CRH2型動車組制動夾鉗閘片磨耗原因分析及改進建議

張祥杰，楊 凱，馬麗英，李海濤

（中車青島四方機車車輛股份有限公司，山東青島 266111）

0 引言

制動閘片是列車制動系統(tǒng)的重要組成部件，直接影響動車組制動性能。用制動夾鉗使閘片夾緊安裝在車鈾或車輪輻板上的制動盤，使閘片與制動盤間產(chǎn)生摩擦，把列車動能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?。隨著動車組運行，發(fā)現(xiàn)拖車制動閘片使用壽命明顯低于動車，測量發(fā)現(xiàn)拖車制動閘片磨耗量明顯高于動車閘片，同一副制動夾鉗外側(cè)閘片磨耗大于內(nèi)側(cè)，閘片存在偏磨現(xiàn)象。本文通過閘片磨耗現(xiàn)象，分析其磨耗規(guī)律，最后從制動閘片結(jié)構(gòu)和工作原理來說明磨耗的原因，并對降低閘片磨耗提出了相應(yīng)建議。

1 CRH2 型動車組制動夾鉗簡介

CRH2 型動車組轉(zhuǎn)向架基礎(chǔ)制動裝置主要由制動增壓缸、制動卡鉗、閘片及管路系統(tǒng)等部分組成。動車（M 車）和拖車（T 車）轉(zhuǎn)向架基礎(chǔ)制動裝置均采用壓縮空氣驅(qū)動的盤形制動方式，采用氣動式夾鉗、浮動式閘片。動車制動夾鉗裝置采用輪盤式，拖車采用輪盤與軸盤并用的方式，且用于拖車轉(zhuǎn)向架的輪盤制動夾鉗和軸盤制動夾鉗相同。CRH2 型動車組采用 RZKK 型氣動式制動夾鉗及浮動式粉末冶金閘片，可以使制動力分布更均勻，有效減少熱斑、顫振等，并可進一步減輕重量。M 車和 T 車制動閘片初始厚度為17 mm（包括閘片托）[1]，制動夾鉗裝置主要參數(shù)見表 1。

2 制動閘片磨耗測量

選取 T 車（編號為 1 車）輪盤、軸盤各一副制動夾鉗，選取 M 車（編號為 2 車）輪盤一副制動夾鉗作為研究對象。每副制動夾鉗上面選取 9 個閘片，測量時取 9個閘片平均磨耗量作為單個制動夾鉗的平均磨耗量。采用游標(biāo)卡尺測量閘片磨耗量，如圖 1 所示。

表1 制動夾鉗裝置主要參數(shù)

圖1 閘片磨耗測量點示意圖

該列車最高速度 300 km/h，采取每隔一段里程測量制動閘片磨耗量的方式，其數(shù)值為實際測量閘片厚度與原始厚度（原始厚度包括閘片托為 17 mm）之差，共計測量 5 次。制動夾鉗內(nèi)側(cè)、外側(cè)閘片磨耗量如圖 2、圖 3 所示，制動夾鉗閘片磨耗測量結(jié)果見表 2。根據(jù)測量結(jié)果得出以下結(jié)論。

（1）動車組制動夾鉗閘片磨耗隨里程增加而增大。

（2）在相同里程下，同一列動車閘片磨耗量大于拖車。在動車組運行至 21 萬km時，1 車 1 位輪盤外側(cè)閘片磨耗量是 2 車 1 位輪盤外側(cè)閘片磨耗量的 2.28 倍，閘片平均磨耗速度相差 2.375 倍。取閘片前 5 次平均磨耗速度均值，1 車 1 位輪盤外側(cè)閘片磨耗速度為 0.198 mm/萬km。按照 CRH2 型動車組檢修使用標(biāo)準(zhǔn)（包括閘片托在內(nèi)不低于 7 mm），1 車 1 位輪盤外側(cè)閘片理論計算使用極限為 50.5 萬km（實際使用至 48 萬km 更換），1 車 1 位軸盤外側(cè)閘片理論計算使用極限為 54.35 萬km（實際使用至 52萬km 更換），而同等狀況下 2 車 1 位輪盤外側(cè)閘片理論計算使用極限為 119 萬km，可見拖車閘片磨耗比動車嚴重（圖 4）。

（3）無論拖車還是動車，同一副制動夾鉗外側(cè)閘片平均磨耗量均大于內(nèi)側(cè)。1 車 1 位輪盤外側(cè)閘片平均磨耗量（5 次測量平均值）比內(nèi)側(cè)高出 15%，而 2 車 1 位輪盤外側(cè)閘片平均磨耗量比內(nèi)側(cè)高出 21%，即同一副制動夾鉗閘片存在偏磨現(xiàn)象。

圖2 制動夾鉗內(nèi)側(cè)閘片磨耗示意圖

圖3 制動夾鉗外側(cè)閘片磨耗示意圖

表2 制動夾鉗閘片磨耗測量數(shù)據(jù)

圖4 同里程下 1 車 1 位輪盤外側(cè)閘片和 2 車 1 位輪盤外側(cè)閘片磨耗對比圖

3 閘片磨耗原因分析

拖車閘片磨損過快、同一副制動夾鉗閘片偏磨等問題不但降低其使用壽命，還加大了動車組檢修維護成本?，F(xiàn)從 CRH2 型動車組制動夾鉗單元結(jié)構(gòu)及其工作原理入手，進行磨耗原因分析。

3.1 制動夾鉗單元結(jié)構(gòu)

CRH2 型動車組制動夾鉗結(jié)構(gòu)如圖 5 所示，主要由殼體、膜板風(fēng)缸、安裝座、進氣口、自動間隙調(diào)整結(jié)構(gòu)、夾鉗臂、閘片托、閘片等組成，閘片和閘片托之間采用卡簧將兩部件緊固在一起。動車組在制動時，來自中繼閥的壓縮空氣通過進氣口進入膜板風(fēng)缸，空氣壓力作用在活塞面上，轉(zhuǎn)化為活塞推力將制動缸絲杠推出，從而推動制動杠桿產(chǎn)生制動作用，將活塞力進行一定倍率的放大，轉(zhuǎn)化成制動夾鉗單元的閘片壓力施加到制動盤上，完成制動動作。

圖5 CRH2 型動車組制動夾鉗結(jié)構(gòu)示意圖

需要說明的是，該制動夾鉗開始制動時，壓縮空氣首先推動外側(cè)閘片貼緊制動盤，然后內(nèi)側(cè)閘片在夾緊力的反作用下才進行夾緊動作，即制動時制動夾鉗的外側(cè)閘片為主動側(cè)首先與制動盤接觸，稍后內(nèi)側(cè)閘片才與制動盤接觸，動作順序的不同必然引起磨耗量不同。

3.2 制動夾鉗工作原理

CRH2 型動車組制動系統(tǒng)采用電制動和空氣制動聯(lián)合的方式，制動單元采用 2M1T（2 個動車 1 個拖車為1 個制動單元組）或單獨 M 車（1 個動車為 1 個制動單元組）的制動編組型式。其中，對 T 車使用全機械制動方式，T 車所需制動力的部分或者全部以 M 車的再生制動力（此時牽引電動機轉(zhuǎn)變?yōu)榘l(fā)電機模式，將電能反饋給電網(wǎng)或消耗在制動電阻上）來負擔(dān)，負擔(dān)不了的部分由空氣制動來補足。再生制動和空氣制動的切換根據(jù)電空協(xié)調(diào)控制（圖 6），但速度低于 6 km/h 時，制動方式由電制動逐步轉(zhuǎn)換為空氣制動[2]。

3.3 制動系統(tǒng)工作原理

當(dāng)自動列車防護系統(tǒng)發(fā)出制動指令或司機施加制動時，制動控制裝置根據(jù)空氣彈簧載荷、運行速度等算出必要的制動力并進行分配。制動力首先由再生制動負擔(dān)，再生制動不足時，由制動夾鉗施加空氣制動來彌補，而 2M1T 中空氣制動首先由拖車承擔(dān)不足部分，拖車空氣制動不足時再由動車空氣制動承擔(dān)[3]，其制動力分配原理如圖 7 所示。當(dāng)動車組制動時需要的制動力為FE，如果產(chǎn)生的再生制動力在FM與FE之間時，不足的制動力完全由拖車提供空氣制動；當(dāng)再生制動力處于 0 到FM之間時，所需制動力首先由拖車提供，不足部分由動車分擔(dān)。因此從制動原理來看，當(dāng)再生制動力不足時，首先由拖車承擔(dān)部分或者全部制動力，故無法避免拖車閘片磨損大于動車，但可以采取適當(dāng)措施減輕閘片磨損。

4 降低閘片磨耗建議

由于列車施加空氣制動時優(yōu)先讓拖車負擔(dān)，為了減少拖車閘片磨損，減輕同一副制動夾鉗閘片偏磨現(xiàn)象，現(xiàn)從以下幾個方面提出改進建議。

4.1 提高再生制動力（電制動力）

由于列車制動時先進行再生制動，當(dāng)再生制動不足時首先由拖車空氣制動來彌補。因此，可以考慮提高牽引電機及逆變裝置的再生制動能力，降低拖車空氣制動力，從而降低拖車閘片磨耗。牽引電機選型時，不僅要關(guān)注牽引時的最大功率，更要關(guān)注制動時的最大功率，同時還要保證牽引逆變裝置能將如此大的再生能量轉(zhuǎn)化為電能并反饋回電網(wǎng)。另外，制動控制裝置計算制動力時還要參考車輛所受載荷，如能保證車輛安全運行，適當(dāng)降低車輛自身重量，進行輕量化設(shè)計，那么動車組制動時施加制動力也會減少，進而降低閘片磨損，節(jié)約成本。

圖6 電空制動轉(zhuǎn)換示意圖

圖7 2M1T 制動單元制動力分配原理

4.2 合理設(shè)計電空轉(zhuǎn)換點速度

由圖 6 可以看出，在速度低于 6 km/h 時電制動力逐漸由空氣制動替代，若合理匹配電空速度轉(zhuǎn)換點，延長電制動作用時間，降低空氣制動作用時間，也可以減少閘片磨損，因此可以考慮從動車組電空轉(zhuǎn)換單元控制設(shè)計角度進行合理匹配。

4.3 改變制動夾鉗制動方式

由于制動夾鉗制動時首先推動外側(cè)閘片貼緊制動盤，造成外側(cè)閘片磨耗比內(nèi)側(cè)多，因此可以考慮改變制動夾鉗制動方式，改為兩側(cè)閘片同時貼緊制動盤進行制動，減輕同一副制動閘片偏磨現(xiàn)象，提高閘片使用壽命。另外，從設(shè)計角度在閘片托與吊銷間設(shè)計限位，抑制閘片托與吊銷的相對轉(zhuǎn)動，也可以減輕閘片偏磨 。

4.4 加強制動系統(tǒng)檢修和司機操作習(xí)慣

若制動指令信號存在傳輸不良現(xiàn)象，則拖車接收不到延遲控制命令就會進行純空氣制動，此時閘片磨損急劇加大。因此，制動系統(tǒng)要加強日常檢查和維護，在保證安全制動距離范圍內(nèi)，司機盡量不要采用高一級別的制動和緊急制動等，以降低閘片磨損。

4.5 合理選擇制動計算摩擦系數(shù)

CRH2 型動車組制動系統(tǒng)采用減速度控制模式，在制動過程中，制動控制單元根據(jù)制動級位、載荷狀態(tài)和當(dāng)前速度，計算制動缸壓力。動車組按照設(shè)置的制動減速度進行減速制動，根據(jù)不同車速選擇合理的制動計算摩擦系數(shù)。動車組實施制動時，實際制動減速度應(yīng)與設(shè)計制動減速度基本一致。文獻[4]、[5]進行了理論研究和摩擦系數(shù)試驗優(yōu)化，可以充分利用盤片的實際摩擦性能，有效降低閘片磨耗。

建議采用新材料提高工藝水平，設(shè)計出抗磨性較好的閘片，提高閘片使用壽命。文獻[6]、[7]等已做相關(guān)研究，本文不再敘述。另外，除了車輛本身要求外，接觸網(wǎng)設(shè)計、車輛運行圖編制等因素也對閘片磨耗有影響。文獻[8]中就提出：①在編制運行圖時合理制訂運行標(biāo)尺，適當(dāng)增加起停附加時間；②在接觸網(wǎng)設(shè)計中，靠近車站兩端盡量不設(shè)分相區(qū)，使動車組進站減速時可最大程度利用再生制動。

5 結(jié)束語

隨著動車組運營里程增加，拖車閘片出現(xiàn)比動車閘片磨損更嚴重的現(xiàn)象，造成拖車閘片使用壽命縮短，列車運行經(jīng)濟成本增加。本文選取某列速度為 300 km/h的 CRH2 型動車組作為研究對象，每隔一定里程測量同一制動單元內(nèi)動車和拖車的指定位置制動閘片磨耗量，分析其磨耗規(guī)律，最后指出列車本身制動方式是造成拖車閘片偏磨的主要原因，建議采取兩側(cè)同時夾緊制動盤的策略，同時加強新材料的研制，建立必要的維護監(jiān)管機制，加大檢修力度，及早發(fā)現(xiàn)和消除故障隱患，提高閘片使用壽命。