城轨车辆用踏面清扫瓦的研制

白亮亮，邹 攀，段明民，孙广合，焦标强

（1 重庆市轨道交通（集团）有限公司，重庆130062；2 中国铁道科学研究院 机车车辆研究所，北京100081）

速度80km／h以上的城市轨道交通车辆多使用盘形制动装置，采用盘形制动后踏面不参与摩擦制动过程，加之线路曲线段地面涂油器喷油时经常将润滑油脂喷涂在踏面上，此时车轮与钢轨的黏着条件较差且在黏着系数下降后不能迅速恢复，这导致车轮擦伤机会大大增加。因此，部分采用盘形制动系统的城轨车辆使用了踏面清扫器来清扫车轮踏面，以使踏面恢复正常黏着条件［1］。

清扫瓦是踏面清扫器的重要组成部分，它能为轨道交通车辆提供一种在雨、雪、沙尘、油污等恶劣天气下，彻底清除车轮踏面上杂物的安全保障。

1 城轨车辆踏面清扫瓦的特点

我国大铁路车辆踏面清扫瓦多使用高磷铸铁闸瓦，铸铁闸瓦价格低廉，但在使用过程中容易出现火花、噪声等不良现象，另外铸铁闸瓦自身的磨耗量也比较大。

城市轨道交通车辆由于城市空间的限制，大多运行于地下隧道，隧道沿线铺设有大量的电缆等通讯设施，如果使用铸铁闸瓦则有可能因为制动火花导致隧道内发生火灾隐患。另外，铸铁闸瓦使用过程中发出的噪声也会降低城轨车辆的乘坐舒适度。

基于以上分析，本文所研制的城轨车辆踏面清扫瓦采用有机合成材料制成，有机合成闸瓦可有效控制产生制动火花，且制动噪声小。城轨车辆踏面清扫瓦主要性能指标符合低摩有机合成闸瓦（TB／T 2404－1999）的相关要求，同时适当降低材料硬度和强度，同时控制清扫瓦摩擦系数在合理范围以避免影响列车总体制动力。

采用踏面清扫瓦不仅能够保证车轮踏面的清洁，而且达到改善黏着系数的目的，从而减少车轮的滑行和擦伤。

2 试验

踏面清扫瓦的清扫效果、磨损率大小、抗热衰退性能、制动噪声以及在油、水条件下的清扫稳定性等，与清扫外原料的种类和用量密切相关。

制造清扫瓦的原料包括酚醛树脂、丁腈橡胶、芳纶纤维、石墨／炭黑、铁粉、铝粉、长石、硫酸钡等。制造过程是首先将各种原料混合均匀，再经过成型和加热固化。酚醛树脂、丁腈橡胶、芳纶纤维形成耐高温的骨架材料。石墨是调节摩擦系数的材料，有利于提高导热系数，但对轮轨黏着有一定的影响，而且含量多了之后，又影响闸瓦耐水性能、机械强度及耐磨性能。硫酸钡在高温时能保证一定的机械强度，其含量对摩擦系数有影响。铁粉有利于降低温度，减小热衰退，它还影响踏面清扫瓦的增黏性能。长石粉可调节摩擦系数的高低。减摩剂可调节摩擦系数。

用HBRV－187.5型硬度计测试材料布氏硬度HB，按照相关标准测试材料的吸水率和吸油率。在MM1000II摩擦磨损试验机上测试材料的摩擦磨损性能，试验机的惯量按照车辆轴重14t，轮径840mm换算。测试过程如下：

（1）磨合试验

在制动初速80km／h时，按照15kN的闸瓦压力连续磨合，使车轮踏面与闸瓦的接触面积达70%以上，测量每闸试验的瞬时摩擦系数及踏面表面最高温度。

（2）摩擦试验

闸瓦压力为280N，每闸持续试验时间40s，每闸间隔120s。进行下列速度序列试验：20，40，60，80，100，110，100，80，60，40，20km／h。记录瞬时及平均摩擦系数、制动时间、踏面和闸瓦温度。

（3）潮湿工况下试验

洒水量14dm3／h，闸瓦压力为280N，每闸持续试验时间40s，每闸间隔120s。进行下列速度序列试验：20，40，60，80，100，110，100，80，60，40，20km／h。记录瞬时及平均摩擦系数、制动时间、踏面和闸瓦温度。

（4）检查

试验中观察制动过程是否有火花，踏面有无热红带以及噪声和烟尘情况，观察闸瓦摩擦表面有无裂纹、剥离凹陷、粘结剂渗出等缺陷。试验结束后，检查车轮踏面和闸瓦的表面状态。

3 试验结果

将清扫瓦切成标准试块，按照TB／T 2404－1999标准要求测试了其各项物理指标，包括密度、布氏硬度、吸水率、吸油率，汇总在表1中。表中的各项物理性能指标能够达到相关标准对有机合成闸瓦的要求。

表1 清扫瓦的物理性能

按照上面的测试方法对清扫瓦的摩擦性能进行了测试，不同制动初速度下的平均摩擦系数、摩擦块最高温度以及踏面最高温度列于表2中。

表2 清扫瓦的摩擦性能

从表2可以看出，在所有制动测试过程中，摩擦块的最高温度较低，不超过145℃。在各个制动初速度下，平均摩擦系数基本稳定在0.20左右。图1是制动初速度为100km／h下的摩擦系数曲线，可以看出清扫瓦以100km／h初速度施加清扫动作时，闸瓦瞬时摩擦系数平稳。

图1 制动初速度为100km／h下的摩擦系数曲线

所有模拟制动过程无噪声、无火花。踏面表面平整光滑，没有出现沟状划痕、热斑、裂纹等现象；闸瓦没有裂纹、金属镶嵌现象。

4 应用介绍

重庆轨道交通6号线是重庆轨道交通建设规划中的一条重要线路，其车辆采用4动两拖的编组方式，最高运行速度达100km／h，拖车制动系统采用盘形制动方式。由于重庆市是中国著名的“山城”，特殊的地理环境导致重庆轨道交通6号线线路条件相对比较复杂，线路长大坡道较多、且气候潮湿。

潮湿环境往往会降低车辆轮轨的黏着系数，线路坡道区段较多也使得车辆运行过程中需要更加频繁的进行制动动作，这些客观因素的叠加大大增加了城轨车辆制动过程中产生滑行的风险，基于上述客观原因，在车辆设计时专门为拖车的每个车轮增设了踏面清扫装置，以降低滑行造成车轮擦伤的危险。

为验证重庆地铁6号线踏面清扫装置的踏面增黏效果，试验人员在重庆地铁6号线实际线路进行了踏面清扫效果对比测试试验。测试中首先在切断踏面清扫装置的条件下以特定工况使车辆在制动过程中发生车轮打滑，然后打开踏面清扫装置再在相同的线路条件及测试工况下重复试验过程。

图2为切断踏面清扫装置时的制动测试数据曲线，从图中可以看出，在特定工况下列车速度降至30km／h左右时车轮开始出现打滑现象，而图3为踏面清扫装置投入使用时的制动测试数据曲线，从图中可以看出，在相同线路区段、相同制动工况下，当踏面清扫装置投入后制动过程中没有出现车轮打滑现象。

5 结论

（1）采用有机合成材料制造清扫瓦，其各项物理性能指标达到相关标准对合成闸瓦的要求；

（2）按照地铁运行条件，制动测试过程中清扫瓦摩擦系数稳定在0.2左右，温升较低不会对车轮造成不良影响；

（3）实际线路测试证明盘形制动系统采用踏面清扫装置可迅速提高轮轨黏着系数，有效改善车轮踏面的黏着条件，降低车轮踏面擦伤的风险。

图2 AW3载荷，初速度60km／h紧急制动试验曲线（没有踏面清扫）

图3 AW3载荷，初速度60km／h紧急制动试验曲线（制动过程中施加踏面清扫）

［1］王 莹，卢连生.SZP7型踏面清扫器的研制［J］.铁道机车车辆，2009，29（4）：83－84.

［2］孙福祥，杨伟君.50年来我国铁路车辆闸瓦（闸片）的发展［J］.铁道机车车辆，2007，27（1）：1－4.