下改善材料的耐磨性能；圖9為基于蠕墨鑄鐵材料不同仿生耦合制動盤試樣表面的磨損量比較圖。從圖中可以看出仿生稱合處理試樣的磨損量較普通試樣顯著降低，磨損性能極大改善。圖10為蠕墨鑄鐵制動盤不同仿生稱合表面的磨損形。
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權(quán)利要求
1.一種仿生耦合軌道車輛制動盤，其特征在于，所述仿生耦合是模擬生物耦合仿生原理，在普通制動盤表面局部區(qū)域構(gòu)建有多元耦合作用的仿生單元，仿生單元在形狀上包括具有圓形、矩形、方形、橢圓形、菱形形狀；在結(jié)構(gòu)上包括具有矩型、圓柱型、錐型嵌入式結(jié)構(gòu)；在組織或成分上具有同基體相異的優(yōu)化組織或成分；在分布上呈現(xiàn)放射狀、同心圓狀、 網(wǎng)絡(luò)狀和/或樁釘狀分布形態(tài)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種仿生耦合軌道車輛制動盤，其特征在于，所述仿生單元與基體表面具有O-Imm的高度差，仿生單元體直徑或?qū)挾葹?-20mm，單元體中心距為 10-50mm，相鄰單元體中心線夾角為15° -60°呈放射狀分布。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種仿生耦合軌道車輛制動盤，其特征在于，所述仿生單元呈矩型、圓柱型和錐型結(jié)構(gòu)嵌入至基體表面以下l_7mm深度，單元體與基體的硬度差介于 200-800HV 之間。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種仿生耦合軌道車輛制動盤，其特征在于，所述仿生單元體內(nèi)含有以下一種或多種合金元素或陶瓷成分，Cr :0 20%，Mn :0 20%，Si :0 3%， Mo :0 5%，Ni :0 5%，W :0 20%，Co :0 10%，B :0 10%，Nb :0 10%，Ti :0 5% ；Zr 0 10%，Al2O3 0 20% ；亦或是仿生單元具有與基體相異的細(xì)晶強(qiáng)化、彌散強(qiáng)化、位錯強(qiáng)化或固溶強(qiáng)化組織。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種仿生耦合軌道車輛制動盤，其特征在于，所述仿生單元通過采用機(jī)械、激光、焊接、熔覆或燒結(jié)手段的一種或多種組合方法獲得。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于軌道車輛的仿生耦合軌道車輛制動盤。它基于生物耦合的仿生原理，在制動盤的工作表面上分布有放射狀、同心圓狀、網(wǎng)絡(luò)狀和樁釘狀非光滑形態(tài)；并采用表面下嵌入式結(jié)構(gòu)；在局部區(qū)域呈現(xiàn)與基體材料相異的材料組織或成分，可有效抑制裂紋產(chǎn)生與擴(kuò)展，改善耐磨性，本發(fā)明以鑄鐵、鑄鋼和鍛鋼為軌道車輛制動盤的基體材料，通過機(jī)械、激光、燒結(jié)、焊接等方法，在普通制動盤表面局部區(qū)域構(gòu)建形狀、結(jié)構(gòu)、組織、材料等多元耦合作用的仿生功能單元，在整個盤體表面呈現(xiàn)有益于制動盤功能實(shí)現(xiàn)的多種形態(tài)，從而提高軌道車輛制動盤的摩擦磨損和抗疲勞性能。與相同基體材料的普通表面制動盤相比，使用壽命提高1～2倍，成本增加不超過10％。
文檔編號F16D65/12GK102352901SQ20111029368
公開日2012年2月15日 申請日期2011年10月4日 優(yōu)先權(quán)日2011年10月4日
發(fā)明者任露泉, 周倜, 周宏 , 常芳, 張志輝, 楊肖, 王亮 申請人:吉林大學(xué)