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(tuán)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(tǒng)采用Cosid 804（C132945/011）合成閘瓦。在2017 年，車輛檢修中陸續(xù)發(fā)現(xiàn)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(chǎn)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(guī)律及形成原因并提出解決措施。

1 閘瓦金屬鑲嵌規(guī)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(tǒng)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(tǒng)及配套TKQ600BW05 合成閘瓦，對偶材質(zhì)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(xiàn)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(tǒng)及配套Jurid 836（C53912）閘瓦，對偶材質(zhì)均為R8T 輪對（硬度255-285HB）?，F(xiàn)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(fā)現(xiàn)A4 車及A5 二期車裝有Cosid 804 閘瓦發(fā)現(xiàn)金屬鑲嵌現(xiàn)象，其余無異常，如表1 及圖1 所示。從現(xiàn)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(zhì)及其硬度無關(guān)，僅與所配套使用閘瓦材質(zhì)相關(guān)。

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(fā)生于A 車

統(tǒng)計2017 年10 月～2018 年4 月，新增發(fā)現(xiàn)的90起金屬鑲嵌問題，A 車（即拖車）發(fā)現(xiàn)占68 起，占比例76%。此分析該現(xiàn)象與A5 車仍為BCU 管理電制動模式相關(guān)，因其電制動仍由BCU 申請管理，存在列車網(wǎng)絡(luò)傳輸延時，故此在高速電空混合制動過程，一個區(qū)間范圍需進(jìn)行十幾秒的高速補氣，每次補氣制動壓力可達(dá)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(yán)重。

圖2 A 車高速補氣現(xiàn)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(guān)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(chǎn)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(xù)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(jìn)行對閘瓦金屬磨屑進(jìn)行區(qū)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(jìn)行了EDS 分析，結(jié)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(gòu)成光亮的類金屬感，說明閘瓦中含鐵單質(zhì)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(jìn)一步對閘瓦中金屬的鐵元素進(jìn)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(zhì)分離

對Cosid 804 閘瓦進(jìn)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?dāng)嚢?，然后倒出上部液體。鐵的比重大，重復(fù)多次，分離出質(zhì)量較輕的組分并進(jìn)行烘干。

（3）磁力篩選

鐵單質(zhì)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(jīng)測試，篩選后物質(zhì)呈導(dǎo)電性，同時將物質(zhì)放入鹽酸中，可發(fā)現(xiàn)該物質(zhì)與鹽酸能進(jìn)行反應(yīng)產(chǎn)生大量氣泡。

能導(dǎo)電物質(zhì)可是金屬或石墨等其他物質(zhì)，常態(tài)下具有鐵磁性的物質(zhì)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(zhì)為鐵合金/氧化物。同時能與鹽酸反應(yīng)釋放氣體且具有磁性，則該物質(zhì)非弱酸鹽而是鐵單質(zhì)。

從結(jié)合形態(tài)分析，Cosid 804 閘瓦中含有行業(yè)中常用的鋼棉纖維。根據(jù)原始粉末和最終分離出的鋼棉質(zhì)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(rèn)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(jù)《GB/T13298-2015 金屬顯微組織檢驗方法》對金屬鑲嵌物進(jìn)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(zhì)的來源分析以及閘瓦硬度測試，總結(jié)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(jié)語

以上分析可以看出，Cosid 804（C132945/011）合成閘瓦材質(zhì)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(dǎo)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。