地铁车辆车轮踏面异常磨耗原因分析

2011-05-04乔青峰

铁道机车车辆 2011年2期

乔青峰

(中国南车集团青岛四方机车车辆股份有限公司技术中心,山东青岛266111)

目前,对于运营速度低于80 km/h的地铁车辆,基础制动方式大都采用踏面制动。由于地铁线路站间距短、车站多、制动频繁,单纯空气制动无法满足制动热负荷要求,所以一般城轨车辆均采用空气制动+电制动,正常工况下,优先使用电制动,电制动力不足时,用空气制动补充,以满足制动能力的需要。由于合成闸瓦的散热性较差,因此制动产生的热负荷超过90%以上被车轮吸收,同时由于车轮不仅承担支撑车辆的质量、运行导向、传递牵引力、制动力等交叉工作,从而使得车轮承受过多的热负荷,当车轮承受的热负荷超过自身承受极限时,车轮踏面出现剥离、热裂纹、异常磨耗等热损伤。另外,部分地铁车辆司机的误操作(频繁使用快速制动),使得制动过程中补充过多的空气制动,制动过程中产生的巨大热负荷,在车轮踏面产生很大的温度梯度,导致产生过大的热应力,最终导致热裂纹、产生异常磨耗。

轮轨异常磨耗长期以来一直是铁路工业难以解决的难题之一,着重就地铁车辆运营过程中碰到的车轮踏面异常磨耗现象,探讨其成因所在。

1 目前城轨车辆主要采用的判定标准

1.1 温度评价依据

通常情况下,由于车轮材料与闸瓦材料热力学性能的差异,车轮踏面材料抵抗高温的能力比闸瓦强,合成闸瓦在温度超过350～400℃时,产生化学反应,伴随着燃烧、烟雾的产生,摩擦副的摩擦性能发生质变,合成闸瓦的磨耗加剧,同时合成闸瓦化学反应产生的衍生物,会加剧车轮的热损伤[1]。

实际制动过程中,由于测量手段带来的偏差,及摩擦副材料的特性,局部摩擦耦合点的温度将会超过测点温度。为安全起见,往往根据闸瓦承受高温的能力来限制车轮踏面最高温升。

1.2 车轮踏面热应力评判基准

评价赫兹接触应力和热应力共同作用引起的车轮损伤,如图1所示,图中横坐标为车轮踏面最大热应力,纵坐标为轮轨接触最大赫兹接触压力,区域A是常用制动区,区域B是少量制动区,区域C是危险区[2]。

2 闸瓦特性对于车轮踏面的影响

为提高闸瓦摩擦材料的热负荷特性,各国都做了很大的努力。1907年英国的费罗多公司首先研制了合成闸瓦。之后,美国、苏联、日本和西欧各国也都相继对合成闸瓦进行了研究和试用,随着配方及其制造工艺的完善,目前普遍被速度低于80 km/h的城轨车辆采用。

合成闸瓦制动过程中产生的热量超过90%被车轮吸收,并且由于闸瓦摩擦材料线膨胀系数较大,易造成车轮踏面局部过热,容易发生各种热损伤[3]。车轮温升主要与摩擦材料单位面积的热传导率有关,因为它控制着摩擦热的分配率,同时,与摩擦面的表面状态也有一定的关系。因此如果使用不当,合成闸瓦对于车轮踏面的工作状态是不利的。

2.1 热龟裂

如果闸瓦与车轮接触不良,局部存在高点、硬点接触,将会在车轮踏面上面产生局部过热,形成热斑,在个别情况下会发生热龟裂。为避免发生上述现象,要求摩擦材料的弹性模量与热斑温度之间的关系为:热斑温度在600℃以下,摩擦材料的常温压缩弹性模量在1 000 MPa以下。由于热斑引起的细小热裂痕通过制动时闸瓦磨耗也有可能消失。另外,通过1∶1试验台的试验观测到频繁高负荷制动、冷却也有可能在车轮踏面产生热疲劳龟裂。

2.2 车轮踏面的沟槽状磨耗

在上海地铁、南京地铁、天津地铁、北京地铁均批量出现过沟槽状磨耗,见图2。全国各地也曾投入大量的人力、物力对此现象进行多方面的研究。

图2 车轮沟槽状磨耗

在制动频繁、热负荷较大的城轨车辆,若电空制动力的分配比例、空气制动的切入点设置不合理,很容易导致此种磨耗,且基本全部出现在拖车车轮,根源在于过高的热负荷导致闸瓦温升过高以及闸瓦的材质、物理性能发生变化,引起合成闸瓦摩擦材料局部摩擦热膨胀。温度越高,这种磨耗在车轮踏面的外侧越容易发展;再加上闸瓦在横向分力下横向摩擦,从而反作用于车轮踏面,导致车轮踏面沟槽状磨耗现象。

2.3 车轮踏面的凹形磨耗

在大雾、雨水、冰、雪较多的季节,车轮踏面易发生凹型磨耗,见图3。据相关文献介绍,北欧诸国车轮踏面此种磨耗较严重,这是由于制动过程中水介入到闸瓦摩擦表面引起的,这种现象通过试验得到证实。

图3 车轮凹形磨耗

造成踏面凹型磨耗的原因是闸瓦把车轮磨削下来的金属碎屑带入到摩擦界面上,由于闸瓦材质较软,将金属碎屑嵌入摩擦材料里面。在水的作用下,通过车轮的摩擦及加热造成淬火变硬,再次制动时,对车轮进行磨削,最终出现凹型磨耗。

2.4 合成闸瓦对车轮踏面的其他影响

合成闸瓦还有可能导致车轮踏面出现热斑、毛细裂纹、热裂纹、踏面剥离[4],上述现象都会对车轮踏面异常磨耗直接或间接产生作用,必须引起足够的重视。

3 地铁车辆电空制动力分配原理剖析

3.1 电空制动力分配原则

传统地铁车辆一般采用4辆编组、或者6辆编组,整列车一般按前后划分为两个单元。制动力的分配往往在单元内完成。目前比较先进的地铁车辆采用网络控制,整列车为一个大单元,制动力可以在整列车内部进行优化、统筹分配。

通常情况下,当车辆速度较高时,车辆首先采用电制动,此时牵引电动机转变为发电机模式,将车辆的动能转化成电能反馈给电网或消耗在制动电阻上。电制动和空气制动(闸瓦制动)尽管制动原理不同,但本质上都属于黏着制动,为了在满载情况下获得最大黏着力,拖车的空气制动开始参与制动。这一过程由制动控制单元软件控制来实现。具体执行步骤如下:

(1)在轮轨黏着力允许的条件下,列车优先采用电制动,若电制动可以满足整列车减速度、制动距离要求,此种工况下,空气制动不参与制动,也就是说拖车需要的制动力此时由动车电制动承担。单元内的一组车辆不再施加空气制动。

(2)当电制动能力不能满足整列车所需的减速度或者动车的黏着系数利用到极限时,空气制动开始参与。此种工况下空气制动如何分配显得尤为重要。

(3)随着速度的降低,电制动能力逐渐减弱,列车的制动力逐渐由空气制动力承担。

3.2 常用制动时电空制动力的分配模式

3.2.1 等黏着利用原则

动、拖车均等效利用轮轨黏着系数,由于动车存在电制动力,且电制动能力基本可以满足动车减速度的需求,拖车的制动力只由空气制动力承担。

一般情况下,在恒制动功率区,在 AW0、AW1载荷工况下,电制动能力可以满足制动减速度的要求,但在AW2、AW3载荷工况下,有部分电制动力不足。在降制动力区,电制动力逐渐消失,空气制动力迅速上升,通过软件控制,优先补充拖车制动力,拖车空气制动力补充到预先设置的黏着极限时,再补充动车的空气制动力,见图4。

图4 等黏着利用制动力分配原则示意图

(1)图4上半部分为速度v=80 km/h时制动,空气制动不足部分由所有车辆均分,一列拖车占整列车制动力的16%。

(2)图4下半部分为随着制动速度降低至54 km/h时,电制动能力上升,动车补充空气制动至设定的黏着极限,其余不足的空气制动力有两个拖车平分,一列拖车占整列车制动力的6.7%。

(3)制动工况为 80 km/h,减速度 1.12 m/s2,100%电制动力,轴重:动车/拖车:12.1 t/13.4 t;初始温度40℃。

(4)此种分配模式下,热负荷计算车轮踏面的最高温度353℃,每个车轮承担的制动能力39.6 MJ。

对于预先设置的轮轨黏着系数,是比较理想的轮轨黏着状态,若轮轨黏着系数不理想,特别是在AW3工况,一旦拖车施加的空气制动力突破实际的轮轨黏着极限,同时由于防滑器的反应滞后,在其开始作用时,车轮已经开始出现微量滑行,导致车轮踏面温度急剧上升,不到0.1 s可局部达到900℃,达到车轮材料的相变点以上,即高温奥氏体相变,迅速冷却时形成脆而硬的马氏体,随着车轮滚动时同钢轨接触,马氏体极易碎裂、脱落,造成车轮踏面的非正常磨耗。

因此在此种制动力分配模式下,设置合理的空气制动介入点,同时合理匹配动、拖车的空气制动力。尤其是拖车位于整列车的首尾两端时,地铁车辆运营时一般不掉头,整列车的头车车轮在承担导向作用的同时,由于头车轮轨黏着系数低,容易受到钢轨表面水、油污、树叶及其他污物的影响。处于首尾两端拖车车轮踏面的工作状态远比编组中间的动车恶劣。在车辆运行速度较高下施加制动,势必造成拖车车轮踏面及闸瓦承受过高的热负荷。

3.2.2 车轮、闸瓦等磨耗利用原则

进入电制动恒功区之前,制动时在黏着系数允许的条件下,将动车的电制动利用到极限,不足的制动力将由空气制动承担,分别由动、拖车所有的车轮均分;进入电制动恒功区后,动车电制动力+空气制动力利用到设定的黏着极限后,不足的制动力由所有拖车均分,见图5。