广州地铁二号线列车闸瓦金属镶嵌问题分析

黎澍

（广州地铁集团有限公司，广东 广州 510310）

引言

广州地铁二号线A5 型列车knorr 制动系统采用Cosid 804（C132945/011）合成闸瓦。在2017 年，车辆检修中陆续发现该型闸瓦摩擦体存在大小程度不一的金属镶嵌物。部分闸瓦金属镶嵌物已掉落运营线路，对行车安全产生一定影响。为了解决A5 车闸瓦金属镶嵌问题，本文在此探讨该型闸瓦金属镶嵌规律及形成原因并提出解决措施。

1 闸瓦金属镶嵌规律

1.1 集中于A5 车Cosid 804 合成闸瓦

二号线前17 列A5 一期车使用knorr 制动系统及配套Cosid 804（C132945/011）合成闸瓦，后11 列A5 二期车使用铁科院EP08 制动系统及配套TKQ600BW05 合成闸瓦，对偶材质均为ER9 轮对（硬度262-311HB）。在相同的线路运营及相同制动管理条件下，后者在现场运营期间无金属镶嵌问题。

二号线A4 型车使用knorr 制动系统及配套Jurid 836（C53912）闸瓦，对偶材质均为R8T 轮对（硬度255-285HB）。现场试验将2 对Cosid 804 闸瓦装车于A4 车、将2 对Jurid 836 闸瓦装车于A5 一期车以及将2 对Cosid 804 闸瓦装车于A5 二期车。跟踪1 个月后，发现A4 车及A5 二期车装有Cosid 804 闸瓦发现金属镶嵌现象，其余无异常，如表1 及图1 所示。从现场验证可初步推断，本次A5 车闸瓦金属镶嵌问题与轮对材质及其硬度无关，仅与所配套使用闸瓦材质相关。

表1 二号线合成闸瓦装车运用

图1 A4 车装车Cosid 804 闸瓦（2 个月）

1.2 集中发生于A 车

统计2017 年10 月～2018 年4 月，新增发现的90起金属镶嵌问题，A 车（即拖车）发现占68 起，占比例76%。此分析该现象与A5 车仍为BCU 管理电制动模式相关，因其电制动仍由BCU 申请管理，存在列车网络传输延时，故此在高速电空混合制动过程，一个区间范围需进行十几秒的高速补气，每次补气制动压力可达1.0bar 以上，如图2 所示。A 车气制动上气时间相对动车较长，故此A 车金属镶嵌问题相对较为严重。

图2 A 车高速补气现象

2 金属镶嵌机理及原因分析

2.1 金属镶嵌形成机理

有关研究表明高摩合成闸瓦金属镶嵌的形成可概括为一个“三步聚集”模型，第一步聚集：高摩合成闸瓦的增摩组元对车轮踏面的犁沟作用产生钢磨屑，钢磨屑聚集形成金属镶嵌点状物；第二步聚集：制动工况中外部变化引起钢磨屑增加，钢磨屑在移动路径上粘连成片，成为宏观上的金属镶嵌条状物；第三步聚集：制动工况中外部持续变化引起金属镶嵌条状物二次突变，形成金属镶嵌块状物，直接影响制动性能及行车安全。

2.2 金属镶嵌原因分析

从“三步聚集”模型可知，金属镶嵌点状物来源于磨屑中的金属颗粒。在相同闸瓦磨耗量下，如果闸瓦同样含金属，则势必会增加摩擦面磨屑的金属含量。但在摩擦面是无法进行对闸瓦金属磨屑进行区分和筛选，阻止其参与金属镶嵌的形成。所以，来自闸瓦的金属颗粒不可避免熔入金属镶嵌物，增加闸瓦金属镶嵌的可能性。

表2 闸瓦断面元素含量

图3 闸瓦断面能谱

2.2.1 寻找闸瓦中的金属

针对Cosid 804 闸瓦断面、闸瓦摩擦面和金属镶嵌物进行了EDS 分析，结果如下：

（1）闸瓦断面的EDS 分析

从图3 及表2 可看出，闸瓦断面含较多金属元素，除去常温下较易氧化的钠、钡、钙、镁、钾等活泼金属元素之外，剩下的铝、铁元素可能性较大。

（2）闸瓦摩擦面的EDS 分析

从图4 及表3 分析，在闸瓦摩擦面上的铁元素含量迅速增加，整个摩擦面构成光亮的类金属感，说明闸瓦中含铁单质的可能性最大。

图4 闸瓦摩擦面能谱

表3 闸瓦摩擦面元素含量

（3）金属镶嵌物的EDS 分析

从图5 及表4 可看出，闸瓦镶嵌物的成分主要是铁，故进一步对闸瓦中金属的铁元素进行分析。

图5 金属镶嵌物能谱

表4 金属镶嵌物表面元素分布

2.2.2 闸瓦金属单质分离

对Cosid 804 闸瓦进行物理粉碎、淘洗分离、筛选及成分验证，具体如下：

（1）物理粉碎

将闸瓦用铣刀慢速切割，粉碎成粉末。

（2）淘洗分离

将闸瓦粉料放入烧杯中，加水搅拌，然后倒出上部液体。铁的比重大，重复多次，分离出质量较轻的组分并进行烘干。

（3）磁力筛选

铁单质具有磁性，且闸瓦本身显示出铁磁性，故用强力磁铁来吸附烘干的组分并不断震荡，倒掉无法吸附的组分，多次筛选后得到银灰色短纤维。

（4）成分验证

经测试，筛选后物质呈导电性，同时将物质放入盐酸中，可发现该物质与盐酸能进行反应产生大量气泡。

能导电物质可是金属或石墨等其他物质，常态下具有铁磁性的物质可是铁合金/氧化物或钴、镍等，从EDS 能谱分析无钴、镍两种元素，则推测物质为铁合金/氧化物。同时能与盐酸反应释放气体且具有磁性，则该物质非弱酸盐而是铁单质。

从结合形态分析，Cosid 804 闸瓦中含有行业中常用的钢棉纤维。根据原始粉末和最终分离出的钢棉质量，估算Cosid 804 闸瓦中钢棉含量在15%左右。

2.2.3 闸瓦硬度测试

为确认Cosid 804 闸瓦硬度情况，使用硬度计测试其洛氏硬度，因闸瓦硬度偏软，无法测出该闸瓦本身HRR 硬度值。

2.2.4 金相组织分析

委托第三方根据《GB/T13298-2015 金属显微组织检验方法》对金属镶嵌物进行检验，基体组织为索氏体，少量珠光体、铁素体，未见马氏体及贝氏体。

2.3 问题原因

通过对Cosid 804 闸瓦及金属镶嵌物的EDS 分析、闸瓦金属单质的来源分析以及闸瓦硬度测试，总结得出二号线A5 车闸瓦金属镶嵌问题的几个可能原因：

（1）Cosid 804 闸瓦含15%左右钢棉，增加了钢磨屑中金属的含量，加剧金属镶嵌的形成。

（2）Cosid 804 闸瓦硬度偏低，摩擦面的钢磨屑容易被压入摩擦面，无法及时排出，加剧闸瓦金属镶嵌的形成。

（3）从金属镶嵌物的金相组织分析中未见高硬度的马氏体、贝氏体，表面金属镶嵌阶段仍处于条状物，对车轮踏面暂无明显影响。

3 结语

以上分析可以看出，Cosid 804（C132945/011）合成闸瓦材质不良缺陷是A5 车闸瓦金属镶嵌问题的主要原因。为避免闸瓦金属镶嵌问题导致车辆制动性能失常及影响行车组织安全，在保证列车制动性能的前提下，选择合适的合成闸瓦换型是直接有效的解决措施。