350 km/h 復(fù)興號(hào)動(dòng)車組制動(dòng)閘片在服役過程中的磨損行為及其使用壽命預(yù)測

李宏偉，趙楊坤

（中車長春軌道客車股份有限公司，長春130103）

制動(dòng)系統(tǒng)關(guān)系到運(yùn)營安全和乘客體驗(yàn)，是列車的關(guān)鍵系統(tǒng)之一，對(duì)于高速列車而言，制動(dòng)系統(tǒng)中的相關(guān)部件工作時(shí)處于強(qiáng)摩擦、高熱負(fù)荷以及較大制動(dòng)力和離心力等復(fù)雜工況下，對(duì)零件的性能要求極為苛刻。制動(dòng)閘片是列車制動(dòng)系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，其性能關(guān)系到整個(gè)制動(dòng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，而且隨著列車運(yùn)行速度的提高，對(duì)閘片的耐磨耗性能以及工作穩(wěn)定性要求也越來越高，因此有必要對(duì)高速列車的制動(dòng)閘片，尤其是其摩擦磨損性能開展系統(tǒng)深入的研究。

目前國內(nèi)對(duì)高速列車制動(dòng)閘片的試驗(yàn)大多是針對(duì)閘片所用材料，研究其成分、組織以及其物理、力學(xué)和摩擦磨損性能等［1-3］，或是采用一定的試驗(yàn)手段模擬閘片在不同工況條件下的摩擦磨損性能［4-11］，以上研究均是在試驗(yàn)室條件下展開的，對(duì)于閘片在實(shí)際服役過程中的磨損研究鮮有報(bào)道。

由于對(duì)高速列車在實(shí)際線路運(yùn)行工況下的磨損情況進(jìn)行跟蹤研究所需周期長，時(shí)間成本和人力成本較高，因此這方面的工作開展較少，但此項(xiàng)研究對(duì)于了解和掌握閘片在實(shí)際服役過程中的摩擦磨損性能、結(jié)構(gòu)可靠性以及閘片與對(duì)偶制動(dòng)盤在實(shí)際線路運(yùn)行工況下的匹配性和長期運(yùn)行時(shí)的功能穩(wěn)定性具有重要的參考意義，因此本研究針對(duì)速度350 km/h 中國標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組，開展了制動(dòng)盤和摩擦副的服役性能跟蹤試驗(yàn)，對(duì)閘片在實(shí)際服役條件下的磨損行為以及全壽命周期內(nèi)的穩(wěn)定性進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析。

1 閘片材料及測試方法

針對(duì)我國“復(fù)興號(hào)”CR400BF 型動(dòng)車組，其閘片材料為基于粉末冶金方法生產(chǎn)的Cu 基材料，其中Cu 為基體材料，添加Cr、Fe 為耐磨組元，添加石墨作為潤滑組元，與之配套的制動(dòng)盤材料為GS24CrNiMo445V 鑄鋼。

在列車行駛一定里程之后拆卸閘片，用游標(biāo)卡尺測量閘片摩擦塊的厚度，并用電子天平測量閘片質(zhì)量，閘片磨損量用磨損厚度和磨損質(zhì)量來表示。

對(duì)于CR400BF 型高速列車，拖車一根軸上有3對(duì)制動(dòng)盤/閘片摩擦副，共6 副12 塊閘片，動(dòng)車一根軸上有2 對(duì)制動(dòng)盤/閘片摩擦副，共4 副8 塊閘片。以每個(gè)軸承蓋端部的L/R 標(biāo)示做參考，對(duì)同一根軸上的閘片進(jìn)行命名，拖車分別以LL、LR、ML、MR、RL、RR 表示在一根軸上3 個(gè)制動(dòng)盤摩擦面中的左盤左面、左盤右面、中間盤左面、中間盤右面、右盤左面、右盤右面，動(dòng)車編號(hào)與之類似，分別用LL、LR、RL、RR 表示左盤左面、左盤右面、右盤左面、右盤右面。其中每副閘片選取6 個(gè)位置進(jìn)行摩擦塊厚度測量，測量點(diǎn)的編號(hào)及分布如圖1 所示，對(duì)于質(zhì)量，分別對(duì)上閘片和下閘片進(jìn)行整體測量。

CR400BF-5001 動(dòng)車組在閘片跟蹤測試期內(nèi)的運(yùn)行路線及里程統(tǒng)計(jì)如圖2 所示，由圖2 可知，列車在上海-北京區(qū)間內(nèi)運(yùn)行里程最大，約占33%，其次是合肥-上海區(qū)間和昆明-上海區(qū)間。

圖1 制動(dòng)閘片及其磨耗跟蹤測量位置

2 結(jié)果及討論

2.1 動(dòng)車制動(dòng)閘片磨耗

動(dòng)車不同位置的閘片以及每個(gè)閘片上面不同測量點(diǎn)摩擦塊的厚度隨列車運(yùn)行里程的變化趨勢如圖3 所示，由圖3 可知，隨著列車運(yùn)營里程的增加，閘片的磨損量不斷增加，且磨耗速度有所增加。對(duì)于動(dòng)車制動(dòng)閘片，LL 和RL 位置，即制動(dòng)盤左側(cè)的閘片，3 號(hào)和6 號(hào)摩擦塊的磨耗明顯大于其他位置的摩擦塊，而LR 和RR 位置，即制動(dòng)盤右側(cè)的閘片，各個(gè)位置摩擦塊的磨耗程度沒有明顯規(guī)律。

圖2 列車運(yùn)行路線及里程統(tǒng)計(jì)

圖3 動(dòng)車閘片磨耗

2.2 拖車制動(dòng)閘片磨損

拖車不同位置的閘片以及每個(gè)閘片上面不同測量點(diǎn)摩擦塊的厚度隨列車運(yùn)行里程的變化趨勢如圖4 所示，由圖4 可知，閘片的磨耗速度隨運(yùn)營里程累積有所增加，但增加趨勢沒有動(dòng)車明顯。此外，對(duì)于拖車制動(dòng)閘片，和動(dòng)車類似，LL、ML 以及RL 位置，即制動(dòng)盤左側(cè)的閘片，3 號(hào)和6 號(hào)位置摩擦塊的磨耗明顯比其他位置嚴(yán)重，而LR、MR 以及RR 位置，即制動(dòng)盤右側(cè)的閘片，整體來說3 號(hào)、4 號(hào)和6 號(hào)摩擦塊的磨耗程度要高于1 號(hào)、2 號(hào)和5號(hào)摩擦塊。

圖4 拖車閘片磨耗

由以上分析可知，無論是對(duì)于動(dòng)車還是拖車，整體來講，同一副閘片上，3 號(hào)和6 號(hào)位置的摩擦塊其磨損量都要大于其他位置，這是因?yàn)? 號(hào)和6號(hào)摩擦塊位于閘片邊緣，在列車制動(dòng)時(shí)，和制動(dòng)盤之間的摩擦距離最長，因此磨耗最嚴(yán)重。

一般來講，金屬部件的磨損過程包含3 個(gè)階段：跑合階段、穩(wěn)定磨損階段和劇烈磨損階段［12］，如圖5 所示。在劇烈磨損階段，由于摩擦部件表面質(zhì)量下降、接觸表面之間的間隙增大以及潤滑膜被破壞等原因，會(huì)引起摩擦部件的振動(dòng)，導(dǎo)致磨損速率增加［13］。對(duì)于動(dòng)車閘片，由磨損數(shù)據(jù)可知，其磨損量較大，服役條件更為苛刻，因此較早進(jìn)入劇烈磨損階段，導(dǎo)致閘片磨損速率增加趨勢明顯，而拖車閘片磨損量較小，所以在跟蹤檢測期內(nèi)，閘片磨損速率增加趨勢不明顯。

2.3 不同位置磨損比較

用磨損質(zhì)量表示的同一根車軸上不同位置的閘片磨耗如圖6 所示，其中圖6（a）和圖6（b）分別為動(dòng)車上閘片和動(dòng)車下閘片，圖6（c）和圖6（d）分別為拖車上閘片和拖車下閘片。由圖6 可知，對(duì)于動(dòng)車閘片，LL、LR、RL 以及RR 位置閘片的磨耗程度無明顯規(guī)律可循。而對(duì)于拖車閘片，無論是上閘片還是下閘片，LL 位置的閘片磨耗程度最為嚴(yán)重，明顯高于其他位置，RR 位置的閘片磨耗僅次于LL 位置，也要高于其余位置，即最外側(cè)的閘片磨耗要嚴(yán)重一些。

圖5 磨損量與摩擦行程關(guān)系曲線

圖6 同一車軸上不同位置閘片磨耗

對(duì)于外側(cè)閘片磨耗大于內(nèi)側(cè)閘片磨耗，文獻(xiàn)［12］指出，在列車制動(dòng)時(shí)，壓縮空氣首先推動(dòng)外側(cè)閘片貼緊制動(dòng)盤，然后內(nèi)側(cè)閘片在夾緊力的反作用下才進(jìn)行夾緊動(dòng)作，動(dòng)作順序的不同引起磨耗量不同［14］。

2.4 動(dòng)車和拖車閘片壽命預(yù)測及對(duì)比

速度350 km/h 復(fù)興號(hào)動(dòng)車組在常用制動(dòng)過程中優(yōu)先使用電制動(dòng)力，動(dòng)車組優(yōu)化提升了電制動(dòng)力，能夠覆蓋4 級(jí)常用制動(dòng)，在電制動(dòng)力不足時(shí)，拖車施加摩擦制動(dòng)力進(jìn)行補(bǔ)充，制動(dòng)力再不足動(dòng)車施加摩擦制動(dòng)補(bǔ)充。當(dāng)動(dòng)車組低速運(yùn)行時(shí)，為提高黏著的利用，制動(dòng)系統(tǒng)切換為比例制動(dòng)模式進(jìn)行制動(dòng)力分配，使動(dòng)、拖車的實(shí)際黏著系數(shù)盡可能一致。當(dāng)動(dòng)車組停車制動(dòng)時(shí)，速度進(jìn)一步下降，為了保證停車過程列車平穩(wěn)，電制動(dòng)退出，摩擦制動(dòng)補(bǔ)充。實(shí)際運(yùn)用中，摩擦制動(dòng)通常出現(xiàn)在動(dòng)車組停車和低速調(diào)速時(shí)，此時(shí)，動(dòng)車和拖車的制動(dòng)力基本一致，但拖車的制動(dòng)力由12 個(gè)制動(dòng)盤來分擔(dān)，動(dòng)車由8 個(gè)制動(dòng)盤來分擔(dān)。因此，根據(jù)制動(dòng)力分配原則分析，動(dòng)車閘片磨耗將高于拖車。

對(duì)實(shí)際運(yùn)用數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，采用不同指標(biāo)表征的閘片磨耗曲線及動(dòng)車和拖車磨耗對(duì)比如圖7 所示，其中圖7（a）為最大磨損厚度，即LL 位置3 號(hào)摩擦塊的磨損量來表征的磨耗曲線，圖7（b）和圖7（c）分別為一根車軸上全部閘片的平均磨損厚度和平均磨損質(zhì)量表征的磨耗曲線。由圖7 可知，動(dòng)車閘片的磨耗程度明顯要高于拖車，采用最大磨損表征的磨耗曲線動(dòng)車和拖車相對(duì)比較接近，且磨損速度隨里程增加而加劇的趨勢明顯，而且采用平均厚度和平均質(zhì)量表征的閘片磨耗曲線趨勢較為一致，動(dòng)車閘片和拖車閘片磨耗相差較大，動(dòng)車閘片磨耗速度隨里程增加而加劇的趨勢明顯，而拖車閘片磨耗速度隨里程增加而加劇的趨勢較弱。

閘片磨耗曲線擬合公式及壽命預(yù)測見表1，其中對(duì)于質(zhì)量表征的失效磨耗量，由閘片的平均磨損厚度和平均磨損質(zhì)量之間的線性關(guān)系計(jì)算得到，當(dāng)平均磨損厚度為16 mm 時(shí)，對(duì)應(yīng)的平均磨損質(zhì)量為1.1 kg。由表1 可知，基于平均磨損厚度和平均磨損質(zhì)量的閘片壽命預(yù)測較為一致，動(dòng)車閘片壽命約為115 萬km，拖車閘片壽命約為160 萬km?；谧畲竽p厚度預(yù)測的動(dòng)車閘片壽命111萬km，和平均磨損質(zhì)量的預(yù)測值比較接近，基于最大磨損厚度預(yù)測的拖車閘片壽命126 萬km，要低于平均磨損質(zhì)量的預(yù)測值。

需要指出的是，在實(shí)際跟蹤測試時(shí)，考慮到安全等因素，閘片磨耗測量并不是從全新閘片開始，而是在列車運(yùn)營約10 萬km 時(shí)開始測量，而根據(jù)上面分析，閘片的磨耗速度會(huì)隨著列車運(yùn)營里程的增加而加劇，因此對(duì)于全新閘片，根據(jù)擬合公式預(yù)測閘片的使用壽命應(yīng)大于表1 中的數(shù)據(jù)，尤其是對(duì)于動(dòng)車閘片。

圖7 閘片磨耗曲線及動(dòng)車和拖車磨耗對(duì)比

表1 閘片磨損擬合公式及壽命預(yù)測

2.5 經(jīng)濟(jì)性分析

通過對(duì)閘片磨損數(shù)據(jù)的分析及使用壽命的預(yù)測，CR400BF 動(dòng)車組閘片壽命約為115 萬km，拖車閘片壽命約為160 萬km，既有CRH380B 系列動(dòng)車組閘片壽命約為40 萬km，拖車閘片壽命約為60 萬km。對(duì)比上述數(shù)據(jù)，CR400BF 動(dòng)車組閘片壽命較CRH380B 提高至少一倍以上，降低了對(duì)列車制動(dòng)系統(tǒng)的維護(hù)周期，減少維護(hù)次數(shù)，節(jié)約維護(hù)成本，具有較大的經(jīng)濟(jì)意義。CR400BF 動(dòng)車組閘片實(shí)際使用壽命還需要根據(jù)應(yīng)用情況進(jìn)一步跟蹤和分析。

3 結(jié) 論

針對(duì)CR400BF-5001 動(dòng)車組，跟蹤檢測并分析了其制動(dòng)閘片在服役過程中的磨損行為，并對(duì)閘片的使用壽命進(jìn)行了預(yù)測，得出以下結(jié)論：

（1）動(dòng)車閘片的磨耗比拖車閘片嚴(yán)重，且動(dòng)車閘片磨耗速度隨列車運(yùn)行里程增加而加劇趨勢明顯，拖車閘片磨耗速度隨列車運(yùn)行里程增加而加劇趨勢相對(duì)較弱；

（2）拖車閘片的偏磨較為明顯，同一副閘片中3 號(hào)和6 號(hào)位置即外側(cè)邊緣的摩擦塊磨耗較嚴(yán)重，同一根車軸上LL 位置和RR 位置即最外側(cè)閘片的磨耗較嚴(yán)重，而動(dòng)車的偏磨不明顯；

（3）基于平均磨損厚度和平均磨損質(zhì)量預(yù)測的閘片壽命較為一致，其中動(dòng)車閘片預(yù)測壽命約為115 萬km，拖車閘片預(yù)測壽命約為160 萬km，基于最大磨損厚度預(yù)測的動(dòng)車閘片壽命和拖車閘片壽命分別為111 萬km 和126 萬km。