轨道车辆研磨子金属镶嵌现象分析及预防

江 浪 冯 畅 伍安旭

(中车戚墅堰机车车辆工艺研究所有限公司 江苏 常州 213011)

研磨子是踏面清扫装置的摩擦部件，具有高效修整车轮失圆、提升轮轨黏着力和清扫车轮踏面异物等重要作用，广泛应用于国内的动车组、地铁等轨道列车，为列车的安全运营提供保障。

1 问题的提出

因我国列车运行的环境复杂多变，研磨子在实际运用中也出现过一些异常问题。本文针对某车辆研磨子的金属镶嵌异常现象进行分析(见图1)，图1所示为研磨子的摩擦面出现“金属镶嵌”的情况。该摩擦面“金属片”即为轻微金属镶嵌现象，该现象会降低研磨子的作用效果，针对该现象，有必要对其成因进行分析并加以预防。

图1 研磨子表面金属镶嵌现象

2 “金属片”金相分析

对该研磨子上残留的“金属片”进行了金相分析，镶嵌物形态如图2所示，凹坑形态如图3所示，镶嵌物金相组织如图4所示，镶嵌物能谱成分如图5所示。

图2 32×镶嵌物形态 图3 200×凹坑形态

图4 500×镶嵌物金相组织 图5 镶嵌物能谱成分

金属镶嵌物的正面从整体上看比较平坦，但凹坑放大后能够观察到上面有摩擦痕、犁沟和黏着物。将“金属片”横向剖开，其断面为实体金属，在金相显微镜下观察，可以看到由于反复摩擦而逐渐积聚的层状组织，该组织是由很细的珠光体和铁素体共同组成。

经金相结合能谱分析可确定，该“金属片”为车轮踏面的金属材质经某种方式在局部发生切削，局部产生大量热量致使金属发生熔融并黏附在研磨子上不断沿摩擦面生长形成，是典型的摩擦材料金属镶嵌现象。

3 研磨子金属镶嵌的原因分析

研磨子由具有车轮修形及增黏作用的多种硬质微颗粒与独特配方的摩擦调节材料加压烧结而成，其整体硬度远低于车轮硬度。在正常使用时，磨损主要发生在研磨子上，不会对车轮造成损伤。车轮在运行中的磨损主要为轮轨间的表面疲劳磨损，若该磨损产生的金属磨屑及空气中的沙尘进入研磨子与车轮之间，就可能会对车轮产生磨粒磨损。一般情况下，这些硬质磨屑会与研磨子的磨屑一起排出，但若磨屑不能及时排出，则可能引发金属镶嵌。

影响研磨子产生金属镶嵌的因素主要有以下几个因素：

(1)线路因素。在新线路刚投入使用时，轨道上存在较多的铁屑、锈迹等异物，在列车运行时，异物可能会随着车轮的转动被带入到车轮与研磨子之间。若异物过多，可能会造成研磨子排屑不畅，从而引发金属镶嵌。根据经验，该类金属镶嵌现象一般较轻微，难以损伤车轮，且会随着线路运行时间的增长、线路运行车辆的增多而逐渐减少至消失。

(2)环境因素。在持续潮湿环境下，轮轨表面更易出现锈泥，锈泥积聚在研磨子表面后，其黏性将阻碍研磨子表面磨粒及杂质的排除。尤其在有雪的低温天气，研磨子表面黏度增加且金属磨屑容易硬化聚集，有引发金属镶嵌的风险。

(3)研磨子性能因素。研磨子由于其自身的配方、材料或工艺的原因可能会导致其理化性能异常，排屑性能不佳，在特定的运营环境中的磨屑物黏度增加时，导致磨屑排出困难。

4 研磨子金属镶嵌解决措施

研磨子在我国运用并国产化后，国内在解决金属镶嵌方面做了大量研究。目前，已经基本解决了该问题，根据多年的运用经验，主要采取以下措施进行预防及改善。

(1)合理选择踏面清扫装置控制模式

踏面清扫装置的控制模式包含研磨子的作用压力、作用时机等重要参数。在研磨子作用过程中，车轮与研磨子的摩擦必然会发生车轮磨耗，产生金属磨粒。但是车轮磨耗应控制在合理的范围内，要求研磨子既要对车轮起到修形和增黏作用，又不能引起车轮异常损耗，还需考虑研磨子作用的经济性及可靠性。当车轮磨耗太大时，不仅经济性受影响，研磨子的排屑也更困难。摩擦理论中的黏着磨损方程(公式1)和磨粒磨损方程(公式2)如下：

Q=K×W/3×P0

(1)

Q=Ka×W/H

(2)

式中：Q为总磨耗量；W为法向载荷(正压力)；P0为金属材料的屈服压力；K为微凸体接触点产生1个磨粒的概率；H为较软材料的硬度；Ka为磨粒磨损常数。

可以看出：两种磨损的总磨耗量Q均与法向载荷W即研磨子正压力成正比[1]。由于研磨子在动车组上是由高速时开始运用(有制动信号时)，其作用行程较长，因此发生黏着磨损的微凸体接触点产生磨粒的概率也相应越大(即K值越大)。故在保证研磨子修形和增黏效果的前提下，可适当降低踏面清扫装置作用气压，并采用间歇式动作模式从而减少车轮磨损量，有效降低金属镶嵌发生的概率。

(2)研磨子配方及结构改进

根据线路环境及车辆信息合理选择研磨子填料的种类、大小、含量，选用热稳定性好的酚醛树脂作为黏结剂，降低研磨子的整体黏度，均能改善研磨子在低温、潮湿等恶劣环境下的排屑性能，使研磨子作用时发生磨粒磨损而非黏着磨损，有效降低金属镶嵌出现概率。针对不同功能侧重的研磨子，其配方改进如表1所示。

表1 研磨子功能与配方针对性设计表

对于某些特殊线路，在确保达到所需功能的前提下可考虑采用某些更利于排屑的新型研磨子结构，其减少了摩擦有效接触面积，通过设置的排屑槽可以疏导清扫过程中产生的磨屑及其他异物，又有利于散热。

(3)研磨子产品质量控制

研磨子的各项理化性能指标应符合相应的技术要求，加强研磨子原材料、制造工艺、成品性能等全过程的管控，并对产品的混料均匀性、压制时间、烧结温度等关键工序项点进行科学合理的控制。

5 结语

目前，研磨子产品已经在国内不同运营环境的轨道列车上批量运用，在解决车轮失圆和轮轨黏着方面，取得了令人满意的使用效果。文中针对研磨子可能会出现的金属镶嵌问题的原因进行了总结，对于某些极端环境下的研磨子运用具有一定的参考意义。其中，完成优化改进的新型配方的研磨子和控制模式，已成功运用于国内某型动车组，运营里程逾70万km未再出现金属镶嵌现象。