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动车组制动盘不规则磨耗原因分析及建议

发表时间：2020/8/24 来源：《基层建设》2020年第10期作者：于广洲贾天雨

[导读] 摘要：随着经济和科技水平的快速发展，磨粒磨损是指物体材料摩擦时由于摩擦副表面有凸起硬质颗粒或存在游离硬质颗粒对材料表面进行划擦而导致表层材料损伤或流失。

        中国铁路济南局集团有限公司青岛动车段山东青岛 266000
        摘要：随着经济和科技水平的快速发展，磨粒磨损是指物体材料摩擦时由于摩擦副表面有凸起硬质颗粒或存在游离硬质颗粒对材料表面进行划擦而导致表层材料损伤或流失。轨道车辆基础制动主要是指盘形制动和闸瓦制动，盘形制动一般都应用于准动车组以上的车辆，制动盘对轨道车辆制动系统的制动性能具有重要影响。由于轨道车辆制动盘长期暴露在外界自然环境中，尤其是动车组在、风沙环境中进行制动时，闸片与制动盘之间存在第三体硬质颗粒对制动盘造成异常磨损。在制动过程中闸片表面硬质颗粒脱落或凸起都会导致制动盘产生磨粒磨损，从而使得制动盘的服役寿命降低。所以，研究动车组制动盘磨粒磨损特性及机理对提高动车组制动盘的摩擦学性能及稳定性，保证动车组安全平稳运行具有重要的理论意义和实践价值。
        关键词:　动车组；制动盘；偏磨；分析；建议
        引言
        动车组制动盘异常磨耗与冰冻寒冷天气及制动盘分布位置的相关性；能谱半定量及金相分析显示闸片上金属熔融物主要来自制动盘摩擦环，且制动盘摩擦面材料没有发生相变，现场调查了动车组制动盘异常磨耗情况，对各种可能引起制动盘异常磨耗的因素进行了分析，分析表明，长期载客量过少以及轮装制动盘的结构形式是造成该次制动盘不规则磨耗的主要原因。提出了切实可行的建议，以避免制动盘不规则磨耗超限。
        1原因分析
        1.1制动盘和闸片的批次
        经查证确认，组动车组所用的制动盘及制动闸片均为同一批次。根据两动车所制动盘磨耗情况，可确定制动盘的不规则磨耗与产品批次无关。另外，更高速度等级的动车组也有使用该型号的制动盘及闸片，经调查确认，其从未出现制动盘偏磨量大于0.8ｍｍ的情况。这进一步说明了该次制动盘不规则磨耗与产品本身性能没有关联性。
        1.2金属熔融物堆积原因分析
        1）闸片虚贴因素分析。正常情况下制动盘与闸片两侧间隙之和为1.5-4ｍｍ，而实际车上制动盘与闸片间隙往往是上小下大。现场调研发现部分闸片在静态时与制动盘有虚贴现象，另外还有一些制动盘与闸片之间的左右间隙差别较大也容易产生闸片偏磨或虚贴现象。闸片虚贴的结果是，当夹杂有沙粒等硬质颗粒的冰雪处于制动盘和闸片之间，制动后冰雪中的硬质颗粒容易夹在闸片摩擦块表面无法顺利排出，进而会对制动盘造成潜在的异常伤害。2）制动缓解不彻底因素分析。在制动过程中，制动盘和闸片会产生一定的热量，车辆运行扬起的积雪接触到温度较高的制动盘时会迅速融化并在离心力作用下甩在制动夹钳上，并逐渐形成很厚的冰冻包裹层。冰冻包裹层可能使制动结束后闸片不能彻底缓解，进而导致制动盘与闸片长期处于接触磨损（接磨）状态，持续磨损加速了制动盘及闸片的损伤。3）冷焊效应因素分析。由于动车组闸片是以铜和铁为主要成分的粉末冶金闸片，而制动盘材料为铸钢。这就使闸片与制动盘的金属接触面间在一定压力下有相对切削运动，进而使分子膜、污染膜被清除，氧化膜遭到破坏，金属裸露原子相互接触，为发生冷焊提供了条件。闸片和制动盘两接触面间发生的粘结和原子间的键结，即所谓的冷焊效应使闸片表面堆积金属熔融物成为可能。
        1.3载客量原因分析
        根据随车机械师和添乘人员反映，发现动车所1配备的4列动车组运营时载客较少，一般情况下每节车厢乘客仅为5-8人，即使是周末也只有10人左右。而动车所２配备的动车组运营时载客量相对较大，尤其是周末车厢可达满载。由于车辆长期载客量较少，致使其长期处于接近空载的整备质量下运营，从而使制动闸片相对制动盘的位置相对较为固定。当闸片与制动盘发生初始偏磨后，其无法通过载客量的变化使闸片相对制动盘的位置发生变化，来消除初始偏磨。由于车辆长期没有达到额定载荷和二系空气弹簧及其他悬挂部件等的非线性作用，致使近似整备重量的车辆构架上下振幅可能小于额定载荷的振幅，轮盘的最内侧的边缘处没有磨耗。

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而测量是以整个盘面为基础的，致使所测的偏磨量增大。
        2应对措施
        2.1加强日常检查
        制动盘划伤是一个积累的过程，如果在制动盘出现轻微划伤时，及时清理闸片上的异物，就不会导致严重的后果。因此建议运营单位在日常库检过程中，采用目测与触摸相结合的检查方法，一旦发现制动盘出现划伤，在当天动车组入库时应对出现划伤的制动盘对应的闸片进行拆检，清除闸片上的异物。如果闸片上有明显金属镶嵌，应对闸片进行更换。
        2.2制动盘划擦变形及划痕形貌分析
        单颗磨粒对制动盘划擦时产生划擦力，该划擦力分为法向力和切向力，这两个分力是造成制动盘表面出现塑性变形、犁沟及微屑的重要原因。通过观察发现磨粒刚切入时，制动盘表面与磨粒切削刃接触的两侧及前侧出现隆起，留下沟壑，在此期间还未出现材料脱落或流失，该阶段即耕犁阶段；随着磨粒不断向前推进，最终磨粒前端材料不断累积隆起，制动盘表面出现剥离，形成切屑，该阶段属于切削阶段。观察整个制动盘磨粒磨损过程，蠕墨铸铁受到磨粒冲击时，出现的最大等效应力超过极限强度380ＭＰａ时，蠕墨铸铁出现塑性变形。根据应力云图可以看出，最大应力主要分布在磨粒前端及两侧棱边，这是由于该部分应力集中，造成制动盘表面材料出现严重的塑性变形与断裂。
        2.3改进闸片结构
        根据表面设计相关原理，在保证与现车闸片接口尺寸、安装空间一致的情况下，对原车闸片各摩擦块之间间隙小导致冰雪不易脱落的现象，可对粉末冶金闸片结构进行优化通过加大闸片各摩擦块之间间隙，使摩擦块间的间隙连续、流畅，避免出现死角。在保证闸片制动摩擦磨损性能与现车闸片一致的前提下，改进闸片摩擦材料配方，适当减少闸片材料中铁元素的含量而增加铜元素的含量，使制动盘与闸片磨削物中的铁元素与制动盘铁元素之间有较强的亲和性降低，将会对制动盘和闸片摩擦副在天气环境中的工作特性起到良好的作用。
        2.4复合材料
        动车组制动盘用复合材料主要有铝基复合材料、碳／碳复合材料和陶瓷复合材料等。轻量化是动车组发展的主要方向之一，铝基复合材料具有密度小、比强度及比模量高、热膨胀系数低、耐磨性好等特点，受到广泛的关注。但是，温度超过400℃时铝基复合材料制动盘热损伤较严重，而动车组时速超过300ｋｍ／ｈ，其制动温度易超过600℃，限制了铝基复合材料在较高时速动车组领域的应用。目前，法国和日本分别在ＴＧＶ动车组及新干线上试行碳／碳复合材料制动盘。ＳＡＢ　Ｗａｂｃｏ公司开发的纤维增强陶瓷制动盘在法国ＴＧＶ动车组上进行了运行实验，但陶瓷复合材料制动盘的脆性高、韧性和疲劳性非常低，一旦产生裂纹易迅速扩展，并且制动过程易出现“颤抖”现象，影响了刹车的舒适性等，限制了其实际应用。综上所述，高速化、轻量化是动车组发展的两个重要方向，为适应动车组高速化和轻量化要求，应当注重高性能铸钢制动盘和铝基复合材料制动盘的研发，同时需对复合材料制动盘进行前瞻研究。
        结语
        我国动车组制动盘材料研发和产品制造已步入高速发展阶段。为适应动车组高速化和轻量化的发展要求，应当分别注重高性能铸钢制动盘和铝基复合材料制动盘的研发，同时需对复合材料制动盘进行前瞻研究。
        参考文献:
        [1]史俊玲．国外动车组技术特点及发展趋势研究［Ｊ］．世界铁路，2019（1）：.
        [2]董锡明．近代动车组技术进展［Ｊ］．铁道机车车辆，2018，26（5）：1．
        [3]盛欢，王泽华，邵佳，等．动车组制动盘材料的研究现状与展望［Ｊ］．机械工程材料，2019，10．