CRH5型动车组制动盘异常磨耗原因分析

高靖添 孟繁辉 姚风龙 杨再保 汝泽洋 原崇洋

(中车长春轨道客车股份有限公司国家轨道客车工程研究中心，130062，长春∥第一作者，工程师)

CRH5型动车组自2007年4月投入运营以来，运行平稳，各项性能指标优异。但是，高寒地区高速铁路的线路最低环境温度在-30 ℃以下，CRH5型动车组在高寒地区运行过程中，其基础制动装置被冰雪包围无法自动散落(见图1)以及制动盘异常磨耗(见图2)现象较为严重。为降低制动系统因制动盘异常磨耗故障对运营秩序的影响，对该故障进行了分析，并提出了有效的解决方案。

图1 制动盘及夹钳单元被冰雪包裹状态

图2 制动盘与闸片之间的金属熔融物

1 异常磨耗产物检查

1.1 宏观检查

制动盘异常磨耗产物如图3所示。异常磨耗产物呈“弓”型，与闸片的接触面表面粗糙并伴有锈迹；磨耗产物整体表面有隆起的“金属瘤”“金属脊”和平坦的挤压面，其边缘可见片状的金属屑，边缘金属屑薄且尖锐如图3 a)所示；隆起的“金属瘤”根部熔融金属因堆积挤压留下的鱼鳞状纹路清晰可见，如图3 b)所示；整体磨耗产物焊合在一起。同时观察磨耗产物与制动闸片，可发现磨耗产物表面凸起的“金属瘤”和“金属脊”与闸片上的孔缝一一对应，如图4所示。

图3 制动盘磨耗产物与闸片接触面的形貌

图4 制动盘磨耗产物与闸片的对应关系

磨耗产物与制动盘接触的表面有圆弧形沟痕，沟痕形貌与制动盘表面异常磨耗的形貌相似。与制动盘相接触的磨耗产物为蓝黑氧化色，多为FeO和Fe3O4，在其中间部分有明显的分层现象。由此可知，磨耗产物是层状堆叠挤压焊合而成的，如图5所示。

图5 制动盘侧磨耗产物形貌

异常磨耗产物形成后夹在闸片与制动盘之间，施加制动时，磨耗产物以类似切削的形式对制动盘造成划伤，被切削下的金属碎屑存留在制动盘与闸片之间。在制动盘与闸片摩擦产生的高温作用下，金属碎屑与磨耗产物焊合在一起，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的异常划伤[2]。同时，异常磨耗产物不断变大；高温也使磨耗产物产生局部软化或局部熔融状态，在闸片压力与高速转动的制动盘带动下，磨耗产物发生移动和变形，并向闸片的空隙处聚集，形成“金属瘤”和“金属脊”；制动结束后，磨耗产物冷却硬化，“金属瘤”和“金属脊”为磨耗产物起到固定和支撑作用。

1.2 微观检查

使用HITACHI JSM-6490L型扫描电镜(SEM)和GENESS 2000XMS型X射线能谱仪(EDS)对异常磨耗产物的正反面进行微观形貌与化学成分检查。

异常磨耗产物表面隆起“金属瘤”的SEM与EDS检验结果如图6和图7所示。由图6和图7可见，“金属瘤”的主要成分是Fe，并包含有Mn、Si和Cr等合金元素，同时还有Al、S、Ca、Cu等杂质元素。该表面平坦位置的SEM与EDS结果如图8所示，其成分与“金属瘤”类似。由此可证明，磨耗产物基本来自制动盘。但对CRH5型动车组制动盘成分进行检查发现，异常磨耗产物表面的Al、Ca、Cu和Si等元素较制动盘GS24CrNiMo445V材料的高。

图6 “金属瘤”扫描电镜检验结果

图7 “金属瘤”能谱仪检验结果

图8 平坦位置扫描电镜及能谱仪检验结果

在异常磨耗产物与闸片接触的表面上还发现了许多如图9所示的细小颗粒，其EDS结果显示：细颗粒密集处Cu的质量分数高达37.38%，由此可知，闸片中Cu的成分转移到异常磨耗产物上；Al、Ca和Si元素的含量偏高，其中Al和Ca并不是制动盘与闸片的成分，且闸片中并不含Si，这些含量偏高的元素可能来源于列车运行线路中的尘埃。

图9 细小颗粒扫描电镜及能谱仪检验结果

磨耗产物与闸片接触面是发生异常磨耗最初的位置，记录有异常磨耗发生初期的相关信息，因此该表面上Al、Ca和Si元素的含量偏高与异常磨耗的起因不无关系。

异常磨耗产物与制动盘接触侧的表面微观形貌如图10所示。图10 a)为平坦的摩擦表面，并可看到分层现象；图10 b)为发生粘着磨损的区域，有条状的粘着物及因粘着磨损而变粗糙的区域。

图10 与制动盘接触侧表面扫描电镜结果

制动盘接触侧表面多个位置的EDS分析结果如图11所示。由图11可见，Al和Si的质量分数较少，且基本不含Ca和Cu元素。Al的质量分数最高值只有0.57%，远低于靠近闸片侧Al的质量分数的最高值4.72%(见图6 b))；Si的质量分数最高值为0.89%，低于靠近闸片侧Si的质量分数的最高值2.23%(见图6 b))。该侧磨耗产物成分基本与制动盘相似，且Al、Ca和Si等杂质较少。因此认为，该侧表面的金属来自制动盘，这与上文关于异常磨耗产物对制动盘产生切削作用并与切屑焊合的推论是一致的。

图11 制动盘侧能谱仪分析结果

1.3 金相及硬度

对异常磨耗产物取样磨制并用4%硝酸酒精腐蚀，在ProgRes C5金相显微镜下进行观察。金相组织如图12所示。由图12可见，试样金相组织发生严重畸变(见图12 a)和图12 b))，基本为铁素体和细小的类珠光体(见图12 c))。异常磨耗产物与制动盘材质相近，这说明异常磨耗产物来源于制动盘。

图12 制动盘磨耗产物金相组织形态

使用HV30维氏硬度计对试样进行硬度测试，载荷选用1 kg，测试结果如表1所示。异常磨耗产物的维氏硬度平均为283.17 HV，折合布氏硬度为279.17 HB[3]，低于制动盘的布氏硬度(≥290 HB)。

表1 制动盘异常磨耗产物硬度值

2 原因分析

通过对磨耗产物的宏观和微观检验发现：制动盘异常磨耗产物基本来源于制动盘；磨耗产物与闸片接触侧表面含有Al和Ca等杂质元素，而Si的含量较制动盘和磨耗产物与制动盘接触侧表面的Si含量高，这些元素与包覆闸片的冰雪混合物中所发现的Al元素、SiO2和Fe2O3的细微颗粒相对应。

雪天闸片有结冰现象，导致制动盘表面易出现轻微划伤；而晴天闸片无结冰现象，制动盘表面较少出现划伤或变粗糙的情况。

综上所述，异常磨耗的原因为：在制动盘异常磨耗初期，由于包覆在闸片上的含有细微硬质颗粒的冰在摩擦热的作用下融化，融化的冰水将硬质颗粒带入闸片与制动盘的摩擦面，导致制动盘受到磨硬质颗粒的磨损，并产生金属碎屑。产生的金属碎屑在闸片的压力与摩擦热的作用下，聚集焊合，形成小块的磨耗产物。小块磨耗产物成为造成制动盘磨损的主要磨料。在闸片压力与高速旋转的制动盘共同作用下，小块磨耗产物发生移动和变形。而闸片的空隙为磨耗产物提供了贮存和支撑作用。

上述过程不断重复，小块的磨耗产物聚集成大块的磨耗产物；且由于闸片中部空隙较易贮存磨耗产物，磨耗产物主要集中在闸片的中部，制动过程中对制动盘造成类似切削的损伤；而闸片中部空隙对磨耗产物起到固定作用，加之闸片周围冰雪的包裹，磨耗产物不能顺利排出。

3 解决措施

针对CRH5型动车组冰雪环境下出现制动盘异常磨耗现象，采取了以下解决措施：

1)加强日常检查。在车辆入库检修时，及时清理闸片上的异物，并查看制动盘是否存在划伤。

2)如遇冰雪天气，应及时采取除冰措施，充分去除转向架部位的冰雪。

3)适当加大制动盘与闸片之间间隙。将制动盘与闸片之间的缓解间隙由2～4 mm调整为3～6 mm。

上述措施实施后，CRH5型动车组冬季运用状况得到了改善，制动盘异常磨耗数量已明显减少。