廣州地鐵二號線列車閘瓦金屬鑲嵌問題分析

黎澍

（廣州地鐵集團有限公司，廣東 廣州 510310）

引言

廣州地鐵二號線A5 型列車knorr 制動系統采用Cosid 804（C132945/011）合成閘瓦。在2017 年，車輛檢修中陸續發現該型閘瓦摩擦體存在大小程度不一的金屬鑲嵌物。部分閘瓦金屬鑲嵌物已掉落運營線路，對行車安全產生一定影響。為了解決A5 車閘瓦金屬鑲嵌問題，本文在此探討該型閘瓦金屬鑲嵌規律及形成原因并提出解決措施。

1 閘瓦金屬鑲嵌規律

1.1 集中于A5 車Cosid 804 合成閘瓦

二號線前17 列A5 一期車使用knorr 制動系統及配套Cosid 804（C132945/011）合成閘瓦，后11 列A5 二期車使用鐵科院EP08 制動系統及配套TKQ600BW05 合成閘瓦，對偶材質均為ER9 輪對（硬度262-311HB）。在相同的線路運營及相同制動管理條件下，后者在現場運營期間無金屬鑲嵌問題。

二號線A4 型車使用knorr 制動系統及配套Jurid 836（C53912）閘瓦，對偶材質均為R8T 輪對（硬度255-285HB）。現場試驗將2 對Cosid 804 閘瓦裝車于A4 車、將2 對Jurid 836 閘瓦裝車于A5 一期車以及將2 對Cosid 804 閘瓦裝車于A5 二期車。跟蹤1 個月后，發現A4 車及A5 二期車裝有Cosid 804 閘瓦發現金屬鑲嵌現象，其余無異常，如表1 及圖1 所示。從現場驗證可初步推斷，本次A5 車閘瓦金屬鑲嵌問題與輪對材質及其硬度無關，僅與所配套使用閘瓦材質相關。

表1 二號線合成閘瓦裝車運用

圖1 A4 車裝車Cosid 804 閘瓦（2 個月）

1.2 集中發生于A 車

統計2017 年10 月～2018 年4 月，新增發現的90起金屬鑲嵌問題，A 車（即拖車）發現占68 起，占比例76%。此分析該現象與A5 車仍為BCU 管理電制動模式相關，因其電制動仍由BCU 申請管理，存在列車網絡傳輸延時，故此在高速電空混合制動過程，一個區間范圍需進行十幾秒的高速補氣，每次補氣制動壓力可達1.0bar 以上，如圖2 所示。A 車氣制動上氣時間相對動車較長，故此A 車金屬鑲嵌問題相對較為嚴重。

圖2 A 車高速補氣現象

2 金屬鑲嵌機理及原因分析

2.1 金屬鑲嵌形成機理

有關研究表明高摩合成閘瓦金屬鑲嵌的形成可概括為一個“三步聚集”模型，第一步聚集：高摩合成閘瓦的增摩組元對車輪踏面的犁溝作用產生鋼磨屑，鋼磨屑聚集形成金屬鑲嵌點狀物；第二步聚集：制動工況中外部變化引起鋼磨屑增加，鋼磨屑在移動路徑上粘連成片，成為宏觀上的金屬鑲嵌條狀物；第三步聚集：制動工況中外部持續變化引起金屬鑲嵌條狀物二次突變，形成金屬鑲嵌塊狀物，直接影響制動性能及行車安全。

2.2 金屬鑲嵌原因分析

從“三步聚集”模型可知，金屬鑲嵌點狀物來源于磨屑中的金屬顆粒。在相同閘瓦磨耗量下，如果閘瓦同樣含金屬，則勢必會增加摩擦面磨屑的金屬含量。但在摩擦面是無法進行對閘瓦金屬磨屑進行區分和篩選，阻止其參與金屬鑲嵌的形成。所以，來自閘瓦的金屬顆粒不可避免熔入金屬鑲嵌物，增加閘瓦金屬鑲嵌的可能性。

表2 閘瓦斷面元素含量

圖3 閘瓦斷面能譜

2.2.1 尋找閘瓦中的金屬

針對Cosid 804 閘瓦斷面、閘瓦摩擦面和金屬鑲嵌物進行了EDS 分析，結果如下：

（1）閘瓦斷面的EDS 分析

從圖3 及表2 可看出，閘瓦斷面含較多金屬元素，除去常溫下較易氧化的鈉、鋇、鈣、鎂、鉀等活潑金屬元素之外，剩下的鋁、鐵元素可能性較大。

（2）閘瓦摩擦面的EDS 分析

從圖4 及表3 分析，在閘瓦摩擦面上的鐵元素含量迅速增加，整個摩擦面構成光亮的類金屬感，說明閘瓦中含鐵單質的可能性最大。

圖4 閘瓦摩擦面能譜

表3 閘瓦摩擦面元素含量

（3）金屬鑲嵌物的EDS 分析

從圖5 及表4 可看出，閘瓦鑲嵌物的成分主要是鐵，故進一步對閘瓦中金屬的鐵元素進行分析。

圖5 金屬鑲嵌物能譜

表4 金屬鑲嵌物表面元素分布

2.2.2 閘瓦金屬單質分離

對Cosid 804 閘瓦進行物理粉碎、淘洗分離、篩選及成分驗證，具體如下：

（1）物理粉碎

將閘瓦用銑刀慢速切割，粉碎成粉末。

（2）淘洗分離

將閘瓦粉料放入燒杯中，加水攪拌，然后倒出上部液體。鐵的比重大，重復多次，分離出質量較輕的組分并進行烘干。

（3）磁力篩選

鐵單質具有磁性，且閘瓦本身顯示出鐵磁性，故用強力磁鐵來吸附烘干的組分并不斷震蕩，倒掉無法吸附的組分，多次篩選后得到銀灰色短纖維。

（4）成分驗證

經測試，篩選后物質呈導電性，同時將物質放入鹽酸中，可發現該物質與鹽酸能進行反應產生大量氣泡。

能導電物質可是金屬或石墨等其他物質，常態下具有鐵磁性的物質可是鐵合金/氧化物或鈷、鎳等，從EDS 能譜分析無鈷、鎳兩種元素，則推測物質為鐵合金/氧化物。同時能與鹽酸反應釋放氣體且具有磁性，則該物質非弱酸鹽而是鐵單質。

從結合形態分析，Cosid 804 閘瓦中含有行業中常用的鋼棉纖維。根據原始粉末和最終分離出的鋼棉質量，估算Cosid 804 閘瓦中鋼棉含量在15%左右。

2.2.3 閘瓦硬度測試

為確認Cosid 804 閘瓦硬度情況，使用硬度計測試其洛氏硬度，因閘瓦硬度偏軟，無法測出該閘瓦本身HRR 硬度值。

2.2.4 金相組織分析

委托第三方根據《GB/T13298-2015 金屬顯微組織檢驗方法》對金屬鑲嵌物進行檢驗，基體組織為索氏體，少量珠光體、鐵素體，未見馬氏體及貝氏體。

2.3 問題原因

通過對Cosid 804 閘瓦及金屬鑲嵌物的EDS 分析、閘瓦金屬單質的來源分析以及閘瓦硬度測試，總結得出二號線A5 車閘瓦金屬鑲嵌問題的幾個可能原因：

（1）Cosid 804 閘瓦含15%左右鋼棉，增加了鋼磨屑中金屬的含量，加劇金屬鑲嵌的形成。

（2）Cosid 804 閘瓦硬度偏低，摩擦面的鋼磨屑容易被壓入摩擦面，無法及時排出，加劇閘瓦金屬鑲嵌的形成。

（3）從金屬鑲嵌物的金相組織分析中未見高硬度的馬氏體、貝氏體，表面金屬鑲嵌階段仍處于條狀物，對車輪踏面暫無明顯影響。

3 結語

以上分析可以看出，Cosid 804（C132945/011）合成閘瓦材質不良缺陷是A5 車閘瓦金屬鑲嵌問題的主要原因。為避免閘瓦金屬鑲嵌問題導致車輛制動性能失常及影響行車組織安全，在保證列車制動性能的前提下，選擇合適的合成閘瓦換型是直接有效的解決措施。