地鐵列車閘瓦金屬鑲嵌問題分析

劉立、高志良、李亞、宋相宇

（鄭州中建深鐵軌道交通有限公司，河南 鄭州450000）

0 引言

鄭州地鐵3號線電客車采用克諾爾制動系統、804型（C134040/11）合成閘瓦。正線運營期間，發生閘瓦金屬鑲嵌物掉落在運營線路的計軸設備附件事件，導致ZC無法判定計軸ARB占用，產生紫光帶，對行車造成一定影響。在車輛檢修及正線巡視中，也陸續發現該型閘瓦表面存在大小程度不一的金屬鑲嵌物。為了解決閘瓦金屬鑲嵌物問題，鄭州3號線進行了多項研究及對比測試，本文在此探討閘瓦金屬鑲嵌物規律及形成原因并提出解決措施。

1 閘瓦金屬鑲嵌物的機理分析

1.1 合成閘瓦材質的配方

合成閘瓦包括黏合基體、增強材料和減磨材料等，是根據一定比例混合后，壓制而成的摩擦材料。其中黏合基體中有酚醛樹脂，其特點是耐熱和增加黏度；增強材料包括各種纖維，如玻璃纖維、金屬纖維和碳纖維等，其特點是增強合成閘瓦的強度；減磨材料包括摩擦組元材料、潤滑材料等，增加閘瓦的耐磨性。

1.2 閘瓦的制動原理

合成閘瓦的制動形式有常用制動、緊急制動、停車制動、清潔制動。

1.2.1 常用制動工況下優先執行電制動，當電制動力無法滿足制動需求時，BCU計算空氣制動所需補償的制動力，并轉換成一定的制動缸壓力，使制動閘瓦與輪對踏面接觸，優先在拖車上施加氣制動。當電制動故障或拖車補充制動力不足時，在動車上施加氣制動。

1.2.2 緊急制動工況下施加氣制動，BCU根據載荷計算需要施加的制動缸壓力，在全車每根軸上施加氣制動。

1.2.3 停車過程中，速度小于12km/h，閘瓦施加一定預壓力用于踏面清掃。6km/h時牽引系統發出電制動退出信號，電制動力按照一定斜率下降，同時空氣制動力按照相同斜率上升，實現電空轉換的平滑過渡。

1.2.4 清潔制動的邏輯為每天早上4點時，列車進入清潔制動模式，重置“清潔制動”能量為0，并開始累計當天的清潔制動能量。當列車處于制動工況、列速度高于30km/h、累計清潔制動能量低于35MJ時，列車切除電制動，執行清潔制動。當列車未處于制動工況、列車速度低于50km/h，或累計清潔制動能量大于35MJ時，列車終止清潔制動[1]。

1.3 金屬鑲嵌物的外貌

金屬鑲嵌物大小形狀不一，其沿車輪圓周方向較長。正面光滑發亮，反面高低不平，因黏滿碳化物而發黑。金屬鑲嵌物的光亮表面放大后，可以觀察到表面高低不平，有黑有白，分布不均，有的還有平行排列的犁溝磨痕。

1.4 金屬鑲嵌物的成分分析

對金屬鑲嵌物取樣品進行能譜分析，并與閘瓦、軌道、輪對材質進行對比，各元素質量百分數見表1。

表1 金屬鑲嵌物成分分析

經對比分析，金屬鑲嵌物中的Mg、Si、Ca、Ba元素僅閘瓦包含，Mn、Cu元素僅輪對和軌道包含，Na元素軌道、輪對、閘瓦均不包含（可能來自線路中的水泥）。可見，金屬鑲嵌物形成受軌道、輪對、隧道環境等多方面的影響。

1.5 合成閘瓦金屬鑲嵌物形成的原理

合成閘瓦金屬鑲嵌物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：鋼磨屑在制動過程中受熱軟化，相遇時會黏連聚集成更大的金屬顆粒，附著在閘瓦踏面上并沿摩擦方向發生突變式的長大，成為宏觀上的金屬鑲嵌條狀物。第三步聚集：制動工況下，摩擦界面和磨屑溫度繼續增加時，金屬鑲嵌物硬度較大會刮削車輪踏面，產生更多、尺寸更大的金屬刮削屑，并兼并鄰近的條狀金屬鑲嵌物，產生第二次突變，形成塊狀金屬鑲嵌物[2]。

根據已有的研究表明，產生鋼磨屑的原因眾多，涉及閘瓦材質、硬度、潤滑能力，以及車輪、線路狀態，制動設置，甚至環境因素等影響（見圖1）。

圖1 鋼磨屑形成的因素

2 鄭州3號線閘瓦金屬鑲嵌物發生規律及影響因素

2.1 金屬鑲嵌物發生規律統計

定期分離閘瓦輪對，進行閘瓦摩擦面清理，對金屬鑲嵌物進行剔除、收集。經統計，幾輪清理中金屬鑲嵌物新增數量與列車總運營里程、期間運營里程均呈正相關。其中，拖車、1架、1軸較其他車、其他架、其他軸產生的金屬鑲嵌物數量偏多，質量偏重，且體積偏大。

2.2 金屬鑲嵌物的影響因素

2.2.1 閘瓦選型

經第三方單位檢測，發現克諾爾804型閘瓦其洛氏硬度僅為9.4，遠低于《城市軌道交通車輛制動系統第10部分：合成閘瓦技術規范》（T/CAMET04004.10—2018）要求的30～100HRR的標準，3號線使用硬度滿足規范的國產閘瓦進行對比試驗，發現同工況下國產閘瓦無金屬鑲嵌物產生。

2.2.2 行車線路

安排1輛列車僅在未經運營的新軌道上調試及運行，發現該車在新軌道運營后，產生的金屬鑲嵌物較其他車輛明顯增多。原因為當鋼軌上有異物、浮銹或表面狀態粗糙時，尤其是新線路剛投入使用時，異物可能會隨著車輪的轉動被帶入到車輪與閘瓦之間，易形成閘瓦金屬鑲嵌物。因此，在新線運營前，徹底、有效、高標準地打磨軌道，可以大大避免金屬鑲嵌物產生。

2.2.3 氣候條件

結合國內相關的資料，發現大多數金屬鑲嵌物出現在環境潮濕地區，鄭州3號線閘瓦金屬鑲嵌物也在夏季呈現大幅增加的趨勢。鄭州夏季經受暴雨后多條地鐵線路出現軌面生銹現象，金屬鑲嵌物也在短期內顯著增多。

2.2.4 電空制動分配與走行方向

正常情況下，拖車施加氣制動的頻次更多，更易產生金屬鑲嵌物。但鄭州3號線制動數據顯示，因客流量小，電制動力完全滿足常用制動下的制動需求，動車、拖車施加氣制動的時機完全一致（僅在緊急制動、停車制動、清潔制動時），鄭州3號線拖車較動車，1架較2架，1軸相較其他軸金屬鑲嵌物偏多的原因為其運行時在前，更易附著鐵銹及鋼軌磨屑[3]。

2.2.5 制動參數

分別安排部分列車采用取消制動預壓力、取消清潔制動、增大清潔制動退出能量值（從35MJ增加至45MJ）進行對比試驗。經對比分析，設置制動預壓力能有效減少金屬鑲嵌物產生。調整清潔制動功能后，金屬鑲嵌物數量無明顯變化。可見金屬鑲嵌物主要產生在每次停車過程中，非投入運營前，進行一次清潔制動能解決或緩解。

3 結語

中國城市軌道交通協會在合成閘瓦技術規范中規定，閘瓦摩擦面不得形成導致車輪損傷、異狀磨耗或影響制動摩擦性能的金屬鑲嵌。從鄭州3號線現場實際情況來看，合成閘瓦形成金屬鑲嵌物有線路情況、氣候情況、軌道表面狀態、制動模式以及閘瓦材質等多種因素。從地鐵運營方角度，提升合成閘瓦的生產工藝，使閘瓦摩擦因數曲線和黏著系數曲線得以較好地吻合，提升合成閘瓦的排屑能力和潤滑能力，使車輪和閘瓦容易形成良好的摩擦副關系，對治理和預防金屬鑲嵌物有重要意義。