跨坐式單軌車基礎(chǔ)制動(dòng)用閘片磨耗過(guò)快原因分析

宋躍超，吳 晶，許和平，焦標(biāo)強(qiáng)，李繼山，韓曉輝，武青海

（1 北京縱橫機(jī)電技術(shù)開(kāi)發(fā)公司，北京100094；2 重慶市軌道交通（集團(tuán)）有限公司，重慶401120）

跨坐式單軌車基礎(chǔ)制動(dòng)用閘片磨耗過(guò)快原因分析

宋躍超1，吳 晶2，許和平2，焦標(biāo)強(qiáng)1，李繼山1，韓曉輝1，武青海1

（1 北京縱橫機(jī)電技術(shù)開(kāi)發(fā)公司，北京100094；2 重慶市軌道交通（集團(tuán)）有限公司，重慶401120）

在跨坐式單軌車輛運(yùn)用過(guò)程中，車輛運(yùn)營(yíng)考慮很多重要影響因素，比如安全可靠性、零部件使用壽命、舒適度等，其中車輛運(yùn)營(yíng)的經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)也是重點(diǎn)考慮的因素。前期重慶2號(hào)線延長(zhǎng)線使用國(guó)產(chǎn)閘片存在磨耗過(guò)快的問(wèn)題，閘片使用壽命為9萬(wàn)km，這不僅增加運(yùn)營(yíng)成本，同時(shí)還增加了維修和人力成本。針對(duì)進(jìn)口閘片和國(guó)產(chǎn)閘片進(jìn)行磨耗分析，利用1∶1制動(dòng)動(dòng)力試驗(yàn)和運(yùn)營(yíng)制動(dòng)曲線綜合分析，發(fā)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)閘片和國(guó)產(chǎn)電制動(dòng)性能略差，是影響閘片壽命的主要原因。建議改善車輛電制動(dòng)狀況，提升閘片自身性能，降低車輛運(yùn)營(yíng)成本。

跨坐式；閘片磨耗；單軌車

跨坐式單軌列車以其爬坡能力強(qiáng)、占地面積小、運(yùn)量適中、建設(shè)速度快等優(yōu)點(diǎn)，受到了山地城市、中小城市、海濱城市的青睞［1］。據(jù)統(tǒng)計(jì)，到2020年我國(guó)跨坐式單軌車輛線路規(guī)劃里程約300 km，遠(yuǎn)景總規(guī)模約900 km。目前國(guó)內(nèi)跨坐式單軌列車運(yùn)營(yíng)線路共計(jì)90 km，使用車輛532輛，共計(jì)1 064組摩擦副部件。摩擦副包含制動(dòng)盤和閘片，它們屬于制動(dòng)系統(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

由于跨坐式單軌列車運(yùn)行線路一般都具有坡度大且坡道多的特點(diǎn)，線路特點(diǎn)決定了單軌列車正常運(yùn)行過(guò)程中需要施加更多的制動(dòng)動(dòng)作，其制動(dòng)摩擦副所承受的熱負(fù)荷也會(huì)大于其他類型軌道交通車輛，如果單軌列車摩擦副選配不當(dāng)、電制動(dòng)發(fā)揮欠佳、控制策略不合理，則容易導(dǎo)致閘片出現(xiàn)異常磨耗的情況。例如2014年重慶2號(hào)線延長(zhǎng)線部分車輛使用的單軌閘片就出現(xiàn)了磨耗過(guò)快的問(wèn)題，使用壽命約9萬(wàn)km，遠(yuǎn)小于2號(hào)線單軌列車閘片約30萬(wàn)km的正常使用壽命。

為分析重慶2號(hào)線延長(zhǎng)線跨坐式單軌列車閘片磨耗過(guò)快的原因，本文從跨坐式單軌列車閘片摩擦—磨耗特性、列車電空混合制動(dòng)特性等方面對(duì)單軌車閘片磨耗過(guò)快原因進(jìn)行探討。

1　重慶2號(hào)線單軌列車閘片磨耗情況說(shuō)明及閘片介紹

重慶2號(hào)線車輛基本配置及閘片使用壽命統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1所示。此數(shù)據(jù)包括牽引、制動(dòng)控制、基礎(chǔ)制動(dòng)、客流量等信息。

表1　車輛配置及閘片壽命統(tǒng)計(jì)情況

2號(hào)線采用4輛編組+A牽引+a控制，基礎(chǔ)制動(dòng)中分別使用進(jìn)口和國(guó)產(chǎn)閘片，根據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)分析，以引進(jìn)車輛數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)，進(jìn)口閘片壽命要比國(guó)產(chǎn)閘片壽命約高18%。

2號(hào)線延長(zhǎng)線采用6輛編組+B牽引+b控制+國(guó)產(chǎn)閘片所構(gòu)成的車輛，該車輛閘片使用壽命為9萬(wàn)km，僅為引進(jìn)車輛使用閘片壽命的1/4。

2號(hào)線跨坐式單軌車使用的閘片總成包括：摩擦體、鋼背、燕尾、鉚釘4個(gè)零件，如圖1所示。

重慶2號(hào)線車輛共使用兩種制動(dòng)閘片，分屬兩個(gè)不同的生產(chǎn)廠家，但兩種閘片接口尺寸完全一致，測(cè)得兩種閘片的質(zhì)量及摩擦體密度值見(jiàn)表2所示。

圖1　三維爆炸視圖

表2　閘片摩擦體密度

從表2數(shù)據(jù)對(duì)比看，兩種閘片的摩擦體在質(zhì)量、密度存在差別。在體積一定的情況下，進(jìn)口閘片摩擦體質(zhì)量要多出4.6%。

2　閘片摩擦-磨耗特性分析

為了更深一層了解單軌閘片磨耗特性，使用1∶1制動(dòng)動(dòng)力試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行閘片磨耗特性分析。分別使用進(jìn)口閘片和國(guó)產(chǎn)閘片，采用原車空氣轉(zhuǎn)液壓制動(dòng)夾鉗單元，采用相同的法蘭連接制動(dòng)盤，采用相同的制動(dòng)次序、制動(dòng)壓力、制動(dòng)速度。單軌閘片在試驗(yàn)臺(tái)安裝情況見(jiàn)圖2。

圖2　閘片在制動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)安裝后示意圖

試驗(yàn)程序按照UIC 541相關(guān)規(guī)定進(jìn)行編制，試驗(yàn)程序涵蓋磨合制動(dòng)、單次緊急、潮濕制動(dòng)、靜摩擦試驗(yàn)、連續(xù)兩次緊急、模擬運(yùn)營(yíng)、坡道制動(dòng)。試驗(yàn)最高速度為85 km/h，最低速度20 km/h，試驗(yàn)慣量380.0 kg·m2［2］。

按照試驗(yàn)大綱，在1∶1制動(dòng)動(dòng)力試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行摩擦—磨耗特性試驗(yàn)，試驗(yàn)過(guò)程中記錄每次制動(dòng)試驗(yàn)的瞬時(shí)摩擦系數(shù)曲線及平均摩擦系數(shù)值，記錄每階段試驗(yàn)后的閘片剩余質(zhì)量。

2.1閘片摩擦系數(shù)特性分析

摩擦系數(shù)是影響閘片使用壽命因素之一。按照摩擦學(xué)理論，列車制動(dòng)過(guò)程摩擦副的摩擦系數(shù)高，會(huì)導(dǎo)致制動(dòng)功率急劇增加，制動(dòng)時(shí)間縮短，單位時(shí)間內(nèi)閘片承受熱量增加，進(jìn)而加劇閘片磨耗。

從摩擦系數(shù)角度進(jìn)行分析，在1∶1制動(dòng)動(dòng)力試驗(yàn)臺(tái)上，對(duì)兩種單軌閘片進(jìn)行摩擦特性試驗(yàn)。閘片采用相同的試驗(yàn)程序進(jìn)行對(duì)比，并對(duì)平均摩擦系數(shù)、制動(dòng)摩擦曲線進(jìn)行分析。平均摩擦系數(shù)值按制動(dòng)初速度分布見(jiàn)圖3，瞬時(shí)摩擦曲線見(jiàn)圖4、圖5。

圖3　不同制動(dòng)初速度下的平均摩擦系數(shù)

從圖3平均摩擦系數(shù)分布分析，進(jìn)口閘片平均摩擦系數(shù)比國(guó)產(chǎn)閘片偏低。相同閘片正壓力相同的情況下，平均摩擦系數(shù)較高者產(chǎn)生的制動(dòng)力更大，因此單位時(shí)間內(nèi)吸收能量較多，其制動(dòng)過(guò)程摩擦副的溫升也會(huì)偏高，一般情況下閘片磨耗會(huì)隨使用溫度的提高而增加。因此，在同一列車上安裝不同摩擦系數(shù)的閘片時(shí)，摩擦系數(shù)較高者會(huì)因其承受更多的制動(dòng)能量，其磨耗量也會(huì)偏大。

圖4　速度40 km/h制動(dòng)瞬時(shí)摩擦系數(shù)曲線

圖5　速度60 km/h制動(dòng)瞬時(shí)摩擦系數(shù)曲線

從圖4和圖5的制動(dòng)曲線中，可以看出國(guó)產(chǎn)閘片摩擦系數(shù)整體偏高，摩擦系數(shù)較高者會(huì)因其承受更多的制動(dòng)能量，其磨耗量也會(huì)偏大。

2.2閘片磨耗量特性分析

1∶1制動(dòng)動(dòng)力試驗(yàn)完成后，對(duì)試驗(yàn)過(guò)程中的閘片質(zhì)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，閘片剩余質(zhì)量跟蹤詳情見(jiàn)表3所示。

按照表3試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，國(guó)產(chǎn)閘片磨耗量明顯大于進(jìn)口閘片，磨耗量約高16%；根據(jù)試驗(yàn)臺(tái)所得出的磨耗量結(jié)果，按照磨耗到限為止，按兩者閘片磨耗體積相同，分析得出進(jìn)口閘片使用壽命比國(guó)產(chǎn)閘片使用壽命約高16%。

表3　單軌的閘片試驗(yàn)過(guò)程階段剩余質(zhì)量情況

3　車輛參數(shù)分析

按照第2節(jié)對(duì)閘片摩擦磨耗特性分析對(duì)比結(jié)果，單軌車使用的兩種閘片壽命與表1統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)相差很大。

在兩種閘片壽命差異的統(tǒng)計(jì)中，2號(hào)線延長(zhǎng)線使用的車輛電空混合制動(dòng)特性屬于不同配置。經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)跟蹤和電空混合制動(dòng)特性分析，對(duì)運(yùn)營(yíng)制動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集（見(jiàn)圖6、圖7）。

圖6　單軌車輛232號(hào)車運(yùn)營(yíng)制動(dòng)曲線

圖7　單軌車輛234號(hào)車運(yùn)營(yíng)制動(dòng)曲線

從圖6和圖7中分析，制動(dòng)過(guò)程開(kāi)始時(shí)，電制動(dòng)力響應(yīng)時(shí)間延后，造成車輛電制動(dòng)力不足，此時(shí)需要補(bǔ)加空氣制動(dòng)，增加閘片磨耗。圖中還可以看出，電制動(dòng)力發(fā)揮不穩(wěn)，當(dāng)電制動(dòng)力低，需補(bǔ)加空氣制動(dòng)，增加閘片磨耗。

4　結(jié)論與建議

綜合1∶1制動(dòng)動(dòng)力試驗(yàn)、閘片運(yùn)營(yíng)壽命數(shù)據(jù)、電空混合特性曲線等對(duì)比分析，總結(jié)得出關(guān)于閘片壽命的結(jié)論：

（1）單軌閘片方面

①國(guó)產(chǎn)閘片比進(jìn)口閘片磨耗量約高16%～18%。說(shuō)明在磨耗體積相同情況下，進(jìn)口閘片比國(guó)產(chǎn)閘片使用壽命約高16%～18%；

②國(guó)產(chǎn)閘片制動(dòng)摩擦系數(shù)偏高，制動(dòng)時(shí)間縮短，在相同制動(dòng)條件下，單位時(shí)間內(nèi)承擔(dān)制動(dòng)能量變大，使閘片壽命降低。

（2）牽引和制動(dòng)方面

①電制動(dòng)力響應(yīng)時(shí)間延后，造成車輛高速制動(dòng)時(shí)補(bǔ)加空氣制動(dòng)，使閘片壽命降低；

②電制動(dòng)力不穩(wěn)，造成間歇補(bǔ)加空氣制動(dòng)，使閘片壽命降低。

根據(jù)上述結(jié)論，給出建議如下：

①?gòu)碾娭苿?dòng)力角度出發(fā)，應(yīng)對(duì)產(chǎn)生電制動(dòng)力結(jié)構(gòu)和響應(yīng)時(shí)間進(jìn)行深入研究，使充分發(fā)揮電制動(dòng)力，這樣能保證有較大的車輛運(yùn)營(yíng)經(jīng)濟(jì)性；

②閘片自身性能提升，對(duì)進(jìn)口閘片材料成分、壓制工藝、摩擦磨耗等方面進(jìn)行深入研究，提高國(guó)產(chǎn)閘片品質(zhì)，降低車輛運(yùn)營(yíng)和維護(hù)成本。

［1］ 夏 帥，譚壽云，余接任.重慶單軌3號(hào)線車輛制動(dòng)力分配淺析［D］.國(guó)際單軌交通（重慶）高峰論壇論文集. 2013，（1）：214-219.

［2］ 李 科，蔣三青，蔣朝平，等.跨坐式單軌交通車輛用基礎(chǔ)制動(dòng)裝置國(guó)產(chǎn)制動(dòng)盤熱特性分析［J］.重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào)2010，24（4）：17-25.

Cause Analysis of Fast Abrasion of M onorail Vehicle Foundation Brake Pad

S O N G Yuechao1，W U Jing2，X U H eping2，JIA O Biaoqiang1，LI Jishan1，H A N Xiaohui1，W U Qinghai1
（1 Beijing Zongheng Electro-M echanical Technology Develop ment Co.，Beijing 100094，China；2 Chongqing Rolling Stock Co.，Ltd.，Chongqing 401120 Sichuan，China）

During the m onorail vehicle application process，the vehicle operation should consider a nu m ber ofim portant factors，such as security and reliability，co m ponent life，co mfort，etc.，in w hich the vehicle operator is also a key indicator of econo mic considerations. Pre Chongqing Line 2 extension cord use of do mestic excessive brake pad wear problems exist，brake pad life of 90，000 km，w hich not only increases operational costs，but also increased the maintenance and labor costs.Performed for im port and do mestic brake pads brake pad wear analysis using a 1：1 brake dynamic test and operate the brake curve co m prehensive analysis，found that do mestic electric brake pad and brake slightly worse performance，mainly due to the im pact of the brake pad life.It＇s reco m mended to im prove vehicle electric braking conditions and brake pad performances，and to reduce vehicle operating costs.

straddle；brake pad wear；m onorail vehicles

U239.5

A

10.3969/j.issn.1008-7842.2015.05.22

1008-7842（2015）05-0096-04

宋躍超（1982—）男，工程師（2015-04-03）