風(fēng)沙環(huán)境下高速動(dòng)車(chē)組制動(dòng)盤(pán)磨耗 跟蹤試驗(yàn)研究

楊欣，周偉，馮永華，付少青，吳依桐

（1.中國(guó)中車(chē)青島四方機(jī)車(chē)車(chē)輛股份有限公司，山東青島266111； 2.中南大學(xué)交通運(yùn)輸工程學(xué)院，軌道交通安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南長(zhǎng)沙410075）

高速動(dòng)車(chē)組運(yùn)行速度快，關(guān)鍵設(shè)備可靠性要求相對(duì)較高. 制動(dòng)系統(tǒng)的重要性更是不言而喻[1-4]. 制動(dòng)盤(pán)對(duì)高速動(dòng)車(chē)組的運(yùn)行安全和制動(dòng)能力有至關(guān)重要的作用. 隨著運(yùn)行里程的增加，制動(dòng)盤(pán)異常磨耗現(xiàn)象較為嚴(yán)重[5-6]，特別是西北地區(qū)風(fēng)沙氣候特征，給動(dòng)車(chē)組正常運(yùn)行帶來(lái)了嚴(yán)峻考驗(yàn)，制動(dòng)盤(pán)異常磨耗就是亟待解決的問(wèn)題之一.

針對(duì)磨耗問(wèn)題，已有學(xué)者做了大量研究，主要包括理論分析[7-8]與試驗(yàn)檢測(cè). 屠宣等[9]認(rèn)為拖車(chē)制動(dòng)盤(pán)磨耗過(guò)快的根本原因是制動(dòng)摩擦副選配不當(dāng)，通過(guò)新閘片選型試驗(yàn)驗(yàn)證，新閘片的使用極大緩解了制動(dòng)盤(pán)快速磨耗的趨勢(shì). 劉振明等[10]對(duì)各型裝用轉(zhuǎn)K6 型轉(zhuǎn)向架的貨車(chē)車(chē)輪磨耗情況進(jìn)行了實(shí)測(cè)，認(rèn)為轉(zhuǎn)向架采用柔性支點(diǎn)后，可基本消除轉(zhuǎn)K6 轉(zhuǎn)向架車(chē)輪踏面圓周磨耗和輪緣磨耗不均的現(xiàn)象. 許松波等[11]采用激光測(cè)量技術(shù)完成制動(dòng)閘片磨耗測(cè)量的自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)，能全天候提供準(zhǔn)確的閘片厚度測(cè)量值，對(duì)超過(guò)閘片磨耗限度的輪對(duì)能準(zhǔn)確提供故障定位，實(shí)現(xiàn)狀態(tài)跟蹤.

以上研究大多關(guān)注環(huán)境條件較好的路線(xiàn)，對(duì)于特殊服役環(huán)境下（如風(fēng)沙地區(qū)）的制動(dòng)盤(pán)磨耗問(wèn)題鮮有研究. 對(duì)風(fēng)沙環(huán)境下高速動(dòng)車(chē)組而言，風(fēng)沙服役環(huán)境是引起制動(dòng)盤(pán)異常磨損的主要原因之一，風(fēng)沙服役環(huán)境下動(dòng)車(chē)組轉(zhuǎn)向架的運(yùn)行氣動(dòng)特性，會(huì)導(dǎo)致制動(dòng)磨耗高于其他線(xiàn)路，因此分析風(fēng)沙天氣對(duì)制動(dòng)盤(pán)磨耗的影響是有必要的. 本文采用專(zhuān)用磨耗測(cè)量裝置對(duì)各車(chē)轉(zhuǎn)向架制動(dòng)盤(pán)（輪盤(pán)及軸盤(pán)）內(nèi)外側(cè)盤(pán)面磨耗量進(jìn)行跟蹤測(cè)量，分析風(fēng)沙服役環(huán)境下各車(chē)制動(dòng)盤(pán)平均當(dāng)量磨耗率規(guī)律，為科學(xué)合理設(shè)計(jì)初始磨耗厚度、制定制動(dòng)盤(pán)更換周期、提高風(fēng)區(qū)鐵路動(dòng)車(chē)組的服役能力提供依據(jù).

1 試驗(yàn)方法

某運(yùn)營(yíng)于風(fēng)沙地區(qū)的8 編組動(dòng)車(chē)組由4 輛拖車(chē)、4 輛動(dòng)車(chē)組成，每輛車(chē)設(shè)置2 個(gè)轉(zhuǎn)向架，每轉(zhuǎn)向架設(shè)置2 條車(chē)軸. 1 車(chē)、4 車(chē)、5 車(chē)、8 車(chē)為拖車(chē)，每條拖車(chē)轉(zhuǎn)向架車(chē)軸設(shè)置有2 套輪盤(pán)和2 套軸盤(pán)，2 車(chē)、3 車(chē)、6 車(chē)、7 車(chē)為動(dòng)車(chē)，每條動(dòng)車(chē)轉(zhuǎn)向架車(chē)軸設(shè)置有2 套輪盤(pán).

轉(zhuǎn)向架制動(dòng)盤(pán)磨耗測(cè)量采用專(zhuān)用磨耗測(cè)量裝置（如圖1），對(duì)各車(chē)制動(dòng)盤(pán)內(nèi)外側(cè)盤(pán)面進(jìn)行測(cè)量. 每個(gè)盤(pán)面按0°、90°、180°和270°4 個(gè)角度，每個(gè)角度在外邊沿、中部和內(nèi)邊沿3 個(gè)位置進(jìn)行測(cè)量，一個(gè)盤(pán)面總計(jì)測(cè)量12 個(gè)數(shù)據(jù).

各單側(cè)盤(pán)面測(cè)試結(jié)果取 12 個(gè)測(cè)量值的平均值，輪盤(pán)或軸盤(pán)內(nèi)外盤(pán)面的磨耗測(cè)試結(jié)果取和，即為該輪盤(pán)或軸盤(pán)的雙邊總磨耗量.

圖1 轉(zhuǎn)向架輪盤(pán)、軸盤(pán)磨耗測(cè)量工具

2 數(shù)據(jù)分析

2016 年4 月18 日至2018 年10 月25 日，動(dòng)車(chē)組在106.52 萬(wàn)公里服役運(yùn)行期間，共進(jìn)行輪盤(pán)、軸盤(pán)磨耗測(cè)量16 次，每次磨耗測(cè)量分別與運(yùn)行天數(shù)和所發(fā)生風(fēng)沙的天數(shù)的對(duì)比如圖2 所示.

將每輛車(chē)轉(zhuǎn)向架的車(chē)軸按照從一位端到二位端的縱向方向進(jìn)行區(qū)分，如1 位軸、2 位軸、3 位軸、4 位軸. 制動(dòng)盤(pán)按1 位側(cè)、2 位側(cè)的橫向方向進(jìn)行區(qū)分，如1 軸1 位側(cè)軸盤(pán). 以下分別就各車(chē)制動(dòng)盤(pán)磨耗量對(duì)比、風(fēng)沙服役環(huán)境影響特性?xún)煞矫?，?duì)16 次輪盤(pán)、軸盤(pán)的磨耗量測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析.

2.1 制動(dòng)盤(pán)磨耗量對(duì)比分析

將轉(zhuǎn)向架輪盤(pán)、軸盤(pán)雙邊總磨耗實(shí)測(cè)值隨運(yùn)行里程變化的散點(diǎn)圖繪制曲線(xiàn)如圖3、圖4 所示.

圖2 跟蹤期間磨耗測(cè)量情況

圖3 各車(chē)轉(zhuǎn)向架制動(dòng)輪盤(pán)磨耗隨運(yùn)行里程變化散點(diǎn)曲線(xiàn)圖

圖4 各車(chē)轉(zhuǎn)向架制動(dòng)軸盤(pán)磨耗隨運(yùn)行里程變化散點(diǎn)曲線(xiàn)圖

由統(tǒng)計(jì)散點(diǎn)圖可知，隨著試驗(yàn)車(chē)運(yùn)行里程的增加，各輪盤(pán)、軸盤(pán)雙邊總磨耗量整體呈線(xiàn)性增長(zhǎng)趨勢(shì)，對(duì)各車(chē)不同軸不同部位，其磨耗分布有一定差異：

1）當(dāng)運(yùn)行里程達(dá)106.52 萬(wàn)公里時(shí)，轉(zhuǎn)向架輪盤(pán)雙邊磨耗量在頭尾拖車(chē)1 車(chē)（0.876 ～1.186 mm）、8 車(chē)（ 0.857 ～1.140 mm）、中間動(dòng)車(chē) 2 車(chē)（ 0.896 ～1.209 mm ）、3 車(chē)（ 0.888 ～1.103 mm）、6 車(chē)（0.920 ～1.192 mm）、7 車(chē)偏大（ 0.895 ～1.148 mm），而中間拖車(chē) 4 車(chē)（ 0.865 ～0.920 mm）、5 車(chē)（0.883 ～1.024 mm）偏?。惠S盤(pán)的雙邊磨耗量在拖車(chē)1 車(chē)（0.915 ～1.178 mm）、4 車(chē)（0.864 ～1.239 mm）、5 車(chē)（0.870 ～1.228 mm）、8 車(chē)（0.913 ～1.172 mm）的測(cè)量值差異不大.

2）對(duì)于各車(chē)轉(zhuǎn)向架不同軸側(cè)制動(dòng)輪盤(pán)、軸盤(pán)雙邊磨耗，中間拖車(chē)4 車(chē)、5 車(chē)各軸各側(cè)輪盤(pán)磨耗 量分布相對(duì)較為集中，而其他車(chē)輪盤(pán)、軸盤(pán)磨耗量較為分散（圖5），且高磨耗位置無(wú)明顯規(guī)律.

圖5 運(yùn)行里程106.52 萬(wàn)公里時(shí)各車(chē)各軸雙邊總磨耗量變化柱狀圖

3）將輪盤(pán)、軸盤(pán)的單邊磨耗平均值分別作為該輛車(chē)轉(zhuǎn)向架輪盤(pán)與軸盤(pán)單邊磨耗量，當(dāng)運(yùn)行里程達(dá)106.52 萬(wàn)公里時(shí)，各車(chē)輪盤(pán)、軸盤(pán)平均單邊磨耗量與當(dāng)量磨耗率（磨耗量/運(yùn)行里程）對(duì)比柱狀圖如圖6 所示.

圖6 運(yùn)行里程106.52 萬(wàn)公里時(shí)各車(chē)平均磨耗量與當(dāng)量磨耗率對(duì)比柱狀圖

從各車(chē)輪盤(pán)的平均磨耗量分布來(lái)看，中間拖車(chē)4 車(chē)、5 車(chē)的磨耗量偏小，而動(dòng)車(chē)2 車(chē)、6 車(chē)的磨耗量偏大，軸盤(pán)磨耗量各拖車(chē)差異不大；另外，各車(chē)制動(dòng)輪盤(pán)、軸盤(pán)的單邊平均當(dāng)量磨耗率均高于每萬(wàn)公里0.004 mm，要高于每萬(wàn)公里0.003 5 mm 的非風(fēng)沙地區(qū)動(dòng)車(chē)組制動(dòng)盤(pán)單邊磨耗率，這是由于風(fēng)沙服役環(huán)境的影響所致.

2.2 風(fēng)沙服役環(huán)境影響分析

為定性分析風(fēng)沙天氣對(duì)動(dòng)車(chē)組運(yùn)行的影響，結(jié)合圖2 的動(dòng)車(chē)組運(yùn)行天數(shù)和出現(xiàn)風(fēng)沙天數(shù)，計(jì)算當(dāng)次磨耗測(cè)量的風(fēng)沙天氣影響系數(shù)wα （wα =風(fēng)沙天數(shù)/動(dòng)車(chē)組運(yùn)行天數(shù)）. 為定量分析風(fēng)沙氣候條件的影響特性，計(jì)算各相鄰磨耗測(cè)量期間制動(dòng)輪盤(pán)、軸盤(pán)的當(dāng)量磨耗率（即相對(duì)磨耗增量與運(yùn)行里程增量之間的比值，第1 次不計(jì)入），以各次測(cè)量期內(nèi)的風(fēng)沙天氣影響系數(shù)為橫坐標(biāo)，以對(duì)應(yīng)期間內(nèi)各制動(dòng)輪盤(pán)/軸盤(pán)當(dāng)量磨耗率為縱坐標(biāo)繪制散點(diǎn)圖.

為便于分析，此處僅以各車(chē)的輪盤(pán)、軸盤(pán)平均當(dāng)量磨耗率進(jìn)行分析，繪制的各車(chē)階段當(dāng)量磨耗率與風(fēng)沙天數(shù)影響系數(shù)之間的散點(diǎn)圖及線(xiàn)性擬合直線(xiàn)如圖7 所示. 為定量分析風(fēng)沙天數(shù)對(duì)制動(dòng)盤(pán)/閘片當(dāng)量磨耗率的貢獻(xiàn)占比，將圖7 中各散點(diǎn)圖的線(xiàn)性擬合方程整理成y = k ? x + b 的形式（ x 為風(fēng)沙天數(shù)影響系數(shù)， y 為當(dāng)量磨耗率，k 和b 為擬合系數(shù)）.

圖7 各車(chē)輪盤(pán)/軸盤(pán)階段當(dāng)量磨耗率與風(fēng)沙天數(shù)影響系數(shù)的散點(diǎn)分布圖

由各車(chē)輪盤(pán)、軸盤(pán)階段當(dāng)量磨耗率與風(fēng)沙天數(shù)影響系數(shù)之間的散點(diǎn)擬合關(guān)系可知，風(fēng)沙天數(shù)對(duì)試驗(yàn)車(chē)運(yùn)行天數(shù)的占比系數(shù)，正影響各車(chē)輪盤(pán)/軸盤(pán)的階段當(dāng)量磨耗率，即當(dāng)風(fēng)沙天數(shù)占比越高，制動(dòng)盤(pán)/閘片當(dāng)量磨耗率呈線(xiàn)性增長(zhǎng)趨勢(shì).

線(xiàn)性擬合方程y = k ? x + b 中，系數(shù)k 表征風(fēng)沙天數(shù)對(duì)當(dāng)量磨耗率影響的線(xiàn)性系數(shù)，定義風(fēng)沙天數(shù)影響系數(shù)對(duì)當(dāng)量磨耗率的貢獻(xiàn)比為風(fēng)沙致磨耗率增量與總當(dāng)量磨耗率的比值，即k ?x /( k? x + b) ?100%，得到各車(chē)風(fēng)沙天數(shù)影響系數(shù)為1.0 時(shí)對(duì)當(dāng)量磨耗率的貢獻(xiàn)比如表1 所示.

表1 各車(chē)風(fēng)沙天數(shù)影響系數(shù)（×10-3）與當(dāng)量磨耗率散點(diǎn)圖擬合系數(shù)及貢獻(xiàn)占比

由計(jì)算結(jié)果可知，當(dāng)跟蹤期間試驗(yàn)車(chē)運(yùn)行天數(shù)全為風(fēng)沙天時(shí)，風(fēng)沙天數(shù)影響系數(shù)（值取1.0）對(duì)各車(chē)輪盤(pán)/軸盤(pán)當(dāng)量磨耗率的貢獻(xiàn)占比在8.2%～10.4%之間. 其中，風(fēng)沙影響貢獻(xiàn)占比最大是4 車(chē)輪盤(pán)和5 車(chē)輪盤(pán)，最小是2 車(chē)輪盤(pán)和5 車(chē)軸盤(pán).

3 結(jié)論

本文首次對(duì)110 萬(wàn)公里運(yùn)行周期內(nèi)的動(dòng)車(chē)組轉(zhuǎn)向架制動(dòng)輪盤(pán)、軸盤(pán)磨耗量開(kāi)展了風(fēng)沙環(huán)境下的跟蹤測(cè)試和分析工作，得到結(jié)論如下：

當(dāng)運(yùn)行里程達(dá) 106.52 萬(wàn)公里時(shí)，轉(zhuǎn)向架制動(dòng)輪盤(pán)和制動(dòng)軸盤(pán)雙邊總磨耗量最大值分別為1.186 mm（頭尾拖車(chē)1 車(chē)），1.209 mm（中間動(dòng)車(chē)2 車(chē)）和1.239 mm（中間拖車(chē)4 車(chē)）；對(duì)于各轉(zhuǎn)向架不同軸不同側(cè)的輪盤(pán)、軸盤(pán)雙邊磨耗量，中間拖車(chē)4 車(chē)、5 車(chē)各軸各側(cè)的輪盤(pán)磨耗量分布相對(duì)偏小且較為集中，而其他車(chē)的輪盤(pán)、軸盤(pán)磨耗量較為分散. 由于風(fēng)沙服役環(huán)境下各車(chē)制動(dòng)輪盤(pán)、軸盤(pán)的單邊平均當(dāng)量磨耗率均高于每萬(wàn)公里0.004 mm，要高于每萬(wàn)公里0.0035 mm 的非風(fēng)沙地區(qū)動(dòng)車(chē)組制動(dòng)盤(pán)單邊磨耗率. 當(dāng)風(fēng)沙天數(shù)在試驗(yàn)車(chē)運(yùn)行天數(shù)中占比系數(shù)越高時(shí)，制動(dòng)盤(pán)/閘片當(dāng)量磨耗率呈線(xiàn)性增加，當(dāng)相鄰測(cè)量期全為風(fēng)沙天時(shí)，各車(chē)輪盤(pán)/軸盤(pán)當(dāng)量磨耗率的貢獻(xiàn)占比在8.2%～10.4%之間.

相比現(xiàn)有針對(duì)制動(dòng)盤(pán)磨耗理論計(jì)算、閘片選型與制動(dòng)系統(tǒng)匹配的磨耗研究，本文工作首次開(kāi)展風(fēng)沙服役環(huán)境下的動(dòng)車(chē)組大交路、長(zhǎng)服役周期制動(dòng)盤(pán)磨耗跟蹤試驗(yàn)，研究成果可為風(fēng)沙區(qū)與非風(fēng)沙區(qū)鐵路動(dòng)車(chē)組制動(dòng)盤(pán)磨耗的差異化設(shè)計(jì)提供科學(xué)依據(jù)，為制動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)行維護(hù)提供合理建議.