PEC7型踏面制動單元閘瓦非正常磨耗及損傷的研究與分析

潘炯，楊欣

（無錫地鐵集團(tuán)有限公司運營分公司車輛部檢修一車間，江蘇 無錫214000）

1 概述

無錫地鐵一號線列車制動采用電制動與空氣制動實時協(xié)調(diào)配合、電制動優(yōu)先、空氣制動延時投入的混合制動方式；每輛車上的制動系統(tǒng)的制動微機(jī)控制單元BECU應(yīng)能隨時根據(jù)車輛載荷及電制動的反饋信號來調(diào)節(jié)空氣制動力，以滿足不同工況時制動指令對制動力的要求；連續(xù)的混合作用可隨時改變制動缸的空氣壓力，從而使電制動力和空氣制動力之和滿足制動指令要求。如果電制動能力不能滿足制動指令要求，則由空氣制動自動補足。基礎(chǔ)空氣制動采用單元踏面制動形式，50%帶有停放制動功能。

一號線電客車基礎(chǔ)踏面制動單元采用的是PEC7型踏面制動單元，配合C141551/131型閘瓦，閘瓦符合CZJS/T 0013《城市軌道交通車輛合成閘瓦技術(shù)規(guī)范》的相關(guān)要求。閘瓦規(guī)格為320 mm×50 mm×80 mm；保證電客車在車輪和閘瓦極限溫升允許下，允許列車以最大的運行速度限定內(nèi)的各運行速度和AW3載荷條件下進(jìn)行停車；同時保證6輛編組的超員列車能安全停放在線路的最大坡道上。

2 故障描述

無錫地鐵一號線自2014-07開通以來至今，日常檢查作業(yè)中陸續(xù)報出閘瓦貫穿性裂紋故障，對于電客車正線行車安全埋下了很大的安全隱患，同時根據(jù)日常電客車輪對閘瓦日常消耗統(tǒng)計可以觀察出，各電客車不同輪對閘瓦磨耗差異較大，導(dǎo)致各閘瓦使用壽命不一，頻繁的閘瓦更換同時增加了一定的維護(hù)成本。

根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計顯示，一號線電客車自2014-04試運營至2017-03，各類閘瓦異常故障達(dá)80余起。一旦該類故障發(fā)現(xiàn)不及時，未及時更換新閘瓦，可能會導(dǎo)致該列車制動力不足、制動距離過長、沖標(biāo)等故障，嚴(yán)重時可能導(dǎo)致脫軌等事故發(fā)生。

3 故障現(xiàn)象

3.1 磨耗速度過快

2016-10，針對一號線部分閘瓦磨耗速度過快的問題，對一號線23列車進(jìn)行了抽樣調(diào)查，分別抽取0110、0112、0118、0119、0121、0123六列的閘瓦數(shù)據(jù)，根據(jù)測量結(jié)果及該車走行千米數(shù)得出該車閘瓦平均磨耗速度。

3.2 閘瓦裂紋

根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計顯示，一號線電客車自2014-04試運營至2017-03，閘瓦裂紋故障數(shù)達(dá)20余起，且多為貫穿性裂紋，此外，磨耗到限閘瓦裂紋率也高達(dá)15%。

4 故障分析

4.1 材質(zhì)及加工工藝

一號線電客車閘瓦采用的是高磨合成閘瓦，其主要由橡膠、酚醛樹脂、混雜纖維等材料依照干法生產(chǎn)工藝制造而成。所謂干法生產(chǎn)工藝，是指干態(tài)形式的粉狀酚酞樹脂及橡膠作為粘結(jié)劑，與混雜纖維等其他干態(tài)材料在混料機(jī)中混合制成模塑料。

經(jīng)統(tǒng)計，一號線電客車使用同一型號及材質(zhì)的閘瓦，雖然存在不同批次的情況，但截至2017年初，一號線電客車閘瓦的更換率僅為8%。所以，可以得出結(jié)論，閘瓦本身材質(zhì)及加工工藝對一號線電客車閘瓦的異常磨耗速度并沒有明顯的影響。

4.2 工況

初步分析，閘瓦在使用過程中可能導(dǎo)致閘瓦異響磨耗及損壞的因素有輪對踏面、夾雜物、輪緣潤滑量、溫度、濕度、閘瓦相對位置、TBU壓緊力、緊急制動頻率、緊急制動起始速度等。由于夾雜物、溫度、濕度、TBU壓緊力，緊急制動頻率，緊急制動起始速度對于同一車不同閘瓦的工況是基本相同的，所以，對于同列車上的不同閘瓦的異常磨耗及損耗情況的影響應(yīng)基本相同，排除該類因素，僅考慮輪對踏面、輪緣潤滑量、閘瓦相對位置對于閘瓦異常磨耗及損耗的影響。

觀察輪對踏面，輪對踏面的不同分區(qū)如圖1所示。從圖1中可以看出，輪對踏面可以基本分為5個區(qū)域：1區(qū)，表面為明顯的臺階狀，該臺階為鏇床車刀的車痕，可以看出該區(qū)域的磨耗量極小，且與閘瓦無直接接觸，對于閘瓦磨耗無影響；2區(qū)，表面在閘瓦的直接接觸摩擦之下，成為光滑的金屬鏡面，為主要磨耗區(qū)域，該區(qū)域也為閘瓦熱裂紋生成的主要區(qū)域；3、4區(qū)，為車輪輪緣區(qū)域，表面呈現(xiàn)不規(guī)則細(xì)砂礫狀金屬表面，由于閘瓦接觸摩擦及行駛時與軌道不規(guī)則面的直接磨損，導(dǎo)致該區(qū)域呈現(xiàn)不規(guī)則的磨耗曲線；5區(qū)，在臺階狀的金屬表面上覆蓋了一層金屬氧化物，該區(qū)域為車輪輪緣頂部，因不與軌道及閘瓦直接接觸，基本呈現(xiàn)無磨耗狀態(tài)，僅只在車輪鏇修時消耗。

圖1 輪對踏面的不同分區(qū)

觀察閘瓦面，閘瓦表面的不同分區(qū)如圖2所示。從圖2中可以看出閘瓦表面基本可以分為2個區(qū)域：1區(qū)，該區(qū)呈現(xiàn)較光滑的表面，該區(qū)域與踏面的3區(qū)直接接觸，由于踏面3區(qū)為不規(guī)則顆粒狀表面，在長期的接觸摩擦之下，成為較為光滑的表面；2區(qū)，該區(qū)域表面呈現(xiàn)松散的石墨狀，并伴隨有細(xì)小的裂紋及鏤孔，由于該區(qū)域與輪對踏面的接觸區(qū)域為踏面制動的主要磨耗區(qū)域，也為主要制動力來源，在直接接觸之下，閘瓦與輪對的摩擦產(chǎn)生高溫，在高溫下，大部分的酚醛樹脂等粘結(jié)劑及部分增強劑被分解，留下了摩擦組元材料及潤滑組元材料，該狀態(tài)下的閘瓦有較好的摩擦性能。

根據(jù)材料力學(xué)中的阿查德估算模型公式，即V=K（PL/3H）可以得出，黏著磨損鎖造成的體積磨損量和載荷及滑動距離成正比，與材料的硬度成反比，則在載荷情況一定的情況下，決定磨耗量的主要因素就是材料的硬度和滑動距離；由于2區(qū)的表面粗糙度較之于1區(qū)更大，在同樣的載荷情況下，制動力更大，制動距離更短即為滑動距離更短，磨耗更??；同時，由于2區(qū)的閘瓦表面在高溫的情況下消耗了絕大多數(shù)的粘結(jié)劑，使得表面材質(zhì)的硬度更高，磨耗更小，可以得出，2區(qū)表面面積的大小，直接決定了閘瓦的磨耗速度。

觀察裂紋閘瓦，可以看出，絕大多數(shù)的裂紋產(chǎn)生地點都在閘瓦表面的兩個不同區(qū)域的交界處，由于兩個區(qū)域與輪對踏面的接觸區(qū)域的差異，導(dǎo)致兩個區(qū)域的表面粗糙度產(chǎn)生差異，在接觸摩擦?xí)r產(chǎn)生的熱量也不相同，以至于在兩個區(qū)域中閘瓦的各成分消耗量各有不一，使得材質(zhì)、密度、強度等產(chǎn)生差異，從而在內(nèi)應(yīng)力的作用下產(chǎn)生裂紋。

圖2 閘瓦表面的不同分區(qū)

同時，當(dāng)同一塊閘瓦與輪對踏面的接觸位置不同時，會導(dǎo)致該閘瓦與輪對踏面的高磨耗區(qū)的接觸面積不同，閘瓦表面的粗糙面的面積也不相同；當(dāng)閘瓦與輪對踏面的接觸面向輪輞外側(cè)面不斷靠近時，閘瓦表面的粗糙面的面積不斷增加，受熱面的面積不斷擴(kuò)大，受熱分散，導(dǎo)致產(chǎn)生的熱裂紋減少，同時兩個不同區(qū)域的分界線不斷向中間移動，使得兩個區(qū)域的過度更加平緩，內(nèi)應(yīng)力的分布也相對均勻，裂紋生成概率大大降低。

輪緣潤滑：一號線電客車2016年底對于各列車完成輪緣潤滑時控開關(guān)的改造作業(yè)，2017年起，采用全新的潤滑方案，潤滑噴油量為原始潤滑量的一半，將2017年度取樣閘瓦與2016年度取樣閘瓦做比較，閘瓦表面的粗糙面的面積增大，可以得出，在滿足輪緣潤滑量的情況下，適當(dāng)減少輪緣潤滑裝置噴油量，可以適當(dāng)增加閘瓦與輪對踏面的貼合磨耗區(qū)域，使得閘瓦的粗糙面的面積更大，從而降低磨耗。

5 結(jié)論

位置更加靠近輪輞外側(cè)的閘瓦，接觸面更加接近于輪對踏面的高磨耗區(qū)，由于緊貼踏面，導(dǎo)致粗糙表面的面積更加大，摩擦系數(shù)增加，同時降低裂紋產(chǎn)生的概率。

輪緣潤滑過量導(dǎo)致閘瓦單側(cè)磨耗過于光滑，從而使得該區(qū)域摩擦性能降低、摩擦系數(shù)及摩擦力降低，使得主要制動力來源于另外一側(cè)，另一側(cè)閘瓦表面而單側(cè)摩擦系數(shù)過大且負(fù)荷增加。這樣不利于散熱，導(dǎo)致產(chǎn)生熱裂紋，同時由于大面積的閘瓦表面過于光滑，粗糙表面的面積減小，內(nèi)應(yīng)力不易均勻分布，導(dǎo)致裂紋生成。所以，在滿足潤滑量的情況下，在一定程度上減小噴油量，可以防止裂紋的生成。