行业要闻

        【摘要】车辆制动时，由于闸瓦与车轮踏面相互作用，使车轮踏面产生磨耗、裂纹等损伤，本文对津滨轻轨车轮运用损伤情况总结分析，并提出相关建议。
        【关键词】闸瓦；车轮踏面；磨耗；热裂纹
 
前言
        制动闸瓦安装在制动单元瓦托处，电客车运行中施加制动时，闸瓦与轮对踏面（或制动盘）接触，产生摩擦力，使电客车运行速度降低，保证电客车平稳停车（制动闸瓦属于摩擦介质）。在这一过程中，制动单元要将巨大的动能转变为热能，列车速度越高，制动时车轮的热负荷也越大。如目前使用的合成闸瓦，制动时，闸瓦表面瞬时温度高达500-600℃。当车轮踏面温度增高到一定程度时，就会使踏面磨耗、裂纹或剥离，将影响车轮使用寿命。
1、闸瓦类型
        目前制动闸瓦主要分为铸铁闸瓦、合成闸瓦、粉末冶金闸瓦和复合材料闸瓦等。
        铸铁闸瓦在铁道车辆上使用已有百年以上的历史，主要优点是：1、摩擦系数受环境影响小而较为稳定,具有“全天候”运行特征；2、导热性较好,对车轮热损害小；3、可使车轮踏面粗化,从而获得较大的粘着力,减小车轮的机械擦伤；4、坚固耐用、价格低廉。其主要问题在于制动噪音大，易产生喷射火星，摩擦系数与闸瓦脆性成正比，如提高摩擦系数，闸瓦在使用过程中易出现裂纹，最大的问题是摩擦系数在高速时迅速下降。
合成闸瓦是由有机树脂粘结剂、金属粉末和碳纤维等经充分混炼后成型加工、焙烧而成。改变合成材料的配比,可使合成闸瓦获得不同的摩擦系数,主要优点是：1、摩擦性能可按需要进行调整；2、耐磨性好，使用寿命长；3、重量轻，一般只为铸铁闸瓦的1/2-1/3；4、制动时不产生喷射火星，可减轻对电气设备的不良影响；5、摩擦系数较平稳并能保证有足够的制动力。但合成材料闸瓦也存在不足：其一是材料的导热性差,制动时摩擦热量难以散发，因而车轮温度升高明显，甚至产生热裂；其次是在湿润状态下,摩擦系数显著下降，且闸瓦自身磨耗量有所增加（增加约30%）。 
        粉末冶金闸瓦是以金属粉末为基体,适当添加摩擦剂、润滑剂等成分,通过压制成型、高温烧结而制得。粉末冶金闸瓦具有高而稳定的摩擦系数,耐磨损,导热性优良、抗热裂性好,雨雪天气环境下摩擦系数稳定等优点。其缺点是对车轮刮削倾向大。
        复合闸瓦主要由C/C纤维复合材料和金属基复合材料。具有质轻、高强度、高模量、低热膨胀系数、高抗裂性和优良的耐高温性能,能在1000℃温度下正常工作。但价格昂贵，性价比不高。主要应用在飞机和赛车上。
由于城市轨道交通相对于铁路运营环境较好，轴重小于铁路车辆，因此普遍使用合成闸瓦。        津滨轻轨运营初期，采用国产某品牌粉末冶金制动闸瓦，摩擦系数能够满足制动需求，但在使用过程中发现，该型粉末冶金闸瓦存在较严重闸瓦表面剥离现象，极易出现金属镶嵌，车轮踏面存在较严重沟槽，尤其在雨雪天气，运营结束后基本上需更新整列车制动闸瓦（如下图1 、2），闸瓦表面出现严重剥离、掉块，并存在金属镶嵌，与之配合的车轮踏面出现圆周方向划伤（或沟槽）。        如不及时更新闸瓦，车辆运行制动时，闸瓦产生的金属镶嵌不断剐蹭车轮，使车轮踏面产生严重的沟槽，只能通过镟修消除，严重降低车轮使用寿命，增加了维修成本。 
2.2 合成闸瓦
        由于粉末冶金闸瓦存在较严重地剥离和金属镶嵌问题，津滨轻轨在2005年开始使用进口合成闸瓦，车轮踏面状态得到明显改善，闸瓦金属镶嵌明显减少，尤其在雨雪天气，进口合成闸瓦仅为磨耗量增加，闸瓦未出现剥离和金属镶嵌，踏面表面光滑。
       但随着运用里程不断增加，合成闸瓦对车轮踏面的影响开始显现，最主要问题是踏面热裂纹，通过长期跟踪检查镟修完毕车轮的运用状态发现，在运行超过5000公里时，踏面圆周表面会出现等间距热斑，当运行超过10000公里时，踏面表面会出现微小刻度状热裂纹，随着运行公里增加，热裂纹逐步扩展。车轮踏面热裂纹增多，随着车辆运营里程不断增加，热裂纹逐渐演变成（下图所示）刻度状剥离，且随着运行里程增加，剥离面积不断扩大。         通过对踏面热裂纹镟修发现，热裂纹在轴向长度增大的同时，会向轮辋内部（径向方向）发展，其深度约为裂纹长度的1/6，如图7所示，车轮镟修后，仍存在较严重剥离,造成车轮镟修量增加。3、原因分析
       津滨轻轨目前只使用合成闸瓦，在此仅对合成闸瓦对车轮踏面影响进行分析。
3.1热裂纹产生
        制动闸瓦属于摩擦介质，电客车运行中施加制动时，闸瓦与车轮踏面接触，产生摩擦力，使车辆运行速度降低直至停车，由于闸瓦与车轮轮毂的摩擦过程极为复杂，两者摩擦产生的瞬时温度往往大于500℃，因此，闸瓦的性能直接影响车轮踏面状态。
        踏面热损伤的产生，其原因在于闸瓦导热性能较差，车辆运行中（尤其在ATO模式下），制动频繁，闸瓦与踏面摩擦产生的高温使踏面表层瞬时加热，由于合成闸瓦导热性较差，踏面表层瞬时温度会达到奥氏体相变温度以上，随后在空气中冷却，形成一层很薄的马氏体白层，脆硬的马氏体白层在轮轨接触应力、摩擦力和热应力等反复作用下，使踏面表层逐渐形成热裂纹，在轮轨间接触应力和摩擦力等继续作用下，热裂纹逐渐扩展。当相邻裂纹相接触时（运行超过80000公里），此时踏面热裂纹处就会产生网眼状剥离现象。
3.2金属镶嵌对踏面损伤
        目前合成闸瓦主要成分包括酚醛树脂、碳纤维（或金属纤维）等材料进行混合搅拌，并经过高温高压压制成型，由于制动时闸瓦与车轮踏面摩擦产生高温，在高温作用下，闸瓦中作为粘合剂的酚醛树脂材料溶解，碳纤维（或金属纤维）等材料会随之脱离闸瓦本体，并形成微小的空穴，而闸瓦与踏面摩擦和轮轨间接触应力作用时会产生金属颗粒，这些金属磨粒就镶嵌在闸瓦摩擦产生的空穴中。而这些镶嵌在闸瓦上的金属物，因制动环节产生的冷热循环，以及相关应力作用下，其金相结构已发生了变化，硬度变高，再次制动时闸瓦表面留存的金属杂质不断剐蹭切削踏面，切削下的金属与原有金属杂质在高温高压下融合变大，在闸瓦表面形成金属镶嵌，并导致踏面出现沟槽。4、建议
（1）有效提高闸瓦导热性能有利于降低踏面热裂纹的产生，目前合成闸瓦主要材料为树脂、碳纤维（或金属纤维）等组成，通过有效控制树脂的分解残留物（尽量选用不融树脂），增加闸瓦微孔率，从而提高闸瓦导热性能，有效防止或减少闸瓦对车轮踏面的产生热损伤。自2011年采用新型闸瓦后，再未出现车轮踏面热裂纹，闸瓦金属镶嵌现象也大幅降低。
（2）在地铁车辆设计时建议采用目前技术较为成熟的轮盘制动，进一步减小闸瓦对车轮踏面的影响。
（3）在地铁车辆设计制造初期制定合理的制动分配方案，优化电制动，尽量减少空气制动使用，也可有效降低闸瓦对车轮踏面的影响。
 
 
参考文献：
[1] 王福天.车辆系统动力学[M]. 北京：中国铁道出版社，1994
[2] 李  霞 温泽峰 金学松.地铁车轮踏面异常磨耗原因分析[J]. 机械工程学报，2010（8）
[3] 王章忠.列车制动闸瓦磨损与制动材料分析．机械制造，2003(10)
 
李新宇：天津滨海快速交通发展有限公司运营车辆部，工程师，高级工程师

（来源： 2015中国天津区域轨道交通发展及装备关键技术论坛暨第24届地铁学术交流会论文集 ）