磁悬浮垂向滑撬及其制备方法与流程

本发明涉及磁悬浮列车领域，具体的，涉及磁悬浮垂向滑撬及其制备方法。

背景技术：

磁悬浮列车是一种新型高速交通工具，其最高时速可达到近500Km/h。磁悬浮列车在停车、紧急制动和被动拖曳时，垂向滑橇起到对列车的支撑及制动作用。目前，我国使用的磁悬浮列车垂向滑橇主要依赖进口。

因此，目前用于磁悬浮列车的垂向滑撬仍有待改进。

技术实现要素：

本申请是基于发明人对以下事实和问题的发现和认识作出的：

目前用于磁悬浮列车的垂向滑撬，主要依赖进口，其价格高、供货周期长、导热系数小、力学性能不高，在使用过程当中易发生碎裂损坏。发明人经过深入研究以及大量实验发现，这主要是由于目前的垂向滑撬中的摩擦体主要为金属基成分构成，因此其耐磨性能以及稳定性较差，容易在摩擦过程中碎裂破损。此外，目前的垂向滑撬中的摩擦体以及支撑件多采用铆接固定，因此在支撑以及制动列车的过程中，铆钉容易脱落或松动，造成摩擦体的脱落或松动，且脱落的铆钉也会为行进中的列成带来安全隐患。

本发明旨在至少在一定程度上解决以上相关技术中的技术问题之一。为此，在本发明的一个方面，本发明提出一种磁悬浮垂向滑撬。根据本发明的实施例，该垂向滑撬包括：钢背，所述钢背具有多个开口向下的卡槽，所述多个卡槽沿同一直线分布；多个滑撬摩擦体，所述多个滑撬摩擦体对应设置在所述多个卡槽中，所述多个滑撬摩擦体由C/C-SiC复合材料构成。采用C/C-SiC复合材料作为摩擦体材料，与金属基材料相比具有更好的耐磨性、耐高温性能、抗压强度、层间剪切强度、抗冲击强度，同时该材料热膨胀系数低，高温时垂向滑橇形变量少，不影响滑撬摩擦体的二次装配及更换。钢背中设置卡槽固定滑撬摩擦体，避免了由于铆钉脱落松动而带来的安全隐患或滑撬摩擦体的松动、脱落，从而可以提高该垂向滑撬的安全性能以及使用寿命。

根据本发明的实施例，所述多个滑撬摩擦体对应卡接在所述多个卡槽中。由此，可以避免由于铆钉脱落松动而带来的安全隐患或滑撬摩擦体的松动、脱落，从而可以提高该垂向滑撬的安全性能以及使用寿命。

根据本发明的实施例，所述卡槽为燕尾槽。由此，可以使滑撬摩擦体更好地固定在钢背的卡槽中。

根据本发明的实施例，每个所述滑撬摩擦体包括：卡接部和摩擦部，所述摩擦部的横截面积不小于所述卡接部的横截面积，所述卡接部卡设在所述卡槽中。由此，可以使滑撬摩擦体更好地固定在钢背的卡槽中，并为滑撬摩擦体提供更大的摩擦面积。

根据本发明的实施例，所述钢背具有多个散热孔，所述散热孔设置在所述卡槽的底部并贯穿所述钢背。由此，可以利用散热孔提高该垂向滑撬的散热性能，缓解摩擦生热而造成的形变，从而可以进一步提高该垂向滑撬的使用寿命。

根据本发明的实施例，在该垂向滑撬中，包括三个所述滑撬摩擦体。由此，可以进一步提高该垂向滑撬的使用性能。

根据本发明的实施例，所述滑撬摩擦体外表面包覆有铝套。由此，可以为C/C-SiC复合材料形成的滑撬摩擦体提供额外的保护，从而可以进一步提高该垂向滑撬的使用寿命。

根据本发明的实施例，所述铝套是由纯度不低于99.99％的纯铝制成的。由此，可以进一步提高该垂向滑撬的使用寿命。

根据本发明的实施例，所述C/C-SiC复合材料的密度为2.0～2.3g/cm³。由此，可以进一步提高C/C-SiC复合材料的耐磨性以及稳定性。

根据本发明的实施例，所述钢背是由304不锈钢制成的。由此，可以进一步提高钢背的性能。

在本发明的另一方面，本发明提出了一种制备前面所述的磁悬浮垂向滑撬的方法。根据本发明的实施例，该方法包括：(1)提供钢背；(2)对聚丙烯晴基碳纤维依次进行机械针刺成型、熔融渗硅处理以及机械加工成型，以便获得滑撬摩擦体；(3)将所述滑撬摩擦体装配到所述钢背的卡槽中，以便获得所述磁悬浮垂向滑撬。

根据本发明的实施例，在步骤(2)之后，步骤(3)之前，进一步包括：在所述滑撬摩擦体的外表面套设铝套。由此，可以为C/C-SiC复合材料形成的滑撬摩擦体提供额外的保护，从而可以进一步提高该垂向滑撬的使用寿命。

附图说明

图1显示了根据本发明一个实施例的垂向滑撬的底视图；

图2显示了根据本发明一个实施例的垂向滑撬沿钢背长度方向的纵截面结构图；

图3显示了根据本发明一个实施例的钢背沿长度方向的纵截面结构图；

图4显示了根据本发明一个实施例的钢背的顶视图；

图5显示了根据本发明一个实施例的滑撬摩擦体沿钢背沿长度方向的纵截面结构图；

图6显示了根据本发明一个实施例的滑撬摩擦体的底视图；

图7显示了根据本发明另一个实施例的垂向滑撬沿钢背长度方向的纵截面结构图；

图8显示了根据本发明又一个实施例的垂向滑撬沿钢背长度方向的纵截面结构图；

图9显示了根据本发明另一个实施例的钢背沿长度方向的纵截面结构图；

图10以及图11显示了根据本发明一个实施例的滑撬摩擦体沿钢背沿长度方向的纵截面结构图(a)以及底视图(b)；

图12以及图13显示了根据本发明一个实施例的滑撬摩擦体以及铝套沿钢背沿长度方向的纵截面结构图；

图14显示了根据本发明另一个实施例的垂向滑撬的底视图；以及

图15显示了根据本发明实施例1的滑撬摩擦体的扫描电镜图。

附图标记说明：

钢背100；卡槽110；散热孔10；滑撬摩擦体200；卡接部20；摩擦部30；铝套300

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的一个方面，本发明提出一种磁悬浮垂向滑撬。根据本发明的实施例，参考图1以及图2，该垂向滑撬包括：钢背100以及多个滑撬摩擦体200。其中，钢背具有多个开口向下的卡槽110，多个卡槽110沿同一直线分布。多个滑撬摩擦体200对应设置在多个卡槽110中，滑撬摩擦体200由C/C-SiC复合材料构成。采用C/C-SiC复合材料作为摩擦体材料，与金属基材料相比具有更好的耐磨性、耐高温性能、抗压强度、层间剪切强度、抗冲击强度，同时该材料热膨胀系数低，高温时垂向滑橇形变量少，不影响滑撬摩擦体的二次装配及更换。钢背中设置卡槽固定滑撬摩擦体，避免了由于铆钉脱落松动而带来的安全隐患或滑撬摩擦体的松动、脱落，从而可以提高该垂向滑撬的安全性能以及使用寿命。需要说明的是，在本发明中，“顶视图”特指自上而下的方向上该垂向滑撬的结构图，也即是说，在实际应用中，沿着由列车的方向至铁轨方向上观察该垂向滑撬的结构图；“底视图”特指自下而上的方向上该垂向滑撬的结构图，也即是说，在实际应用中，沿着由铁轨的方向至列车方向上观察该垂向滑撬的结构图。

下面结合本发明的实施例，对该垂向滑撬的具体结构进行详细说明。

根据本发明的实施例，钢背100为该垂向滑撬提供支撑结构，并通过钢背110的上表面装配到磁悬浮列车的响应位置。参考图3，在钢背100的下部，设置有多个开口朝下的卡槽110，以便固定滑撬摩擦体200，并利用滑撬摩擦体200与铁轨之间进行接触摩擦，起到制动或支撑列车的目的。根据本发明的实施例，钢背100可以是由304不锈钢制成的。由此，可以进一步提高钢背的性能。为了进一步提高该垂向滑撬的性能，参考图4，钢背还可以具有多个散热孔10。具体地，散热孔10可以设置在卡槽110(图中未示出)的底部，并贯穿钢背。也即是说，在钢背100的上表面中与卡接固定有滑撬摩擦体200的相对应位置上，设置有多个贯穿钢背100的孔。由此，可以利用散热孔提高该垂向滑撬的散热性能，缓解摩擦生热而造成的形变，从而可以进一步提高该垂向滑撬的使用寿命。

根据本发明的实施例，滑撬摩擦体200是由C/C-SiC复合材料构成的。C/C-SiC复合材料，又称为炭纤维增强炭和炭化硅双基体材料，该材料具有密度低、摩擦性能高、抗氧化性能好、耐腐蚀、优异的力学性能和热物理性能等优点，是一种能在高温条件下(大于1500摄氏度)使用的材料。采用C/C-SiC复合材料代替传统的金属基材料形成滑撬摩擦体200，有利于利用C/C-SiC复合材料的上述优异性能，改善传统的滑撬摩擦体耐磨性能以及稳定性较差、容易在摩擦过程中碎裂破损等问题。具体的，在本发明中，滑撬摩擦体200可以是通过对碳纤维材料进行成型处理后，利用熔融渗硅法对碳纤维材料进行渗硅处理而获得的。由此，可以提高碳纤维材料的摩擦系数，提高复合材料的耐磨性能以及稳定性。根据本发明的具体实施例，可以采用聚丙烯晴基碳纤维，如T700碳纤维、12K碳纤维等，利用机械针刺成型，制备成与卡槽110相匹配的形状，获得C/C多孔复合材料预制件。获得的C/C多孔复合材料预制件的密度可以为1.0～1.1g/cm³。随后，对C/C多孔复合材料预制件进行渗硅处理，获得密度为2.0～2.3g/cm³的C/C-SiC复合材料摩擦体粗胚。随后，利用包括但不限于数控机床对C/C-SiC复合材料摩擦体粗胚进行铣削加工以及磨削加工等成型处理，以便获得由C/C-SiC复合材料构成的滑撬摩擦体200。

根据本发明的实施例，上述多个滑撬摩擦体200对应卡接在多个卡槽110中。由此，可以避免由于铆钉脱落松动而带来的安全隐患或滑撬摩擦体的松动、脱落，从而可以提高该垂向滑撬的安全性能以及使用寿命。例如，参考图1以及图3，卡槽110可以为燕尾槽。由此，可以使滑撬摩擦体更好地固定在钢背的卡槽110中。需要说明的是，在本发明中，滑撬摩擦体200对应地卡接在卡槽110中，因此，本领域技术人员能够理解的是，滑撬摩擦体200与卡槽110卡接的部位具有与卡槽110相对应的形状。根据本发明的实施例，参考图5，每个滑撬摩擦体200均可以包括卡接部20和摩擦部30，卡接部20卡设在卡槽110中，起到固定滑撬摩擦体200的作用；摩擦部30暴露在钢背外部，以便与铁轨摩擦，对列车起到支撑以及制动的作用。需要说明的是，关于滑撬摩擦体200的具体形状以及数量，不收特别限制，只要能够对应地卡接在卡槽110中即可。例如，根据本发明的实施例，参考图6，该滑撬摩擦体200的摩擦部30的底面可以具有正方形或者长方形的形状。

例如，根据本发明的具体实施例，参考图5，在滑撬摩擦体200中，摩擦部30至少一处的横截面积不小于卡接部20的横截面积。由此，可以为滑撬摩擦体200提供更大的摩擦面积。此外，参考图7～图8，滑撬摩擦体200沿钢背100宽度方向的侧壁上还可以具有斜角。由此，可以方便滑撬摩擦体200与铁轨之间的摩擦，从而可以进一步提高滑撬摩擦体200的寿命；斜角的设置也有利于在磁悬浮列车行进过程中减小列车所受到的阻力。

根据本发明的实施例，参考图8、图12～图14，在滑撬摩擦体200的外表面还可以进一步包覆有铝套300。由此，可以为C/C-SiC复合材料形成的滑撬摩擦体200提供额外的保护，从而可以进一步提高该垂向滑撬的使用寿命。具体地，铝套300可以是由纯度不低于99.99％的纯铝制成的。由纯度不低于99.99％的纯铝制成的铝套300具有较好的导热性、耐摩擦性能，由此，可以进一步提高该垂向滑撬的使用寿命。

根据本发明的具体实施例，参考图8以及图9，在该垂向滑撬中，可以包括三个所述滑撬摩擦体200。在每一个滑撬摩擦体200的外表面均可以包覆与该滑撬摩擦体200形状相匹配的铝套300。三个滑撬摩擦体200一一对应地卡接在钢背100的卡槽110(图中未示出)中，三个卡槽110，三个滑撬摩擦体200沿同一直线分布在钢背100上。本领域技术人员能够理解的是，在该垂向滑撬中，多个滑撬摩擦体200沿着列车长度方向以及铁轨的方向排列，多个滑撬摩擦体200的宽度与钢背100的宽度一致。换句话说，该垂向滑撬的俯视图或顶视图中，沿着钢背100的长度方向上，滑撬摩擦体200均不凸出出钢背100。需要说明的是，在本发明中，术语“沿同一直线分布”指在多个滑撬摩擦体在排列时，在滑撬摩擦体200的横截面的四条边线中，每一个滑撬摩擦体沿钢背100长度方向的一对边线的延长线，均与任一个滑撬摩擦体沿钢背100长度方向的一对边线的延长线重合，每一个滑撬摩擦体沿钢背100宽度方向的一对边线，均与任一个滑撬摩擦体沿钢背100宽度方向的任意一条边线平行。由此，可以进一步提高该垂向滑撬的使用性能。

根据本发明的一些实施例，参考图8以及图9，为了进一步加强钢背100的支撑强度并利用钢背100为滑撬摩擦体200进行保护，卡槽110沿着钢背100宽度方向的侧壁上，可以自上而下具有收缩部和开放部。由此，卡槽110的侧壁可以延伸至滑撬摩擦体200的摩擦部，使钢背100包覆滑撬摩擦体200的摩擦部的一部分，从而可以为滑撬摩擦体200提供保护，且可以增加卡槽侧壁的长度，从而可以进一步加强钢背100的支撑强度。

综上所述，根据本发明实施例的垂向滑撬具有耐磨、稳定、使用寿命长，不易破碎磨损、滑撬摩擦体与钢背卡接结合，不易脱落变形等优点的至少之一。总的来说，该垂向滑撬具有下列优点的至少之一：

1.采用C/C-SiC陶瓷基复合材料作为磁悬浮列车垂向滑橇的摩擦材料，提高了该磁悬浮列车垂向滑橇的耐磨性、耐高温性能、抗压强度、层间剪切强度、抗冲击强度，同时该材料热膨胀系数低，高温时垂向滑橇形变量少，不影响其二次装配及更换。

2.采用铝套包裹C/C-SiC陶瓷基复合材料摩擦体，提高了磁悬浮列车的导热性能，同时在磁悬浮列车存在偶尔砸轨的情况下，也能保证该滑橇不会被砸坏。

3.采用燕尾槽形式将C/C-SiC陶瓷基复合材料摩擦体、铝套、钢背进行装配，保证了该垂向滑橇的牢固性。

在本发明的另一方面，本发明提出了一种制备前面所述的磁悬浮垂向滑撬的方法。根据本发明的实施例，该方法包括：

(1)提供钢背

根据本发明的实施例，在该步骤中，采用机械加工方式，制得根据本发明实施例的钢背。关于钢背的具体结构，前面已经进行了详细的描述，在此不再赘述。根据本发明的实施例，可以采用304不锈钢为原料，利用机械切削、冲压成型等方法获得具有前面描述的形状以及结构的钢背。

(2)形成滑撬摩擦体

根据本发明的实施例，在该步骤中，对聚丙烯晴基碳纤维依次进行机械针刺成型、熔融渗硅处理以及机械加工成型，以便获得滑撬摩擦体。关于滑撬摩擦体的具体形状以及结构，前面已经进行了详细的描述，在此不再赘述。根据本发明的实施例，滑撬摩擦体可以是通过下列步骤形成的：

(a)将C/C多孔复合材料按照图纸要求进行加工，得到滑撬摩擦体毛坯。例如，可以采用机械针刺，形成具有一定形状的C/C多孔复合材料预制件。其中，选用的C/C多孔复合材料的密度可以为1.0-1.1g/cm³。具体的，C/C多孔复合材料预制件可以采用T700、12K聚丙烯腈基碳纤维的至少之一，通过机械针刺而形成的。

(b)将滑撬摩擦体毛坯采用熔融渗硅法进行渗硅，获得密度为2.0-2.3g/cm³的C/C-SiC复合材料形成的滑撬摩擦体粗胚。由此，可以进一步提高制得的滑撬摩擦体的摩擦系数，提高耐磨性能以及稳定性。

(c)将滑撬摩擦体粗胚进行机械加工，得到最终滑橇摩擦体。其中，根据本发明的实施例，加工方法可以主要包括数控加工中心铣削加工和数控磨床磨削加工。其中，数控加工中心铣削加工所用的刀具可以为金刚石铣刀；数控磨床磨削加工所用的砂轮可以为金刚石砂轮。

根据本发明的实施例，为了进一步提高利用该方法获得的垂向滑撬的性能，该方法还可以进一步包括：

(i)设置铝套

根据本发明的实施例，在该步骤中，在滑撬摩擦体的外表面套设铝套。由此，可以为C/C-SiC复合材料形成的滑撬摩擦体提供额外的保护，从而可以进一步提高该垂向滑撬的使用寿命。铝套材料为纯铝，通过机械加工方式制得铝套。例如，可以采用纯度不低于99.99％的纯铝制备铝套。

(3)装配

根据本发明的实施例，在该步骤中，将滑撬摩擦体装配到钢背的卡槽中，以便获得磁悬浮垂向滑撬。

下面将结合实施例对本发明的方案进行解释。本领域技术人员将会理解，下面的实施例仅用于说明本发明，而不应视为限定本发明的范围。实施例中未注明具体技术或条件的，按照本领域内的文献所描述的技术或条件或者按照产品说明书进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市购获得的常规产品。

实施例1

(1)将密度为1.0g/cm³的C/C多孔复合材料按照图纸要求进行加工，得到滑撬摩擦体毛坯。

(2)将滑撬摩擦体毛坯采用熔融渗硅法进行渗硅，获得密度为2.1g/cm³的C/C-SiC复合材料磁悬浮滑撬摩擦体粗坯。

(3)将滑撬摩擦体粗胚采用数控加工中心铣削加工和数控磨床磨削加工的方式进行机械加工，得到最终滑橇摩擦体。

(4)采用304不锈钢为原材料，于机械加工方式制得钢背；采用纯铝板为原材料，于机械加工方式制得铝套。

(5)将滑橇摩擦体与制得的钢背及铝套进行装配，得到滑橇产品。

图15为本实施例制备的C/C-SiC复合材料的形貌图，由图可知，材料结构致密，存在一定量的游离硅。经测试，其抗压强度为262MPa，弹性模量为45GPa，断裂韧性为28MPa·m^1/2，摩擦系数为0.40，磨损率为0.00538mm/min。

实施例2

制备步骤以及方法同实施例1，所不同的是，采用密度为1.05g/cm³的C/C多孔复合材料按照图纸要求进行加工，得到滑撬摩擦体毛坯，通过熔融渗硅法获得的滑撬摩擦体粗坯的密度为2.18g/cm³。

经测试，本实施例获得的滑橇摩擦体抗压强度为255MPa，弹性模量为47GPa，断裂韧性为32MPa·m^1/2，摩擦系数为0.41，磨损率为0.00237mm/min。

实施例3

制备步骤以及方法同实施例1，所不同的是，采用密度为1.1g/cm³的C/C多孔复合材料按照图纸要求进行加工，得到滑撬摩擦体毛坯，通过熔融渗硅法获得的滑撬摩擦体粗坯的密度为2.26g/cm³。

经测试，本实施例获得的滑橇摩擦体抗压强度为273MPa，弹性模量为41GPa，断裂韧性为26MPa·m^1/2，摩擦系数为0.45，磨损率为0.00643mm/min。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。例如，参考图8，根据本发明的实施例，该垂向滑撬可以具有三个滑撬摩擦体300，每一个滑撬摩擦体200的外表面均包覆有铝套300。钢背100卡槽110(图中未示出)的侧壁包覆滑撬摩擦体200的部分摩擦部，卡槽110沿钢背100宽度方向的侧壁上，自上而下依次具有收缩部以及开放部，且分布在外侧的两个滑撬摩擦体200的外测，沿钢背100宽度方向上的侧壁上具有斜角。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。