CRH5型动车组制动盘异常磨耗原因分析

CRH5型动车组制动盘异常磨耗原因分析

郎利平，孙雪飞

呼和浩特机务段 内蒙古乌兰察布010050

摘要：高速铁路运行过程中具有安全舒适、节能环保、快速方便、输送能力大等优点，在经济发展、人民生活等方面发挥着巨大的作用，受到越来越多的国家所重视。通过不断地积累自身技术成果和对国外先进科技的引进吸收、发展创新，在轮轨系统、制动系统等方面取得巨大进展，让我国高速铁路得以迅速崛。高速铁路的线路最低环境温度在一30℃以下，CRH5型动车组在高寒地区运行过程中，其基础制动装置以及制动盘异常磨耗现象较为严重。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。

关键词：CRH5型动车组、制动盘；磨耗

一、摩擦磨损机理及影响因素

早期时候，由于研究手段与方法的限制，国内学者一直从事寻找适宜高速列车使用的制动材料研究，对于列车制动系统的失效机制探讨较少。现阶段，随着测试技术以及有限元与仿真分析方法的进一步发展，国内学者已逐步开始对制动过程中的颤振、表面温升、损伤机制等进行深入的探讨分析。[2]利用 ANSYS 有限元分析软件的非线性多场耦合分析方法，建立了三维瞬态盘式制动装置的热-结构耦合模型。其综合考虑了变化的移动热源、制动盘与闸片的弹性变形以及界面摩擦热流等影响因素的共同耦合作用，发现制动盘表面接触应力分布受到制动盘和闸片的变形、摩擦力以及摩擦热-结构耦合等因素的共同影响。利用热耦合边界条件建立三维高速制动盘热分析模型，通过模型得到在制动开始时存在一个延迟效应，制动盘最高温度出现在制动过程中期。通过仿真数值模拟和试验分析发现，高速列车紧急制动时制动盘摩擦表面中部区域温升最高，引起制动盘热膨胀、体积增加；同时因为筋板拥有良好的散热性能，使得筋板出制动盘材料温度和摩擦面之间温度差增大，使得在筋板对应处出现最大热应力。关于高速列车摩擦制动过程的仿真计算和试验研究所取得的成果对于揭示制动盘损伤规律奠定了坚实的工作基础。为保障高速列车制动系统的安全运行，必须全面认识和揭示低温服役环境中高速制动摩擦副的行为演变与失效机制，从而为提高高速列车制动系统的可靠性、延长服役寿命提供理论依据。

二、制动盘异常磨耗原因

1、金属熔融物材料检测。对闸片摩擦块上的金属镶嵌物进行金相分析及能谱半定量分析。分析检测位置在制作试样过程中，由于试件破碎，因此各分析部分为大致位置。

(1)能谱半定量分析。在显微镜下观察表面形貌，并采用EDX半定量方法对试样表面进行成分分析，能谱半定量分析结果显示，金属熔融物主要含C、Si、Mn、Cr、Mn等元素，与制动盘技术材料相同，同时还存在氧化物及其他成分。

(2)金相分析。对被试金属熔融物样件磨制后用4％硝酸酒精腐蚀，其金相组织如图所示。

分析结果显示试样金相组织为铁素体和珠光体，该结果与制动盘金相组织接近。通过能谱半定量分析及金相组织分析，可以认定闸片上金属熔融物是从制动盘盘环上刮下并转移堆积到闸片表面上。

2、金属熔融物堆积原因分析

(1)闸片虚贴因素分析。正常情况下制动盘与闸片两侧间隙之和为1．5～4mm，而实际车上制动盘与闸片问隙往往是上小下大。现场调研发现部分闸片在静态时与制动盘有虚贴现象，另外还有一些制动盘与闸片之间的左右间隙差别较大也容易产生闸片偏磨或虚贴现象。闸片虚贴的结果是，当夹杂有沙粒等硬质颗粒的冰雪处于制动盘和闸片之间，制动后冰雪中的硬质颗粒容易夹在闸片摩擦块表面无法顺利排出，进而会对制动盘造成潜在的异常伤害。

(2)制动缓解不彻底因素。在制动过程中，制动盘和闸片会产生一定的热量，车辆运行扬起的积雪接触到温度较高的制动盘时会迅速融化并在离心力作用下甩在制动夹钳上，并逐渐形成很厚的冰冻包裹层。冰冻包裹层可能使制动结束后闸片不能彻底缓解，进而导致制动盘与闸片长期处于接触磨损(接磨)状态，持续磨损加速了制动盘及闸片的损伤。

(3)冷焊效应因素。由于动车组闸片是以铜和铁为主要成分的粉末冶金闸片，而制动盘材料为铸钢。这就使闸片与制动盘的金属接触面间在一定压力下有相对切削运动，进而使分子膜、污染膜被清除，氧化膜遭到破坏，金属裸露原子相互接触，为发生冷焊提供了条件心。闸片和制动盘两接触面间发生的粘结和原子间的键结，即所谓的冷焊效应使闸片表面堆积金属熔融物成为可能。

3、局部压差和涡流作用的影响。在CRH5动车组冬季异常制动盘可以明显看出，异常制动盘绝大多数分布在第2，4，5，7车，在第1，3，6，8车的异常磨耗制动盘，从对转向架进行空气动力学有限元分析结果看，动车组在高速运行过程中，拖车转向架部位更容易产生局部压差和涡流，容易使卷起的冰雪附着在转向架部位，特别是基础制动被冰雪包围更容易造成制动摩擦副工作在潮湿环境，从而为制动盘异常磨耗创造了条件。因此在冰雪天气环境下，拖车转向架局部压差和涡流作用较强也是制动盘异常磨耗的主要耦合原因之一。

4、闸片结构因素。动车组闸片由摩擦块组成，该闸片部分摩擦块之间间隙较小，容易使异物夹杂在摩擦块缝隙间，另外在冰雪天气制动过程中闸片及制动盘之间的磨削物与冰雪混合物也容易留存在摩擦块之间的缝隙中，从而可能对制动盘造成潜在的异常划伤现象。经分析闸片摩擦材料化学成份可知，用于CRH5动车组闸片主要金属元素由Cu、Fe等元素组成。在高速摩擦制动过程中，制动盘与闸片磨削物中的铁元素与制动盘铁元素之间有较强的亲和性，使制动盘在高温环境下发生异常磨损成为可能。

5、冰雪天气对制动盘异常磨耗影响。制动盘划伤为异常磨耗发现时间和故障，能够明显看出制动盘划伤严重现象均出现在冰雪天气当日或之后的3日内，说明制动盘异常划伤与冰雪天气具有极大的相关性。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A1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A1元素、SiO，和Fe2，O3。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。

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，形成的磨耗产物。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。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。

参考文献：

[1]韩晓辉，李业明，赵春光．高速动车组制动夹钳单元运行振动分析EJ]，铁道机车车辆，2018，31(10)：10．

[2]刘海东, 苏梅, 彭宏勤. 城市轨道交通列车制动问题研究[J]. 交通运输系统工程与信息, 2019, 11(6): 93-97.