鐵路貨車制動梁磨耗套損傷行為分析

丁穎 劉松民 竇隨權(quán) 丁昊昊 王文健

摘要：鐵路貨車制動梁磨耗套的損傷直接影響到磨耗套的壽命，從而影響列車的制動安全，為探究鐵路貨車制動梁磨耗套的損傷形式，對制動梁的磨耗套進(jìn)行現(xiàn)場分析調(diào)研，并對典型損傷的磨耗套利用超景深光學(xué)顯微鏡（OM）以及掃描電子顯微鏡（SEM）進(jìn)行損傷分析，利用EDS對磨損面進(jìn)行元素分析。研究發(fā)現(xiàn)：現(xiàn)場磨耗套的損傷以磨損為主，磨耗到限是磨耗套淘汰的主要原因，更嚴(yán)重會有少量磨耗套發(fā)生斷裂，影響制動性能與行車安全；將典型損傷的磨耗套進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室分析發(fā)現(xiàn)磨耗套在使用過程中容易產(chǎn)生側(cè)磨，并且磨耗套的損傷形式存在磨損、異物鑲嵌、材料剝落、裂紋和斷裂幾種形式；通過對磨損面進(jìn)行元素分析發(fā)現(xiàn)磨損面出現(xiàn)了多種金屬元素并且發(fā)生氧化，表面有雜質(zhì)附著，所以磨耗套磨損機(jī)理以磨粒磨損為主，并伴隨著粘著磨損和氧化磨損。

關(guān)鍵詞：磨耗套；損傷；磨損；磨損機(jī)理

中圖分類號：U270.35；TH117.1????? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A??????? doi：10.3969/j.issn.1006-0316.2024.05.008

文章編號：1006-0316 （2024） 05-0056-08

Damage Behavior Analysis of Railway Freight Car Brake Beam Wear Sleeve

DING Ying1，LIU Songmin2，DOU Suiquan2，DING Haohao2，WANG Wenjian2

（ 1. China Energy Railway Equipment Co.， Ltd.， Beijing 100120， China;

2. Institute of Tribology， Southwest Jiaotong University， Chengdu 610031， China ）

Abstract：The damage of the wear sleeve of railroad wagon brake beam directly affects the life of the wear sleeve， thus affecting the braking safety of the train. In order to investigate the damage form of the wear sleeve of railroad wagon brake beam， the wear sleeve of brake beam is analyzed and researched on site， and the wear sleeve with typical damage is analyzed by using super-field optical microscope （OM） and scanning electron microscope （SEM） for damage analysis， and the wear surface is analyzed by using EDS Elemental analysis was performed on the wear surface using EDS. The research found that： the damage of the wear sleeve in the field is mainly wear， wear to the limit is the main reason for the wear sleeve elimination， more serious will be a small amount of wear sleeve fracture， affecting the braking performance and driving safety; the typical damage of the wear sleeve for laboratory analysis found that the wear sleeve in the use of the process is easy to produce side wear， and the damage of the wear sleeve in the form of wear， foreign body inlay， material spalling， cracking and fracture， Through elemental analysis of the wear surface， it was found that there were many metal elements and oxidation on the wear surface， and there were impurities on the surface， so the wear mechanism of the wear sleeve was mainly abrasive wear， accompanied by adhesive wear and oxidation wear.

Key words：wear sleeve；damage；wear；wear mechanism

鐵路貨運(yùn)目前是我們國民經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的支柱產(chǎn)業(yè)，是我國的主要貨物運(yùn)輸方式之一，所以保證鐵路貨車安全運(yùn)輸非常重要[1-2]。而在鐵路貨車中存在許多磨損，當(dāng)磨損嚴(yán)重時會造成許多危害，從而影響行車安全[3]。如輪軌之間的摩擦[4]，嚴(yán)重的會引起車輪擦傷[5]、剝離[6]等損傷；車輪車軸之間的微動磨損，會產(chǎn)生微動裂紋損傷[7-8]；車鉤的磨損，會使鉤體產(chǎn)生裂紋及磨耗，影響車輛連接[9]。而在貨車制動過程中，同樣容易產(chǎn)生各種損傷故障，如貨車在進(jìn)行制動時，會增加車輪的熱負(fù)荷[10]，使車輪產(chǎn)生熱剝離損傷[11]；制動梁故障會產(chǎn)生制動和緩解能力不夠，影響制動性能[12-13]。

制動梁是鐵路貨車制動的關(guān)鍵零部件，目前我國常用的是L-B型組合式制動梁[14]，在制動梁兩端套有尼龍制成的磨耗套，緩解制動時產(chǎn)生的摩擦。磨耗套與固定于轉(zhuǎn)向架側(cè)架的磨耗板直接接觸，貨車制動過程中磨耗套與磨耗板之間產(chǎn)生摩擦，所以極易產(chǎn)生磨損[15]?？苡翊旱萚16]通過統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)磨耗套故障的主要情況是磨耗超限，并對磨耗套的改進(jìn)提出了建議；李玉偉[17]在研究中發(fā)現(xiàn)，磨耗套磨耗過限很多并多集中于制動梁滑塊的內(nèi)側(cè)下部，并且磨耗套容易產(chǎn)生裂紋，裂紋擴(kuò)展可能造成斷裂。當(dāng)鐵路貨車制動梁磨耗套損傷嚴(yán)重會影響列車的制動性能及行車安全。

目前國內(nèi)外關(guān)于磨耗套損傷形式的研究非常少，而磨耗套的損傷會直接影響到磨耗套的壽命，造成磨耗到限，從而影響列車的制動與安全，所以對現(xiàn)場的磨耗套進(jìn)行損傷分析是非

常有必要的。本文通過現(xiàn)場調(diào)研以及實(shí)驗(yàn)室分析的手段對磨耗套的典型損傷形式進(jìn)行研究，并對磨損機(jī)理進(jìn)行分析，為之后對制動梁磨耗套磨損行為分析及優(yōu)化提高磨損壽命提供理論與技術(shù)指導(dǎo)。

1 磨耗套現(xiàn)場分析

1.1 磨耗套位置

在現(xiàn)場中，將輪對與轉(zhuǎn)向架分離后，就可以看到鐵路貨車制動梁磨耗套和磨耗板，如圖1所示，從圖中可以看到磨耗板固定在轉(zhuǎn)向架側(cè)架上，磨耗套位于磨耗板中，由于制動梁的安裝方式和重力作用，磨耗套下接觸面為主要摩擦面。在制動和緩解過程中，由于受到制動力的作用磨耗套產(chǎn)生位移，造成摩擦，所以磨耗套下接觸面極易產(chǎn)生磨耗，是磨耗到限的主要面。并且從圖中可以看出，磨耗套與磨耗板之間存在較多的灰塵雜質(zhì)，在磨損過程中參與磨損，影響磨耗套壽命。

1.2 現(xiàn)場磨耗套損傷

通過對現(xiàn)場拆卸后的制動梁兩端磨耗套進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)在磨耗套主要有磨損和斷裂兩種損傷，如圖2所示。

圖2（a）（b）所示為磨耗套的磨損損傷，由于制動力的作用和制動梁自身重力的作用磨耗套與磨耗板接觸面發(fā)生磨損；圖2（c）（d）所示為磨耗套的斷裂損傷，通過觀察發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)裂紋的部位大部分是在磨耗套的圓角過渡區(qū)域，考慮是由于制動力過大，在圓角處產(chǎn)生應(yīng)力集中導(dǎo)致磨耗套斷裂。現(xiàn)場調(diào)研中發(fā)現(xiàn)，磨耗套的磨損到限是現(xiàn)場淘汰的主要原因。

2 磨耗套實(shí)驗(yàn)室分析

為對磨耗套的損傷進(jìn)一步分析，通過對現(xiàn)場淘汰的磨耗套進(jìn)行取樣帶回，并利用超景深光學(xué)顯微鏡以及掃描電子顯微鏡進(jìn)行觀察分析，并對磨損面進(jìn)行元素分析。

2.1 宏觀對比

圖3為新舊磨耗套的磨損面對比，磨損面磨損嚴(yán)重。

圖3（a）為新磨耗套的磨損面，可以看出沒有較大的磨損，其中表面的細(xì)小磨痕是由于在包裝運(yùn)輸中相互碰撞產(chǎn)生的，并不會對磨耗套的使用產(chǎn)生影響；從圖3（b）中可以看出，磨損表面存在大量磨痕犁溝，且靠近前端磨損越嚴(yán)重，磨損嚴(yán)重會造成磨耗超限，影響使用；從部分沒有磨耗超限的磨耗套中發(fā)現(xiàn)，有一部分的磨耗套出現(xiàn)側(cè)磨現(xiàn)象，由于制動梁重心在中間，依靠兩端支撐，所以在磨耗套更換后會先產(chǎn)生磨損發(fā)生側(cè)磨[16]，如圖3（c）所示；其中還有更為嚴(yán)重的損傷，如圖3（d）所示磨耗套出現(xiàn)不規(guī)則斷裂。圖3（d）所示磨耗套出現(xiàn)不規(guī)則斷裂。

2.2 磨損厚度對比

為對磨耗套磨損進(jìn)行直觀的觀察，對新舊磨耗套側(cè)面廓形進(jìn)行對比，如圖4所示?？梢钥闯瞿p面厚度明顯減少，前端靠近磨耗套圓角部分磨耗嚴(yán)重。

根據(jù)《鐵路貨車段修規(guī)程》規(guī)定當(dāng)磨損厚度達(dá)到3 mm后，需要對磨耗套進(jìn)行更換[18]。所以對實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行觀察的滑塊磨耗套磨損厚度進(jìn)行測量，結(jié)果如圖5所示。在圖中0#為新磨耗套厚度為7 mm，在測量的1～11#磨耗套中，有6個磨耗套磨損厚度大于3 mm磨耗到限，占總數(shù)的54.55%；且8#、9#磨耗套斷裂，故障磨耗套占總數(shù)的63.64%。

2.3 損傷形式

利用超景深光學(xué)顯微鏡對磨耗套磨損表面進(jìn)行觀察。結(jié)果如圖6所示，雖然在現(xiàn)場調(diào)研中只發(fā)現(xiàn)磨耗套的磨損和斷裂，但是從圖中可以看出，磨耗套有多種損傷形式。

虛線表示磨耗套厚度剩余4 mm，當(dāng)剩余厚度小于4 mm時，則需要對磨耗套進(jìn)行磨耗到限淘汰處理。

圖6（a）為磨耗套的磨痕，可以看出沿著制動方向磨耗套表面產(chǎn)生大量不規(guī)則磨痕、犁溝；圖6（b）為磨損后沒有脫落的纖維狀磨屑，纖維狀磨屑附著在磨耗套上，以及少部分附著在磨耗板上，所以此時為粘著磨損；而圖6（c）為在磨損過程中，金屬磨屑及雜質(zhì)鑲嵌在磨耗套表面上，造成磨耗套的損傷；圖6（d）中可以看出，磨耗套表面存在大量裂紋，這也是磨耗套斷裂的主要原因之一；圖6（e）中可以看出磨耗套的表面產(chǎn)生材料剝落；圖6（f）為磨耗套的斷裂形貌，從整條裂紋形貌以及磨耗套兩側(cè)形貌可以明顯的看出該磨耗套的斷裂斷口不規(guī)則，考慮是由于疲勞磨損引起裂紋擴(kuò)展，從而造成疲勞斷裂，而在現(xiàn)場調(diào)研發(fā)現(xiàn)的磨耗套的裂口多是平整裂口，因?yàn)橥蝗皇┘又苿恿?，?dǎo)致圓角處應(yīng)力集中，造成斷裂。

2.4 微觀分析

利用掃描電子顯微鏡對磨耗套損傷進(jìn)一步觀察，結(jié)果如圖7所示。

從圖中可以看出，磨損表面存在大量磨損程度不同的磨痕、犁溝；在磨痕的周圍存在大量的雜質(zhì)，以及纖維片狀磨屑，磨屑進(jìn)一步磨損造成明顯的片狀剝落；在磨損表面發(fā)現(xiàn)大量裂紋以及起層現(xiàn)象，而且裂紋周圍存在大量的雜質(zhì)顆粒。

2.5 元素分析

為驗(yàn)證在磨耗套磨損過程中，有其他金屬雜質(zhì)以及灰塵進(jìn)入到磨損面中，對磨耗套的磨損面利用EDS進(jìn)行元素能譜面掃分析，結(jié)果如圖8、圖9、表1所示，表1為元素含量。

因?yàn)槟ズ奶撞牧鲜且环N不導(dǎo)電的尼龍材料，所以拍攝掃描電鏡之前需使用離子濺射儀對磨耗套表面進(jìn)行噴金處理，所以檢測出的金元素為后期噴金所得。圖8（a）為進(jìn)行掃描區(qū)域位置的SEM形貌，從圖中可以看出，磨耗套表面存在大量的磨痕以及雜質(zhì)，框選區(qū)域?yàn)檫M(jìn)行面掃分析區(qū)域；圖8（b）為元素分析能譜圖。

圖9為元素的分布圖，從圖中可以看出鐵和氧元素分布區(qū)域大致相同，因?yàn)殍F在磨損過程中發(fā)生了氧化，所以界面中存在氧化磨損[19]；鎂、硅、鋁、鉬這幾種元素含量較少，在元素分布圖中只在部分高亮區(qū)域存在，這說明在磨損過程中，混入其他的雜質(zhì)，如沙塵、零部件之間的磨屑等；碳和鈣元素分布區(qū)域大致相同，通過觀察SEM形貌可以看出此區(qū)域沒有高亮的雜質(zhì)，為磨耗套的本身元素。

從表1可知，其中檢測出較多金屬元素，其中鐵元素含量較多，因?yàn)樵谀p過程中部分金屬磨屑參與其中，所以導(dǎo)致鐵元素含量高，并且氧元素含量也較高。

3 磨損機(jī)理分析

通過對磨耗套的磨損損傷以及元素分析發(fā)現(xiàn)，磨耗套表面存在大量的雜質(zhì)顆粒，部分存在于摩擦界面之間，還有部分嵌入到磨耗套材質(zhì)內(nèi)，雜質(zhì)顆粒形成第三體磨粒[20]參與磨損，造成磨耗套磨損加劇，所以此時的磨損機(jī)理以磨粒磨損為主，磨粒磨損嚴(yán)重會引起磨耗套的斷裂以及磨耗板的磨損。同時摩擦界面的金屬元素氧化造成表面氧化磨損。圖10為磨損機(jī)理示意圖。

在磨損過程中，產(chǎn)生大量纖維狀磨屑附著在磨損表面，且有一部分附著在磨耗板上，在磨損過程中伴隨著粘著磨損。所以通過現(xiàn)場分析以及實(shí)驗(yàn)室分析得出磨耗套的磨損機(jī)理以磨粒磨損為主，并伴隨著粘著磨損，磨粒磨損是造成磨耗套磨耗到限的主要原因。

圖10磨損機(jī)理示意圖

4 結(jié)論

針對鐵路貨車制動梁磨耗套的損傷通過現(xiàn)場調(diào)研以及實(shí)驗(yàn)室手段進(jìn)行分析，對磨耗套的損傷得出主要結(jié)論如下：

（1）通過現(xiàn)場調(diào)研發(fā)現(xiàn)磨耗套的損傷以磨損為主，并有部分磨耗套斷裂，磨耗到限是現(xiàn)場淘汰磨耗套的主要原因；

（2）通過利用光學(xué)顯微鏡以及掃描電鏡分析發(fā)現(xiàn)磨耗套下表面磨損嚴(yán)重，并出現(xiàn)側(cè)磨現(xiàn)象，磨耗套的損傷形式有磨痕、異物嵌入、材料剝落和裂紋；

（3）通過對磨損面進(jìn)行EDS元素面掃分析發(fā)現(xiàn)，磨損后磨耗套表面存在金屬元素與氧元素，金屬元素發(fā)生氧化，表面產(chǎn)生氧化磨損；

（4）通過對損傷形式及元素分析發(fā)現(xiàn)，磨耗套在磨損過程中磨損機(jī)理以磨粒磨損為主，伴隨著粘著磨損與氧化磨損；其中磨粒磨損是造成磨耗套磨耗到限的主要原因。

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