CRH5型動(dòng)車組制動(dòng)盤異常磨耗原因分析

高靖添 孟繁輝 姚風(fēng)龍 楊再保 汝澤洋 原崇洋

(中車長(zhǎng)春軌道客車股份有限公司國(guó)家軌道客車工程研究中心，130062，長(zhǎng)春∥第一作者，工程師)

CRH5型動(dòng)車組自2007年4月投入運(yùn)營(yíng)以來(lái)，運(yùn)行平穩(wěn)，各項(xiàng)性能指標(biāo)優(yōu)異。但是，高寒地區(qū)高速鐵路的線路最低環(huán)境溫度在-30 ℃以下，CRH5型動(dòng)車組在高寒地區(qū)運(yùn)行過程中，其基礎(chǔ)制動(dòng)裝置被冰雪包圍無(wú)法自動(dòng)散落(見圖1)以及制動(dòng)盤異常磨耗(見圖2)現(xiàn)象較為嚴(yán)重。為降低制動(dòng)系統(tǒng)因制動(dòng)盤異常磨耗故障對(duì)運(yùn)營(yíng)秩序的影響，對(duì)該故障進(jìn)行了分析，并提出了有效的解決方案。

圖1 制動(dòng)盤及夾鉗單元被冰雪包裹狀態(tài)

圖2 制動(dòng)盤與閘片之間的金屬熔融物

1 異常磨耗產(chǎn)物檢查

1.1 宏觀檢查

制動(dòng)盤異常磨耗產(chǎn)物如圖3所示。異常磨耗產(chǎn)物呈“弓”型，與閘片的接觸面表面粗糙并伴有銹跡；磨耗產(chǎn)物整體表面有隆起的“金屬瘤”“金屬脊”和平坦的擠壓面，其邊緣可見片狀的金屬屑，邊緣金屬屑薄且尖銳如圖3 a)所示；隆起的“金屬瘤”根部熔融金屬因堆積擠壓留下的魚鱗狀紋路清晰可見，如圖3 b)所示；整體磨耗產(chǎn)物焊合在一起。同時(shí)觀察磨耗產(chǎn)物與制動(dòng)閘片，可發(fā)現(xiàn)磨耗產(chǎn)物表面凸起的“金屬瘤”和“金屬脊”與閘片上的孔縫一一對(duì)應(yīng)，如圖4所示。

圖3 制動(dòng)盤磨耗產(chǎn)物與閘片接觸面的形貌

圖4 制動(dòng)盤磨耗產(chǎn)物與閘片的對(duì)應(yīng)關(guān)系

磨耗產(chǎn)物與制動(dòng)盤接觸的表面有圓弧形溝痕，溝痕形貌與制動(dòng)盤表面異常磨耗的形貌相似。與制動(dòng)盤相接觸的磨耗產(chǎn)物為藍(lán)黑氧化色，多為FeO和Fe3O4，在其中間部分有明顯的分層現(xiàn)象。由此可知，磨耗產(chǎn)物是層狀堆疊擠壓焊合而成的，如圖5所示。

圖5 制動(dòng)盤側(cè)磨耗產(chǎn)物形貌

異常磨耗產(chǎn)物形成后夾在閘片與制動(dòng)盤之間，施加制動(dòng)時(shí)，磨耗產(chǎn)物以類似切削的形式對(duì)制動(dòng)盤造成劃傷，被切削下的金屬碎屑存留在制動(dòng)盤與閘片之間。在制動(dòng)盤與閘片摩擦產(chǎn)生的高溫作用下，金屬碎屑與磨耗產(chǎn)物焊合在一起，由此產(chǎn)生的金屬切削物持續(xù)磨削制動(dòng)盤表面并導(dǎo)致金屬在閘片表面堆積，進(jìn)而造成對(duì)制動(dòng)盤摩擦表面的異常劃傷[2]。同時(shí)，異常磨耗產(chǎn)物不斷變大；高溫也使磨耗產(chǎn)物產(chǎn)生局部軟化或局部熔融狀態(tài)，在閘片壓力與高速轉(zhuǎn)動(dòng)的制動(dòng)盤帶動(dòng)下，磨耗產(chǎn)物發(fā)生移動(dòng)和變形，并向閘片的空隙處聚集，形成“金屬瘤”和“金屬脊”；制動(dòng)結(jié)束后，磨耗產(chǎn)物冷卻硬化，“金屬瘤”和“金屬脊”為磨耗產(chǎn)物起到固定和支撐作用。

1.2 微觀檢查

使用HITACHI JSM-6490L型掃描電鏡(SEM)和GENESS 2000XMS型X射線能譜儀(EDS)對(duì)異常磨耗產(chǎn)物的正反面進(jìn)行微觀形貌與化學(xué)成分檢查。

異常磨耗產(chǎn)物表面隆起“金屬瘤”的SEM與EDS檢驗(yàn)結(jié)果如圖6和圖7所示。由圖6和圖7可見，“金屬瘤”的主要成分是Fe，并包含有Mn、Si和Cr等合金元素，同時(shí)還有Al、S、Ca、Cu等雜質(zhì)元素。該表面平坦位置的SEM與EDS結(jié)果如圖8所示，其成分與“金屬瘤”類似。由此可證明，磨耗產(chǎn)物基本來(lái)自制動(dòng)盤。但對(duì)CRH5型動(dòng)車組制動(dòng)盤成分進(jìn)行檢查發(fā)現(xiàn)，異常磨耗產(chǎn)物表面的Al、Ca、Cu和Si等元素較制動(dòng)盤GS24CrNiMo445V材料的高。

圖6 “金屬瘤”掃描電鏡檢驗(yàn)結(jié)果

圖7 “金屬瘤”能譜儀檢驗(yàn)結(jié)果

圖8 平坦位置掃描電鏡及能譜儀檢驗(yàn)結(jié)果

在異常磨耗產(chǎn)物與閘片接觸的表面上還發(fā)現(xiàn)了許多如圖9所示的細(xì)小顆粒，其EDS結(jié)果顯示：細(xì)顆粒密集處Cu的質(zhì)量分?jǐn)?shù)高達(dá)37.38%，由此可知，閘片中Cu的成分轉(zhuǎn)移到異常磨耗產(chǎn)物上；Al、Ca和Si元素的含量偏高，其中Al和Ca并不是制動(dòng)盤與閘片的成分，且閘片中并不含Si，這些含量偏高的元素可能來(lái)源于列車運(yùn)行線路中的塵埃。

圖9 細(xì)小顆粒掃描電鏡及能譜儀檢驗(yàn)結(jié)果

磨耗產(chǎn)物與閘片接觸面是發(fā)生異常磨耗最初的位置，記錄有異常磨耗發(fā)生初期的相關(guān)信息，因此該表面上Al、Ca和Si元素的含量偏高與異常磨耗的起因不無(wú)關(guān)系。

異常磨耗產(chǎn)物與制動(dòng)盤接觸側(cè)的表面微觀形貌如圖10所示。圖10 a)為平坦的摩擦表面，并可看到分層現(xiàn)象；圖10 b)為發(fā)生粘著磨損的區(qū)域，有條狀的粘著物及因粘著磨損而變粗糙的區(qū)域。

圖10 與制動(dòng)盤接觸側(cè)表面掃描電鏡結(jié)果

制動(dòng)盤接觸側(cè)表面多個(gè)位置的EDS分析結(jié)果如圖11所示。由圖11可見，Al和Si的質(zhì)量分?jǐn)?shù)較少，且基本不含Ca和Cu元素。Al的質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高值只有0.57%，遠(yuǎn)低于靠近閘片側(cè)Al的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的最高值4.72%(見圖6 b))；Si的質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高值為0.89%，低于靠近閘片側(cè)Si的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的最高值2.23%(見圖6 b))。該側(cè)磨耗產(chǎn)物成分基本與制動(dòng)盤相似，且Al、Ca和Si等雜質(zhì)較少。因此認(rèn)為，該側(cè)表面的金屬來(lái)自制動(dòng)盤，這與上文關(guān)于異常磨耗產(chǎn)物對(duì)制動(dòng)盤產(chǎn)生切削作用并與切屑焊合的推論是一致的。

圖11 制動(dòng)盤側(cè)能譜儀分析結(jié)果

1.3 金相及硬度

對(duì)異常磨耗產(chǎn)物取樣磨制并用4%硝酸酒精腐蝕，在ProgRes C5金相顯微鏡下進(jìn)行觀察。金相組織如圖12所示。由圖12可見，試樣金相組織發(fā)生嚴(yán)重畸變(見圖12 a)和圖12 b))，基本為鐵素體和細(xì)小的類珠光體(見圖12 c))。異常磨耗產(chǎn)物與制動(dòng)盤材質(zhì)相近，這說明異常磨耗產(chǎn)物來(lái)源于制動(dòng)盤。

圖12 制動(dòng)盤磨耗產(chǎn)物金相組織形態(tài)

使用HV30維氏硬度計(jì)對(duì)試樣進(jìn)行硬度測(cè)試，載荷選用1 kg，測(cè)試結(jié)果如表1所示。異常磨耗產(chǎn)物的維氏硬度平均為283.17 HV，折合布氏硬度為279.17 HB[3]，低于制動(dòng)盤的布氏硬度(≥290 HB)。

表1 制動(dòng)盤異常磨耗產(chǎn)物硬度值

2 原因分析

通過對(duì)磨耗產(chǎn)物的宏觀和微觀檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：制動(dòng)盤異常磨耗產(chǎn)物基本來(lái)源于制動(dòng)盤；磨耗產(chǎn)物與閘片接觸側(cè)表面含有Al和Ca等雜質(zhì)元素，而Si的含量較制動(dòng)盤和磨耗產(chǎn)物與制動(dòng)盤接觸側(cè)表面的Si含量高，這些元素與包覆閘片的冰雪混合物中所發(fā)現(xiàn)的Al元素、SiO2和Fe2O3的細(xì)微顆粒相對(duì)應(yīng)。

雪天閘片有結(jié)冰現(xiàn)象，導(dǎo)致制動(dòng)盤表面易出現(xiàn)輕微劃傷；而晴天閘片無(wú)結(jié)冰現(xiàn)象，制動(dòng)盤表面較少出現(xiàn)劃傷或變粗糙的情況。

綜上所述，異常磨耗的原因?yàn)椋涸谥苿?dòng)盤異常磨耗初期，由于包覆在閘片上的含有細(xì)微硬質(zhì)顆粒的冰在摩擦熱的作用下融化，融化的冰水將硬質(zhì)顆粒帶入閘片與制動(dòng)盤的摩擦面，導(dǎo)致制動(dòng)盤受到磨硬質(zhì)顆粒的磨損，并產(chǎn)生金屬碎屑。產(chǎn)生的金屬碎屑在閘片的壓力與摩擦熱的作用下，聚集焊合，形成小塊的磨耗產(chǎn)物。小塊磨耗產(chǎn)物成為造成制動(dòng)盤磨損的主要磨料。在閘片壓力與高速旋轉(zhuǎn)的制動(dòng)盤共同作用下，小塊磨耗產(chǎn)物發(fā)生移動(dòng)和變形。而閘片的空隙為磨耗產(chǎn)物提供了貯存和支撐作用。

上述過程不斷重復(fù)，小塊的磨耗產(chǎn)物聚集成大塊的磨耗產(chǎn)物；且由于閘片中部空隙較易貯存磨耗產(chǎn)物，磨耗產(chǎn)物主要集中在閘片的中部，制動(dòng)過程中對(duì)制動(dòng)盤造成類似切削的損傷；而閘片中部空隙對(duì)磨耗產(chǎn)物起到固定作用，加之閘片周圍冰雪的包裹，磨耗產(chǎn)物不能順利排出。

3 解決措施

針對(duì)CRH5型動(dòng)車組冰雪環(huán)境下出現(xiàn)制動(dòng)盤異常磨耗現(xiàn)象，采取了以下解決措施：

1)加強(qiáng)日常檢查。在車輛入庫(kù)檢修時(shí)，及時(shí)清理閘片上的異物，并查看制動(dòng)盤是否存在劃傷。

2)如遇冰雪天氣，應(yīng)及時(shí)采取除冰措施，充分去除轉(zhuǎn)向架部位的冰雪。

3)適當(dāng)加大制動(dòng)盤與閘片之間間隙。將制動(dòng)盤與閘片之間的緩解間隙由2～4 mm調(diào)整為3～6 mm。

上述措施實(shí)施后，CRH5型動(dòng)車組冬季運(yùn)用狀況得到了改善，制動(dòng)盤異常磨耗數(shù)量已明顯減少。