閘瓦，也稱為制動片，是鐵路運輸中用于列車制動的關鍵部件。它安裝在車輪踏面上，通過制動機的作用，在列車需要減速或停止時緊密貼合車輪，利用摩擦力將動能轉化為熱能，隨后熱能散布到大氣中，實現列車減速或停止。閘瓦的性能受材質、設計和使用條件影響，關鍵在于摩擦熱能的有效散發。
閘瓦按材質可分為生鐵閘瓦和合成閘瓦兩大類。鑄鐵閘瓦由鑄鐵材料制成，包括灰鑄鐵、中磷、高磷鐵和合金鑄鐵等類型，具有不同的摩擦系數和耐磨性。合成閘瓦，又稱非金屬閘瓦，由石棉、填料和粘合劑混合熱壓而成，分為合成樹脂基和橡膠基兩類，具有重量輕、耐磨、無火花等優點。合成閘瓦的摩擦系數隨速度變化小，能較好地利用粘著作用，改善制動性能和縮短停車制動距離。合成閘瓦有高摩擦系數和低摩擦系數之分。高摩擦系數合成閘瓦的摩擦系數約為鑄鐵閘瓦的兩倍，可使用較小直徑的制動缸和副風缸，減輕基礎制動裝置重量，節省壓縮空氣。低摩擦系數合成閘瓦可取代生鐵閘瓦，適合改造舊車。但合成閘瓦導熱性能較差，摩擦產生的熱量使車輪踏面溫度升高，可能導致熱裂。近年來，無石棉、無鉛等有害物質的合成閘瓦因環保而得到更多采用。
火車閘瓦制動原理是在制動過程中，制動裝置將動能轉變為熱能消散于大氣中，制動效果取決于摩擦熱能的消散能力。閘瓦摩擦面積小，大部分熱負荷由車輪承擔。列車速度越高，制動時車輪的熱負荷越大，可能導致踏面磨耗、裂紋或剝離，影響使用壽命和行車安全。因此，傳統的踏面閘瓦制動不適應高速列車的需要。
發展
和諧型大功率內燃機車是國鐵集團未來客貨運輸主力機型，并逐步成為中國鐵路的主要牽引動力。隨著機車功率的提高對汽車制動系統也提出了更高的要求。高摩擦系數合成閘瓦（以下簡稱高摩合成閘瓦）作為大功率內燃機車制動的關鍵配件，其質量和使用性能對行車安全和維修成本有重要影響。CSR中車戚墅堰機車有限公司通過引進美國 通用電氣技術生產的和諧型大功率內燃機車已經在國內廣泛使用，但其使用的高摩合成閘瓦目前仍采用原裝產品。因此，本文針對和諧型大功率內燃機車用高摩合成閘瓦的使用要求和特點，開展具有自主知識產權的和諧型大功率內燃機車高摩合成閘瓦的研制。
原材料選擇
根據以往研制高摩合成閘瓦的相關經驗，結合和諧型大功率內燃機車車輪對高摩合成閘瓦的使用要求，從填料、增強纖維和黏合劑三方面考慮適合用于和諧型大功率內燃機車高摩合成閘瓦的原材料。
填料
高摩合成閘瓦中的填料在壓制成摩擦材料后，在各種使用情況下均應該具有耐磨的特性和高而穩定的摩擦系數。在綜合分析國內各種填料材質的基礎上，根據填料的溫度穩定性、莫氏硬度、晶粒形狀以及對黏合劑的浸漬性等參數，并充分考慮填料的成本和來源，優選石墨（型號：L—185，含碳量85%2）、鋁礬土（氧化鋁含量 70%3，細度150目以上）、正長石（細度100目以上，氧化鉀含量大于7%）、還原鐵粉（細度100目）和沉淀硫酸鋇（細度100目）作為制作高摩合成閘瓦的主要填料；其中石墨作為固體潤滑劑，鋁礬土、鉀長石粉和還原鐵粉等作為摩擦性能調節劑，另外選用沉淀硫酸鋇[bèi]粉作為填料是為了提高高摩合成閘瓦的機械性能和降低成本。
增強纖維
為保證高摩合成閘瓦的綜合強度，在高摩合成閘瓦的材料配方中必須加入增強纖維，以起到耐熱補強的作用。目前可采用的增強纖維主要有礦物纖維、高強度纖維和金屬纖維三大類。參考國外公司在摩擦制品中采用多種纖維組合的經驗，并充分考慮到工藝的可行性，選用鋼纖維（規格：DF5.5）和海泡石纖維（A級）2種纖維組合用于對高摩合成閘瓦的耐熱補強。
黏合劑
用于將填料和增強纖維黏結在一起的黏合劑是制備高摩合成閘瓦的關鍵材料，其性能直接影響到高摩合成閘瓦的性能。本文選用溶解度較為接近的熱塑性酚醛樹脂（規格：6828）和丁橡膠（規格：26）進行共混改性，從而得到相容性好、易共混并能夠使填料和增強纖維互為補強的新型黏合劑———丁腈橡膠改性酚醛樹脂。
制備
配方的優化
在選材的基礎上，依據各種原材料的特性及其在高摩合成閘瓦中的作用，圍繞高摩合成閘瓦的物理力學性能和制動摩擦磨損性能，開展黏合劑、石墨、正長石、海泡石纖維、鋼纖維等材料配比的研究，形成高摩合成閘瓦的配方；并通過反復實驗對配方進行優化。
制備工藝
按照優化后的高摩合成閘瓦配方，經原料整備配料干燥稱量分類混料熱壓成型后處理成品等多道工序制備高摩合成閘瓦。為了確定熱壓成型時合適的壓制壓力和壓制溫度，需要通過實驗分析壓制壓力和壓制溫度對高摩合成閘瓦物理力學性能的影響。
壓制壓力對高摩合成閘瓦物理力學性能的影響為了考察熱壓成型工序中壓制壓力對高摩合成閘瓦物理力學性能的影響，按照實驗方案，在壓制溫度為160 、壓制時間為40min以及后處理溫度和時間分別為160和4h的條件下，對高摩合成閘瓦的物理力學性能進行測試。
壓制壓力分別取 28.0，16.8和5.6MPa得到的高摩合成閘瓦各項物理力學性能指標并沒有發生明顯的變化，這說明壓制壓力對高摩合成閘瓦的物理力學性能雖有一定影響，但影響不大。因此，在高摩合成閘瓦的制備過程中，在保證高摩合成閘瓦用鋼背上的梅花孔能夠被摩擦材料完全充滿的前提下，可以適當降低壓制壓力，以節約制造成本。
壓制溫度對高摩合成閘瓦物理性能的影響為了考察熱壓成型工序中壓制溫度對高摩合成閘瓦物理性能的影響，按照實驗方案，在壓制壓力為16.8MPa、壓制時間為40min以及后處理溫度和時間分別為160和4h的條件下，分別取壓制溫度150，160和180，對高摩合成閘瓦的物理力學性能進行測試，。
壓制溫度對高摩合成閘瓦的物理力學性能有一定的影響。在壓制溫度為150和160 時對高摩合成閘瓦的物理力學性能影響較小，這是由于處理溫度和時間分別為160和4h的條件下，黏合劑只發生了1次化學反應，所以壓制溫度為150和160時摩擦材料的固化效果一致；但當壓制溫度升高至180時，高摩合成閘瓦中的黏合劑又發生了第2次反應，摩擦材料的交聯度進一步提高，致使高摩合成閘瓦的硬度增加、壓縮強度增大、壓縮模量增高，而韌性和沖擊強度大幅降低，嚴重影響了高摩合成閘瓦的物理力學性能。
DSC分析
為了驗證上述分析結果，采用差示掃描量熱法DifferentialScanning CalorimetryDSC和DSC—2型差熱掃描量熱儀，測試黏合劑———丁腈橡膠改性酚醛樹脂的熱性能（自然空氣環境下，升溫速度為10·min）。
這說明發生了2次化學反應過程。第1個固化峰是由酚醛樹脂初期固化放熱并同時伴有橡膠硫化放熱引起的，此階段主要是橡膠的硫化和由于酚醛樹脂中羥基之間的縮水而生成二芐基醚，形成了交聯的體型分子結構，其溫度變化范圍為134.2～168.9 熱焓[hán]為－38.08Jg第2個固化峰是酚醛樹脂發生了更加復雜的化學反應所導致，主要是二芐基醚進一步分解并釋放出少量的甲醛，使得體型分子結構收縮，體系中的弱分子鍵斷裂，形成了更加穩定的CH2結構，此階段的溫度變化范圍為171.3～238.9熱焓為－18.26J·，這進一步說明在180的高溫階段存在化學反應，柔性的弱鍵斷裂重新交聯，使得材料的韌性降低，致使高摩合成閘瓦的沖擊強度降低、模量增高和壓縮強度增加。
壓制壓力和壓制溫度的確定
根據上述壓制壓力和壓制溫度對高摩合成閘瓦物理力學性能影響的分析，以及保證高摩合成閘瓦用鋼背上的梅花孔能夠被摩擦材料完全充滿的要求，經反復實驗，在后處理溫度和時間分別為160和4h的條件下。
性能分析
為了對研制出的高摩合成閘瓦的性能進行分析，并與原裝高摩合成閘瓦的性能進行比較，按照《塑料壓縮性能試驗方法》 （GB/T1041—1992）、《硬質塑料簡支梁沖擊試驗方法》 （GB/T1043—1993）和《塑料洛氏硬度試驗方法》 （GB/T9342—1988），利 用 沖 擊 試 驗 機（型 號：XCT3923）、洛氏硬度計（型號：XHR—150）、電子萬能試驗機（型號：CSS—1110C）、單盤電光分析天平（型號：TG279c）和1 3制動動力試驗臺，對研制出的高摩合成閘瓦和原裝高摩合成閘瓦的物理力學性能及1 3制動摩擦磨損性能進行測所研制高摩合成閘瓦的各項物理力學性能指標均符合進口機車的技術標準，尤其是其壓縮模量和洛氏硬度分別達到了460MPa和68HHR，達到了原裝高摩合成閘瓦的性能，具有不易掉塊和不易對車輪造成熱損傷的特點，顯示了優異的使用性能。
按照制動初速度由高到低、再由低到高的測試程序，對原裝高摩合成閘瓦和研制的高摩合成閘瓦進行1 3制動摩擦磨損性能測試。測試中模擬的軸重為33t，制動壓力為2kN。由表6可以看出，研制的高摩合成閘瓦的磨耗量雖略高于原裝高摩合成閘瓦，但其摩擦系數與原裝高摩合成閘瓦一樣比較穩定，在測試的制動初速度范圍內摩擦系數穩定在0.31～0.37之間。能夠滿足高摩擦合成閘瓦的技術要求。
為了進一步考察所研制高摩合成閘瓦的制動摩擦磨損性能，結合和諧型大功率內燃機車的實際運用條件，又在1 1制動動力試驗臺上進行了型式測試。測試中模擬的軸重為25.2t，制動壓力為3.53kN；測試得到不同制動初速度下重車的制動距離、磨耗量和車輪踏面最高溫度等數據。
發展展望
針對我國和諧型大功率內燃機車的運用需求，以丁腈橡膠改性酚醛樹脂為黏合劑，石墨、鋁礬土、正長石、還原鐵粉和沉淀硫酸鋇等為填料，鋼纖維和海泡石纖維為增強纖維，混合構成了高摩合成閘瓦的摩擦材料；通過實驗和優化得到高摩合成閘瓦的配方以及工藝參數。研制出的高摩合成閘瓦具有沖擊強度高、韌性好、壓縮模量低、摩擦性能穩定等特點，物理力學性能和摩擦磨損性能達到了國外原裝產品的質量水平，經中國鐵路哈爾濱局集團有限公司等裝車試驗表明，完全能夠滿足使用要求。
參考資料 >
火車閘瓦概述.www.ksalex.cn.2024-03-14
詳解火車合成閘瓦是如何工作的.www.jdingkun.com.2024-03-14