350 km/h 复兴号动车组制动闸片在服役过程中的磨损行为及其使用寿命预测

2021-05-21李宏伟赵杨坤

铁道机车车辆 2021年2期

李宏伟，赵杨坤

（中车长春轨道客车股份有限公司，长春130103）

制动系统关系到运营安全和乘客体验，是列车的关键系统之一，对于高速列车而言，制动系统中的相关部件工作时处于强摩擦、高热负荷以及较大制动力和离心力等复杂工况下，对零件的性能要求极为苛刻。制动闸片是列车制动系统的关键部件，其性能关系到整个制动系统的稳定性和可靠性，而且随着列车运行速度的提高，对闸片的耐磨耗性能以及工作稳定性要求也越来越高，因此有必要对高速列车的制动闸片，尤其是其摩擦磨损性能开展系统深入的研究。

目前国内对高速列车制动闸片的试验大多是针对闸片所用材料，研究其成分、组织以及其物理、力学和摩擦磨损性能等［1-3］，或是采用一定的试验手段模拟闸片在不同工况条件下的摩擦磨损性能［4-11］，以上研究均是在试验室条件下展开的，对于闸片在实际服役过程中的磨损研究鲜有报道。

由于对高速列车在实际线路运行工况下的磨损情况进行跟踪研究所需周期长，时间成本和人力成本较高，因此这方面的工作开展较少，但此项研究对于了解和掌握闸片在实际服役过程中的摩擦磨损性能、结构可靠性以及闸片与对偶制动盘在实际线路运行工况下的匹配性和长期运行时的功能稳定性具有重要的参考意义，因此本研究针对速度350 km/h 中国标准动车组，开展了制动盘和摩擦副的服役性能跟踪试验，对闸片在实际服役条件下的磨损行为以及全寿命周期内的稳定性进行了统计分析。

1 闸片材料及测试方法

针对我国“复兴号”CR400BF 型动车组，其闸片材料为基于粉末冶金方法生产的Cu 基材料，其中Cu 为基体材料，添加Cr、Fe 为耐磨组元，添加石墨作为润滑组元，与之配套的制动盘材料为GS24CrNiMo445V 铸钢。

在列车行驶一定里程之后拆卸闸片，用游标卡尺测量闸片摩擦块的厚度，并用电子天平测量闸片质量，闸片磨损量用磨损厚度和磨损质量来表示。

对于CR400BF 型高速列车，拖车一根轴上有3对制动盘/闸片摩擦副，共6 副12 块闸片，动车一根轴上有2 对制动盘/闸片摩擦副，共4 副8 块闸片。以每个轴承盖端部的L/R 标示做参考，对同一根轴上的闸片进行命名，拖车分别以LL、LR、ML、MR、RL、RR 表示在一根轴上3 个制动盘摩擦面中的左盘左面、左盘右面、中间盘左面、中间盘右面、右盘左面、右盘右面，动车编号与之类似，分别用LL、LR、RL、RR 表示左盘左面、左盘右面、右盘左面、右盘右面。其中每副闸片选取6 个位置进行摩擦块厚度测量，测量点的编号及分布如图1 所示，对于质量，分别对上闸片和下闸片进行整体测量。

CR400BF-5001 动车组在闸片跟踪测试期内的运行路线及里程统计如图2 所示，由图2 可知，列车在上海-北京区间内运行里程最大，约占33%，其次是合肥-上海区间和昆明-上海区间。

图1 制动闸片及其磨耗跟踪测量位置

2 结果及讨论

2.1 动车制动闸片磨耗

动车不同位置的闸片以及每个闸片上面不同测量点摩擦块的厚度随列车运行里程的变化趋势如图3 所示，由图3 可知，随着列车运营里程的增加，闸片的磨损量不断增加，且磨耗速度有所增加。对于动车制动闸片，LL 和RL 位置，即制动盘左侧的闸片，3 号和6 号摩擦块的磨耗明显大于其他位置的摩擦块，而LR 和RR 位置，即制动盘右侧的闸片，各个位置摩擦块的磨耗程度没有明显规律。

图2 列车运行路线及里程统计

图3 动车闸片磨耗

2.2 拖车制动闸片磨损

拖车不同位置的闸片以及每个闸片上面不同测量点摩擦块的厚度随列车运行里程的变化趋势如图4 所示，由图4 可知，闸片的磨耗速度随运营里程累积有所增加，但增加趋势没有动车明显。此外，对于拖车制动闸片，和动车类似，LL、ML 以及RL 位置，即制动盘左侧的闸片，3 号和6 号位置摩擦块的磨耗明显比其他位置严重，而LR、MR 以及RR 位置，即制动盘右侧的闸片，整体来说3 号、4 号和6 号摩擦块的磨耗程度要高于1 号、2 号和5号摩擦块。

图4 拖车闸片磨耗

由以上分析可知，无论是对于动车还是拖车，整体来讲，同一副闸片上，3 号和6 号位置的摩擦块其磨损量都要大于其他位置，这是因为3 号和6号摩擦块位于闸片边缘，在列车制动时，和制动盘之间的摩擦距离最长，因此磨耗最严重。

一般来讲，金属部件的磨损过程包含3 个阶段：跑合阶段、稳定磨损阶段和剧烈磨损阶段［12］，如图5 所示。在剧烈磨损阶段，由于摩擦部件表面质量下降、接触表面之间的间隙增大以及润滑膜被破坏等原因，会引起摩擦部件的振动，导致磨损速率增加［13］。对于动车闸片，由磨损数据可知，其磨损量较大，服役条件更为苛刻，因此较早进入剧烈磨损阶段，导致闸片磨损速率增加趋势明显，而拖车闸片磨损量较小，所以在跟踪检测期内，闸片磨损速率增加趋势不明显。

2.3 不同位置磨损比较

用磨损质量表示的同一根车轴上不同位置的闸片磨耗如图6 所示，其中图6（a）和图6（b）分别为动车上闸片和动车下闸片，图6（c）和图6（d）分别为拖车上闸片和拖车下闸片。由图6 可知，对于动车闸片，LL、LR、RL 以及RR 位置闸片的磨耗程度无明显规律可循。而对于拖车闸片，无论是上闸片还是下闸片，LL 位置的闸片磨耗程度最为严重，明显高于其他位置，RR 位置的闸片磨耗仅次于LL 位置，也要高于其余位置，即最外侧的闸片磨耗要严重一些。

图5 磨损量与摩擦行程关系曲线

图6 同一车轴上不同位置闸片磨耗

对于外侧闸片磨耗大于内侧闸片磨耗，文献［12］指出，在列车制动时，压缩空气首先推动外侧闸片贴紧制动盘，然后内侧闸片在夹紧力的反作用下才进行夹紧动作，动作顺序的不同引起磨耗量不同［14］。

2.4 动车和拖车闸片寿命预测及对比

速度350 km/h 复兴号动车组在常用制动过程中优先使用电制动力，动车组优化提升了电制动力，能够覆盖4 级常用制动，在电制动力不足时，拖车施加摩擦制动力进行补充，制动力再不足动车施加摩擦制动补充。当动车组低速运行时，为提高黏着的利用，制动系统切换为比例制动模式进行制动力分配，使动、拖车的实际黏着系数尽可能一致。当动车组停车制动时，速度进一步下降，为了保证停车过程列车平稳，电制动退出，摩擦制动补充。实际运用中，摩擦制动通常出现在动车组停车和低速调速时，此时，动车和拖车的制动力基本一致，但拖车的制动力由12 个制动盘来分担，动车由8 个制动盘来分担。因此，根据制动力分配原则分析，动车闸片磨耗将高于拖车。

对实际运用数据进行分析，采用不同指标表征的闸片磨耗曲线及动车和拖车磨耗对比如图7 所示，其中图7（a）为最大磨损厚度，即LL 位置3 号摩擦块的磨损量来表征的磨耗曲线，图7（b）和图7（c）分别为一根车轴上全部闸片的平均磨损厚度和平均磨损质量表征的磨耗曲线。由图7 可知，动车闸片的磨耗程度明显要高于拖车，采用最大磨损表征的磨耗曲线动车和拖车相对比较接近，且磨损速度随里程增加而加剧的趋势明显，而且采用平均厚度和平均质量表征的闸片磨耗曲线趋势较为一致，动车闸片和拖车闸片磨耗相差较大，动车闸片磨耗速度随里程增加而加剧的趋势明显，而拖车闸片磨耗速度随里程增加而加剧的趋势较弱。

闸片磨耗曲线拟合公式及寿命预测见表1，其中对于质量表征的失效磨耗量，由闸片的平均磨损厚度和平均磨损质量之间的线性关系计算得到，当平均磨损厚度为16 mm 时，对应的平均磨损质量为1.1 kg。由表1 可知，基于平均磨损厚度和平均磨损质量的闸片寿命预测较为一致，动车闸片寿命约为115 万km，拖车闸片寿命约为160 万km。基于最大磨损厚度预测的动车闸片寿命111万km，和平均磨损质量的预测值比较接近，基于最大磨损厚度预测的拖车闸片寿命126 万km，要低于平均磨损质量的预测值。

需要指出的是，在实际跟踪测试时，考虑到安全等因素，闸片磨耗测量并不是从全新闸片开始，而是在列车运营约10 万km 时开始测量，而根据上面分析，闸片的磨耗速度会随着列车运营里程的增加而加剧，因此对于全新闸片，根据拟合公式预测闸片的使用寿命应大于表1 中的数据，尤其是对于动车闸片。

图7 闸片磨耗曲线及动车和拖车磨耗对比

表1 闸片磨损拟合公式及寿命预测

2.5 经济性分析

通过对闸片磨损数据的分析及使用寿命的预测，CR400BF 动车组闸片寿命约为115 万km，拖车闸片寿命约为160 万km，既有CRH380B 系列动车组闸片寿命约为40 万km，拖车闸片寿命约为60 万km。对比上述数据，CR400BF 动车组闸片寿命较CRH380B 提高至少一倍以上，降低了对列车制动系统的维护周期，减少维护次数，节约维护成本，具有较大的经济意义。CR400BF 动车组闸片实际使用寿命还需要根据应用情况进一步跟踪和分析。