高寒动车组制动盘异常磨耗原因分析*

李继山

(1　中国铁道科学研究院　机车车辆研究所， 北京 100081;2　北京纵横机电技术开发公司， 北京 100094)



高寒动车组制动盘异常磨耗原因分析*

李继山1，2

(1中国铁道科学研究院机车车辆研究所， 北京 100081;2北京纵横机电技术开发公司， 北京 100094)

调查分析了高寒动车组制动盘异常磨耗与冰冻寒冷天气及制动盘分布位置的相关性；能谱半定量及金相分析显示闸片上金属熔融物主要来自制动盘摩擦环，且制动盘摩擦面材料没有发生相变，为进一步分析指明了方向。分析表明，制动盘异常磨耗是由极端寒冷的冰雪天气环境、冷焊效应、 淬火效应、闸片虚贴、闸片结构因素、夹钳单元制动缓解不彻底以及转向架局部压差和涡流效应等多因素共同耦合作用的结果。提出了具有可操作的改进措施，两年的行车运营结果表明所采取措施取得了良好效果。

高寒动车组； 制动盘； 异常磨耗； 冷焊效应； 淬火效应

2012年12月初全长904 km的哈大线高速铁路开通，开创世界铁路在高寒地区营运的新时代，它是世界上第一条在高寒地区建设的设计速度350 km/h高速铁路，CRH380B高寒动车组设计最高速度为350 km/h，实际持续运营的最高速度为300 km/h，也是世界上速度最快的高寒列车。哈大线开通伊始，CRH380B高寒动车组运营平稳、各项性能指标优异。随着哈大线沿线普降暴雪，最低环境温度降至-30℃以下，高寒动车组基础制动问题开始暴露，基础制动装置被冰雪包围无法自动散落以及制动盘异常磨耗现象较为严重，见图1～图3。截止2013年1月3日已造成超过100例制动盘异常磨耗，制动盘摩擦面划伤沟槽深度轻则1 mm重则7 mm(见图4)，图5为配对闸片摩擦面状况。上述现象对列车运营造成了一定的影响。同时严寒冰雪条件下制动盘异常磨耗现象已严重影响了运营单位对动车组的正常维护工作，也大大增加了运营维护成本。

图1　轴盘及夹钳单元被冰雪包裹状态

图2　轮盘及夹钳单元被冰雪包裹状态

图3　制动盘与闸片之间的金属熔融物

图4　制动盘异常磨耗情况

图5　闸片摩擦面上的金属熔融物

1　制动盘异常磨耗原因分析

1.1金属熔融物材料检测分析

对闸片摩擦块上的金属镶嵌物进行金相分析及能谱半定量分析。分析检测位置见图6～图7，在制作试样过程中，由于试件破碎，因此各分析部分为大致位置。

图6　金相分析试样位置

图7　能谱半定量分析试样位置

(1) 能谱半定量分析

在显微镜下观察表面形貌，并采用EDX半定量方法对试样表面进行成分分析，结果见图8。能谱半定量分析结果显示，金属熔融物主要含C、Si、Mn、Cr、Mn等元素，与制动盘技术材料相同，同时还存在氧化物及其他成分。

图8　能谱半定量分析

(2) 金相分析

对被试金属熔融物样件磨制后用4%硝酸酒精腐蚀，其金相组织如图9所示。分析结果显示试样金相组织为铁素体和珠光体，该结果与制动盘金相组织接近。

图9　金属熔融物金相组织

通过能谱半定量分析及金相组织分析,可以认定闸片上金属熔融物是从制动盘盘环上刮下并转移堆积到闸片表面上。

1.2金属熔融物堆积原因分析

(1) 闸片虚贴因素分析

正常情况下制动盘与闸片两侧间隙之和为1.5～4 mm，而实际车上制动盘与闸片间隙往往是上小下大[1]。现场调研发现部分闸片在静态时与制动盘有虚贴现象，另外还有一些制动盘与闸片之间的左右间隙差别较大也容易产生闸片偏磨或虚贴现象。闸片虚贴的结果是，当夹杂有沙粒等硬质颗粒的冰雪处于制动盘和闸片之间，制动后冰雪中的硬质颗粒容易夹在闸片摩擦块表面无法顺利排出，进而会对制动盘造成潜在的异常伤害。

(2) 制动缓解不彻底因素分析

在制动过程中，制动盘和闸片会产生一定的热量，车辆运行扬起的积雪接触到温度较高的制动盘时会迅速融化并在离心力作用下甩在制动夹钳上，并逐渐形成很厚的冰冻包裹层(见图1)。冰冻包裹层可能使制动结束后闸片不能彻底缓解，进而导致制动盘与闸片长期处于接触磨损(接磨)状态，持续磨损加速了制动盘及闸片的损伤。

(3) 冷焊效应因素分析

由于动车组闸片是以铜和铁为主要成分的粉末冶金闸片，而制动盘材料为铸钢。这就使闸片与制动盘的金属接触面间在一定压力下有相对切削运动，进而使分子膜、污染膜被清除，氧化膜遭到破坏，金属裸露原子相互接触，为发生冷焊提供了条件[2]。闸片和制动盘两接触面间发生的粘结和原子间的键结，即所谓的冷焊效应使闸片表面堆积金属熔融物成为可能。

1.3局部压差和涡流作用的影响分析

图10为发生在某局的CRH380B动车组2012年冬季异常制动盘所在位置统计情况。由图10可以明显看出，异常制动盘绝大多数分布在第2,4,5,7车(拖车)，共109例，而分布在第1,3,6,8车(动车)的异常磨耗制动盘数量为21例。从对转向架进行空气动力学有限元分析结果看，动车组在高速运行过程中，拖车转向架部位更容易产生局部压差和涡流，容易使卷起的冰雪附着在转向架部位，特别是基础制动被冰雪包围更容易造成制动摩擦副工作在潮湿环境，从而为制动盘异常磨耗创造了条件。因此在冰雪天气环境下，拖车转向架局部压差和涡流作用较强也是制动盘异常磨耗的主要耦合原因之一。

图10　异常磨耗制动盘位置分布统计(2012年冬季)

1.4闸片结构因素分析

CRH380B动车组闸片由18个小摩擦块组成，该闸片部分摩擦块之间间隙较小，容易使异物夹杂在摩擦块缝隙间，另外在冰雪天气制动过程中闸片及制动盘之间的磨削物与冰雪混合物也容易留存在摩擦块之间的缝隙中，从而可能对制动盘造成潜在的异常划伤现象[3]。

经分析闸片摩擦材料化学成份可知，用于CRH380B高寒动车组闸片主要金属元素由Cu、Fe等元素组成。在高速摩擦制动过程中，制动盘与闸片磨削物中的铁元素与制动盘铁元素之间有较强的亲和性，使制动盘在高温环境下发生异常磨损成为可能。

1.5冰雪天气对制动盘异常磨耗影响分析

哈尔滨—大连(哈大线)开通不久，制动盘划伤主要集中在3个阶段：2012年12月4日～8日、2012年12月22日和2012年12月30日～2013年1月1日。图11 为制动盘异常磨耗发现时间和故障数量柱状图。表1是哈大高铁沿线沈阳、大连、长春和哈尔滨4地历史天气状况。从图10和表1能够明显看出制动盘划伤严重现象均出现在冰雪天气当日或之后的3日内，说明制动盘异常划伤与冰雪天气具有极大的相关性。

图11　故障发生时间和故障数量

地点2012-12-022012-12-032012-12-042012-12-072012-12-082012-12-202012-12-212012-12-292012-12-302013-01-01沈阳大雪大雪晴晴晴中雪小雪小雪晴阵雪大连暴雷中雪中雪小雪小雪小雪小雪小雪晴阵雪长春中雷中雪晴晴小雪中雪小雪阵雪晴阵雪哈尔滨阵雷中雪晴晴阵雪阵雪阵雪中雪多云阵雪

1.6淬火效应是制动盘异常磨耗根本原因

在冰冻环境中运行的高速列车闸片与制动盘相互摩擦，路基中沙粒或者外来硬质异物混合在冰雪中，并包裹在闸片和制动夹钳上不易排出。这些异物磨削了制动盘，产生金属磨屑或切削出金属丝。金属磨屑或金属丝与制动盘相比，热容量小得多，所以在制动时这些小块金属温度比制动盘温度高很多，在冬季寒冷天气时，它们的冷却速度比制动盘快很多，因而硬度比制动盘高，所谓的淬火效应，制动摩擦时就容易从较软的制动盘向较硬的小块金属转移。上述过程周而复始，就会加重磨削制动盘。可见，严寒冰雪天气是动车组制动盘异常划伤现象的诱因，而外界硬质颗粒异物夹在制动盘和闸片摩擦面之间不能脱落引起制动盘划痕，由此产生的金属切削物持续磨削制动盘表面并导致金属在闸片表面堆积，进而造成对制动盘摩擦表面异常划伤。

2　应对措施

针对哈大线动车组冰雪环境下出现制动盘划伤现象，采取了以下应对措施：

(1) 加强日常检查。制动盘划伤是一个积累的过程，如果在制动盘出现轻微划伤时，及时清理闸片上的异物，就不会导致严重的后果。因此建议运营单位在日常库检过程中，采用目测与触摸相结合的检查方法，一旦发现制动盘出现划伤，在当天动车组入库时应对出现划伤的制动盘对应的闸片进行拆检，清除闸片上的异物。如果闸片上有明显金属镶嵌，应对闸片进行更换。

(2) 进库采取除冰措施，充分去除转向架部位的冰雪，出库时转向架须保持干燥状态；出库时施加除冰制动，途中调速施加5级以上大压力制动。

(3) 改进闸片结构。根据表面设计相关原理，在保证与现车闸片接口尺寸、安装空间一致的情况下，对原车闸片各摩擦块之间间隙小导致冰雪不易脱落的现象，可对高寒粉末冶金闸片结构进行优化通过加大闸片各摩擦块之间间隙，使摩擦块间的间隙连续、流畅，避免出现死角。在保证闸片制动摩擦磨损性能与现车闸片一致的前提下，改进闸片摩擦材料配方，适当减少闸片材料中铁元素的含量而增加铜元素的含量，使制动盘与闸片磨削物中的铁元素与制动盘铁元素之间有较强的亲和性降低，将会对制动盘和闸片摩擦副在高寒天气环境中的工作特性起到良好的作用。

(4) 适当加大制动盘与闸片之间间隙。对制动夹钳单元结构进行优化改进，适当加大制动盘与闸片之间间隙，便于制动盘与闸片之间的异物顺利脱落。

(5) 应急措施。对于必须上线运行但需要旋修或更换制动盘的车，可切除故障车单轴制动或整车制动；对于切除整车制动的动车组按中国铁路总公司动车组途中应急故障处理手册中相关规定限速运行。

上述措施实施后，2013年和2014冬季CRH380B动车组运用状况大大改善，制动盘异常划伤的数量已明显减少，而且制动盘划伤的严重程度也远远小于2012年冬季。

[1]韩晓辉,李业明,赵春光,等.高速动车组制动夹钳单元运行振动分析[J],铁道机车车辆,2011,31(10):117-120.

[2]黄真.碳钢表面机械合金化制备高Cr合金层的研究[D],南京航空航天大学,2008,44-46.

[3]李继山,李和平,韩晓辉,等.高寒动车组粉末冶金闸片研制[J],铁路技术创新,2015,(2):95-98.

Analysis on Abnormal Wear of Brake Disc of Severe Winter Resistant EMU

LIJishan1，2

(1Locomotive and Research Institute, China Academy of Railway Sciences, Beijing 100081, China；2Beijing Zongheng Electro-Mechanical Technology Development Co., Beijing 100094, China)

It has been invested and analyzed that the relativity on severe winter climate and distribution of positions with abnormal wear of the brake disc of severe winter resistant EMU. The results of semi-quantitative spectroscopy and microstructure analysis showed that the metal melt on the brake pad was from the friction ring of the brake disc, and the metal melt microstructure from brake disc material didn't changed, which pointed out the direction of further study. Analysis results showed the reasons about abnormal wear brake discs as follows: extreme cold weather, cold welding effect, quenching effect, brake pad without fitting and disc ring, brake pad structural constraints, the caliper unit without releasing, partial pressure and eddy current coupling effects under the bogie, etc. which is the result of common coupling effect. Some improvement measures have been proposed，and driving operation results showed it has been achieved good results.

severe winter resistant EMU; brake disc; abnormal wear; cold welding effect; hardening effect

1008-7842 (2016) 02-0020-04

��)男，副研究员(

2015-11-09)

U266.2.8

Adoi:10.3969/j.issn.1008-7842.2016.02.04

*中国铁路总公司科技研究开发计划项目(2014J004-G)；中国铁道科学研究院科技研究开发计划项目(2014YJ046)