高寒動(dòng)車組制動(dòng)盤異常磨耗原因分析*

李繼山

(1　中國(guó)鐵道科學(xué)研究院　機(jī)車車輛研究所， 北京 100081;2　北京縱橫機(jī)電技術(shù)開發(fā)公司， 北京 100094)

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高寒動(dòng)車組制動(dòng)盤異常磨耗原因分析*

李繼山1，2

(1中國(guó)鐵道科學(xué)研究院機(jī)車車輛研究所， 北京 100081;2北京縱橫機(jī)電技術(shù)開發(fā)公司， 北京 100094)

調(diào)查分析了高寒動(dòng)車組制動(dòng)盤異常磨耗與冰凍寒冷天氣及制動(dòng)盤分布位置的相關(guān)性；能譜半定量及金相分析顯示閘片上金屬熔融物主要來自制動(dòng)盤摩擦環(huán)，且制動(dòng)盤摩擦面材料沒有發(fā)生相變，為進(jìn)一步分析指明了方向。分析表明，制動(dòng)盤異常磨耗是由極端寒冷的冰雪天氣環(huán)境、冷焊效應(yīng)、 淬火效應(yīng)、閘片虛貼、閘片結(jié)構(gòu)因素、夾鉗單元制動(dòng)緩解不徹底以及轉(zhuǎn)向架局部壓差和渦流效應(yīng)等多因素共同耦合作用的結(jié)果。提出了具有可操作的改進(jìn)措施，兩年的行車運(yùn)營(yíng)結(jié)果表明所采取措施取得了良好效果。

高寒動(dòng)車組； 制動(dòng)盤； 異常磨耗； 冷焊效應(yīng)； 淬火效應(yīng)

2012年12月初全長(zhǎng)904 km的哈大線高速鐵路開通，開創(chuàng)世界鐵路在高寒地區(qū)營(yíng)運(yùn)的新時(shí)代，它是世界上第一條在高寒地區(qū)建設(shè)的設(shè)計(jì)速度350 km/h高速鐵路，CRH380B高寒動(dòng)車組設(shè)計(jì)最高速度為350 km/h，實(shí)際持續(xù)運(yùn)營(yíng)的最高速度為300 km/h，也是世界上速度最快的高寒列車。哈大線開通伊始，CRH380B高寒動(dòng)車組運(yùn)營(yíng)平穩(wěn)、各項(xiàng)性能指標(biāo)優(yōu)異。隨著哈大線沿線普降暴雪，最低環(huán)境溫度降至-30℃以下，高寒動(dòng)車組基礎(chǔ)制動(dòng)問題開始暴露，基礎(chǔ)制動(dòng)裝置被冰雪包圍無法自動(dòng)散落以及制動(dòng)盤異常磨耗現(xiàn)象較為嚴(yán)重，見圖1～圖3。截止2013年1月3日已造成超過100例制動(dòng)盤異常磨耗，制動(dòng)盤摩擦面劃傷溝槽深度輕則1 mm重則7 mm(見圖4)，圖5為配對(duì)閘片摩擦面狀況。上述現(xiàn)象對(duì)列車運(yùn)營(yíng)造成了一定的影響。同時(shí)嚴(yán)寒冰雪條件下制動(dòng)盤異常磨耗現(xiàn)象已嚴(yán)重影響了運(yùn)營(yíng)單位對(duì)動(dòng)車組的正常維護(hù)工作，也大大增加了運(yùn)營(yíng)維護(hù)成本。

圖1　軸盤及夾鉗單元被冰雪包裹狀態(tài)

圖2　輪盤及夾鉗單元被冰雪包裹狀態(tài)

圖3　制動(dòng)盤與閘片之間的金屬熔融物

圖4　制動(dòng)盤異常磨耗情況

圖5　閘片摩擦面上的金屬熔融物

1　制動(dòng)盤異常磨耗原因分析

1.1金屬熔融物材料檢測(cè)分析

對(duì)閘片摩擦塊上的金屬鑲嵌物進(jìn)行金相分析及能譜半定量分析。分析檢測(cè)位置見圖6～圖7，在制作試樣過程中，由于試件破碎，因此各分析部分為大致位置。

圖6　金相分析試樣位置

圖7　能譜半定量分析試樣位置

(1) 能譜半定量分析

在顯微鏡下觀察表面形貌，并采用EDX半定量方法對(duì)試樣表面進(jìn)行成分分析，結(jié)果見圖8。能譜半定量分析結(jié)果顯示，金屬熔融物主要含C、Si、Mn、Cr、Mn等元素，與制動(dòng)盤技術(shù)材料相同，同時(shí)還存在氧化物及其他成分。

圖8　能譜半定量分析

(2) 金相分析

對(duì)被試金屬熔融物樣件磨制后用4%硝酸酒精腐蝕，其金相組織如圖9所示。分析結(jié)果顯示試樣金相組織為鐵素體和珠光體，該結(jié)果與制動(dòng)盤金相組織接近。

圖9　金屬熔融物金相組織

通過能譜半定量分析及金相組織分析,可以認(rèn)定閘片上金屬熔融物是從制動(dòng)盤盤環(huán)上刮下并轉(zhuǎn)移堆積到閘片表面上。

1.2金屬熔融物堆積原因分析

(1) 閘片虛貼因素分析

正常情況下制動(dòng)盤與閘片兩側(cè)間隙之和為1.5～4 mm，而實(shí)際車上制動(dòng)盤與閘片間隙往往是上小下大[1]。現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研發(fā)現(xiàn)部分閘片在靜態(tài)時(shí)與制動(dòng)盤有虛貼現(xiàn)象，另外還有一些制動(dòng)盤與閘片之間的左右間隙差別較大也容易產(chǎn)生閘片偏磨或虛貼現(xiàn)象。閘片虛貼的結(jié)果是，當(dāng)夾雜有沙粒等硬質(zhì)顆粒的冰雪處于制動(dòng)盤和閘片之間，制動(dòng)后冰雪中的硬質(zhì)顆粒容易夾在閘片摩擦塊表面無法順利排出，進(jìn)而會(huì)對(duì)制動(dòng)盤造成潛在的異常傷害。

(2) 制動(dòng)緩解不徹底因素分析

在制動(dòng)過程中，制動(dòng)盤和閘片會(huì)產(chǎn)生一定的熱量，車輛運(yùn)行揚(yáng)起的積雪接觸到溫度較高的制動(dòng)盤時(shí)會(huì)迅速融化并在離心力作用下甩在制動(dòng)夾鉗上，并逐漸形成很厚的冰凍包裹層(見圖1)。冰凍包裹層可能使制動(dòng)結(jié)束后閘片不能徹底緩解，進(jìn)而導(dǎo)致制動(dòng)盤與閘片長(zhǎng)期處于接觸磨損(接磨)狀態(tài)，持續(xù)磨損加速了制動(dòng)盤及閘片的損傷。

(3) 冷焊效應(yīng)因素分析

由于動(dòng)車組閘片是以銅和鐵為主要成分的粉末冶金閘片，而制動(dòng)盤材料為鑄鋼。這就使閘片與制動(dòng)盤的金屬接觸面間在一定壓力下有相對(duì)切削運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而使分子膜、污染膜被清除，氧化膜遭到破壞，金屬裸露原子相互接觸，為發(fā)生冷焊提供了條件[2]。閘片和制動(dòng)盤兩接觸面間發(fā)生的粘結(jié)和原子間的鍵結(jié)，即所謂的冷焊效應(yīng)使閘片表面堆積金屬熔融物成為可能。

1.3局部壓差和渦流作用的影響分析

圖10為發(fā)生在某局的CRH380B動(dòng)車組2012年冬季異常制動(dòng)盤所在位置統(tǒng)計(jì)情況。由圖10可以明顯看出，異常制動(dòng)盤絕大多數(shù)分布在第2,4,5,7車(拖車)，共109例，而分布在第1,3,6,8車(動(dòng)車)的異常磨耗制動(dòng)盤數(shù)量為21例。從對(duì)轉(zhuǎn)向架進(jìn)行空氣動(dòng)力學(xué)有限元分析結(jié)果看，動(dòng)車組在高速運(yùn)行過程中，拖車轉(zhuǎn)向架部位更容易產(chǎn)生局部壓差和渦流，容易使卷起的冰雪附著在轉(zhuǎn)向架部位，特別是基礎(chǔ)制動(dòng)被冰雪包圍更容易造成制動(dòng)摩擦副工作在潮濕環(huán)境，從而為制動(dòng)盤異常磨耗創(chuàng)造了條件。因此在冰雪天氣環(huán)境下，拖車轉(zhuǎn)向架局部壓差和渦流作用較強(qiáng)也是制動(dòng)盤異常磨耗的主要耦合原因之一。

圖10　異常磨耗制動(dòng)盤位置分布統(tǒng)計(jì)(2012年冬季)

1.4閘片結(jié)構(gòu)因素分析

CRH380B動(dòng)車組閘片由18個(gè)小摩擦塊組成，該閘片部分摩擦塊之間間隙較小，容易使異物夾雜在摩擦塊縫隙間，另外在冰雪天氣制動(dòng)過程中閘片及制動(dòng)盤之間的磨削物與冰雪混合物也容易留存在摩擦塊之間的縫隙中，從而可能對(duì)制動(dòng)盤造成潛在的異常劃傷現(xiàn)象[3]。

經(jīng)分析閘片摩擦材料化學(xué)成份可知，用于CRH380B高寒動(dòng)車組閘片主要金屬元素由Cu、Fe等元素組成。在高速摩擦制動(dòng)過程中，制動(dòng)盤與閘片磨削物中的鐵元素與制動(dòng)盤鐵元素之間有較強(qiáng)的親和性，使制動(dòng)盤在高溫環(huán)境下發(fā)生異常磨損成為可能。

1.5冰雪天氣對(duì)制動(dòng)盤異常磨耗影響分析

哈爾濱—大連(哈大線)開通不久，制動(dòng)盤劃傷主要集中在3個(gè)階段：2012年12月4日～8日、2012年12月22日和2012年12月30日～2013年1月1日。圖11 為制動(dòng)盤異常磨耗發(fā)現(xiàn)時(shí)間和故障數(shù)量柱狀圖。表1是哈大高鐵沿線沈陽(yáng)、大連、長(zhǎng)春和哈爾濱4地歷史天氣狀況。從圖10和表1能夠明顯看出制動(dòng)盤劃傷嚴(yán)重現(xiàn)象均出現(xiàn)在冰雪天氣當(dāng)日或之后的3日內(nèi)，說明制動(dòng)盤異常劃傷與冰雪天氣具有極大的相關(guān)性。

圖11　故障發(fā)生時(shí)間和故障數(shù)量

地點(diǎn)2012-12-022012-12-032012-12-042012-12-072012-12-082012-12-202012-12-212012-12-292012-12-302013-01-01沈陽(yáng)大雪大雪晴晴晴中雪小雪小雪晴陣雪大連暴雷中雪中雪小雪小雪小雪小雪小雪晴陣雪長(zhǎng)春中雷中雪晴晴小雪中雪小雪陣雪晴陣雪哈爾濱陣?yán)字醒┣缜珀囇╆囇╆囇┲醒┒嘣脐囇?/p>

1.6淬火效應(yīng)是制動(dòng)盤異常磨耗根本原因

在冰凍環(huán)境中運(yùn)行的高速列車閘片與制動(dòng)盤相互摩擦，路基中沙粒或者外來硬質(zhì)異物混合在冰雪中，并包裹在閘片和制動(dòng)夾鉗上不易排出。這些異物磨削了制動(dòng)盤，產(chǎn)生金屬磨屑或切削出金屬絲。金屬磨屑或金屬絲與制動(dòng)盤相比，熱容量小得多，所以在制動(dòng)時(shí)這些小塊金屬溫度比制動(dòng)盤溫度高很多，在冬季寒冷天氣時(shí)，它們的冷卻速度比制動(dòng)盤快很多，因而硬度比制動(dòng)盤高，所謂的淬火效應(yīng)，制動(dòng)摩擦?xí)r就容易從較軟的制動(dòng)盤向較硬的小塊金屬轉(zhuǎn)移。上述過程周而復(fù)始，就會(huì)加重磨削制動(dòng)盤。可見，嚴(yán)寒冰雪天氣是動(dòng)車組制動(dòng)盤異常劃傷現(xiàn)象的誘因，而外界硬質(zhì)顆粒異物夾在制動(dòng)盤和閘片摩擦面之間不能脫落引起制動(dòng)盤劃痕，由此產(chǎn)生的金屬切削物持續(xù)磨削制動(dòng)盤表面并導(dǎo)致金屬在閘片表面堆積，進(jìn)而造成對(duì)制動(dòng)盤摩擦表面異常劃傷。

2　應(yīng)對(duì)措施

針對(duì)哈大線動(dòng)車組冰雪環(huán)境下出現(xiàn)制動(dòng)盤劃傷現(xiàn)象，采取了以下應(yīng)對(duì)措施：

(1) 加強(qiáng)日常檢查。制動(dòng)盤劃傷是一個(gè)積累的過程，如果在制動(dòng)盤出現(xiàn)輕微劃傷時(shí)，及時(shí)清理閘片上的異物，就不會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的后果。因此建議運(yùn)營(yíng)單位在日常庫(kù)檢過程中，采用目測(cè)與觸摸相結(jié)合的檢查方法，一旦發(fā)現(xiàn)制動(dòng)盤出現(xiàn)劃傷，在當(dāng)天動(dòng)車組入庫(kù)時(shí)應(yīng)對(duì)出現(xiàn)劃傷的制動(dòng)盤對(duì)應(yīng)的閘片進(jìn)行拆檢，清除閘片上的異物。如果閘片上有明顯金屬鑲嵌，應(yīng)對(duì)閘片進(jìn)行更換。

(2) 進(jìn)庫(kù)采取除冰措施，充分去除轉(zhuǎn)向架部位的冰雪，出庫(kù)時(shí)轉(zhuǎn)向架須保持干燥狀態(tài)；出庫(kù)時(shí)施加除冰制動(dòng)，途中調(diào)速施加5級(jí)以上大壓力制動(dòng)。

(3) 改進(jìn)閘片結(jié)構(gòu)。根據(jù)表面設(shè)計(jì)相關(guān)原理，在保證與現(xiàn)車閘片接口尺寸、安裝空間一致的情況下，對(duì)原車閘片各摩擦塊之間間隙小導(dǎo)致冰雪不易脫落的現(xiàn)象，可對(duì)高寒粉末冶金閘片結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化通過加大閘片各摩擦塊之間間隙，使摩擦塊間的間隙連續(xù)、流暢，避免出現(xiàn)死角。在保證閘片制動(dòng)摩擦磨損性能與現(xiàn)車閘片一致的前提下，改進(jìn)閘片摩擦材料配方，適當(dāng)減少閘片材料中鐵元素的含量而增加銅元素的含量，使制動(dòng)盤與閘片磨削物中的鐵元素與制動(dòng)盤鐵元素之間有較強(qiáng)的親和性降低，將會(huì)對(duì)制動(dòng)盤和閘片摩擦副在高寒天氣環(huán)境中的工作特性起到良好的作用。

(4) 適當(dāng)加大制動(dòng)盤與閘片之間間隙。對(duì)制動(dòng)夾鉗單元結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，適當(dāng)加大制動(dòng)盤與閘片之間間隙，便于制動(dòng)盤與閘片之間的異物順利脫落。

(5) 應(yīng)急措施。對(duì)于必須上線運(yùn)行但需要旋修或更換制動(dòng)盤的車，可切除故障車單軸制動(dòng)或整車制動(dòng)；對(duì)于切除整車制動(dòng)的動(dòng)車組按中國(guó)鐵路總公司動(dòng)車組途中應(yīng)急故障處理手冊(cè)中相關(guān)規(guī)定限速運(yùn)行。

上述措施實(shí)施后，2013年和2014冬季CRH380B動(dòng)車組運(yùn)用狀況大大改善，制動(dòng)盤異常劃傷的數(shù)量已明顯減少，而且制動(dòng)盤劃傷的嚴(yán)重程度也遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于2012年冬季。

[1]韓曉輝,李業(yè)明,趙春光,等.高速動(dòng)車組制動(dòng)夾鉗單元運(yùn)行振動(dòng)分析[J],鐵道機(jī)車車輛,2011,31(10):117-120.

[2]黃真.碳鋼表面機(jī)械合金化制備高Cr合金層的研究[D],南京航空航天大學(xué),2008,44-46.

[3]李繼山,李和平,韓曉輝,等.高寒動(dòng)車組粉末冶金閘片研制[J],鐵路技術(shù)創(chuàng)新,2015,(2):95-98.

Analysis on Abnormal Wear of Brake Disc of Severe Winter Resistant EMU

LIJishan1，2

(1Locomotive and Research Institute, China Academy of Railway Sciences, Beijing 100081, China；2Beijing Zongheng Electro-Mechanical Technology Development Co., Beijing 100094, China)

It has been invested and analyzed that the relativity on severe winter climate and distribution of positions with abnormal wear of the brake disc of severe winter resistant EMU. The results of semi-quantitative spectroscopy and microstructure analysis showed that the metal melt on the brake pad was from the friction ring of the brake disc, and the metal melt microstructure from brake disc material didn't changed, which pointed out the direction of further study. Analysis results showed the reasons about abnormal wear brake discs as follows: extreme cold weather, cold welding effect, quenching effect, brake pad without fitting and disc ring, brake pad structural constraints, the caliper unit without releasing, partial pressure and eddy current coupling effects under the bogie, etc. which is the result of common coupling effect. Some improvement measures have been proposed，and driving operation results showed it has been achieved good results.

severe winter resistant EMU; brake disc; abnormal wear; cold welding effect; hardening effect

1008-7842 (2016) 02-0020-04

??)男，副研究員(

2015-11-09)

U266.2.8

Adoi:10.3969/j.issn.1008-7842.2016.02.04

*中國(guó)鐵路總公司科技研究開發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2014J004-G)；中國(guó)鐵道科學(xué)研究院科技研究開發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2014YJ046)