廣州地鐵4號(hào)線車輛制動(dòng)盤異常磨耗調(diào)查分析及解決對(duì)策

巫紅波

（廣州地鐵 車輛中心，廣東廣州510730）

廣州地鐵4號(hào)線列車在國內(nèi)率先使用直線電機(jī)運(yùn)載技術(shù)，整列車由四節(jié)全動(dòng)車組成。列車編組為A-B-B-A，其中A車為帶司機(jī)室的車輛，B車為不帶司機(jī)室的車輛。直線電機(jī)車輛具有爬坡能力強(qiáng)、轉(zhuǎn)彎半徑小以及輪緣磨耗小、維護(hù)成本低等特點(diǎn)。4號(hào)線自2005年底開通以來，一直存在制動(dòng)盤磨耗偏大且凹陷偏磨等異常磨耗問題，致使制動(dòng)盤使用周期縮短，維修成本上升。本文從車輛制動(dòng)方式介紹及制動(dòng)盤異常磨耗調(diào)查分析入手，對(duì)廣州地鐵4號(hào)線制動(dòng)盤異常磨耗的原因進(jìn)行探討，并采取了一些積極措施，取得了明顯效果，這對(duì)延長(zhǎng)制動(dòng)盤使用周期，降低維修成本具有十分重要的意義。

1 車輛制動(dòng)方式介紹

地鐵具有站間距短、車站多、制動(dòng)頻繁的特點(diǎn)，由于純空氣制動(dòng)時(shí)制動(dòng)盤的制動(dòng)熱負(fù)荷要求大，對(duì)制動(dòng)盤、閘片的磨耗較大，因此一般地鐵車輛采用電空混合的制動(dòng)方式?？諝庵苿?dòng)方式是通過閘片與制動(dòng)盤摩擦生熱將列車動(dòng)能轉(zhuǎn)換為熱能，并最終消散于大氣?？諝庵苿?dòng)方式需要通過制動(dòng)盤與閘片之間的摩擦來產(chǎn)生制動(dòng)力，制動(dòng)盤與閘片的摩擦過程必然帶來制動(dòng)盤的磨損，因此一般在電制動(dòng)力不足或非常情況下空氣制動(dòng)才投入使用。地鐵車輛每節(jié)車都配備有空氣制動(dòng)裝置，都可以通過空氣制動(dòng)的方式來實(shí)現(xiàn)列車減速的目的［1］。

廣州地鐵4號(hào)線列車最高運(yùn)行速度達(dá)90km／h，且線路坡道較大，基礎(chǔ)制動(dòng)方式采用盤形制動(dòng)。其制動(dòng)方式是采用電空混合制動(dòng)，正常工況下，優(yōu)先使用電制動(dòng)，電制動(dòng)力不足時(shí)，按等磨耗方式進(jìn)行空氣制動(dòng)補(bǔ)充，以滿足制動(dòng)能力的需要。

廣州地鐵4號(hào)線車輛每個(gè)軸上安裝兩個(gè)外徑為530mm，內(nèi)徑為270mm的軸裝制動(dòng)盤，可磨耗量為7 mm。如圖1所示，軸裝制動(dòng)盤為灰口鑄鐵材質(zhì)，包括帶有散熱筋的摩擦盤、盤轂，安裝在車軸外側(cè)。

圖1 4號(hào)線軸裝制動(dòng)盤結(jié)構(gòu)示意圖

2 原車制動(dòng)盤異常磨耗狀況現(xiàn)狀調(diào)查

對(duì)廣州地鐵4號(hào)線原車進(jìn)口制動(dòng)盤磨耗現(xiàn)狀進(jìn)行調(diào)查得知，該線路車輛制動(dòng)盤摩擦面普遍存在偏磨較大、凹形磨損嚴(yán)重等現(xiàn)象，車輛運(yùn)營3、4年后有較多制動(dòng)盤已經(jīng)磨耗到限（見圖2），增加了車輛維修成本。如圖3所示原車未到限制動(dòng)盤凹形深度達(dá)2.25mm，制動(dòng)盤靠近內(nèi)圈磨耗快，盤面成凹形。

圖2 磨耗到限制動(dòng)盤

圖3 廣州地鐵4號(hào)線原進(jìn)口制動(dòng)盤凹形磨損

對(duì)廣州地鐵4號(hào)線1至23車的制動(dòng)盤磨耗情況調(diào)查統(tǒng)計(jì)，由于盤面上普遍存在凹形磨損，因此在測(cè)量磨耗時(shí)測(cè)量點(diǎn)取制動(dòng)盤最薄處。根據(jù)測(cè)量結(jié)果并結(jié)合所調(diào)查列車的運(yùn)營里程，得到制動(dòng)盤每萬公里的磨耗量。制動(dòng)盤磨耗量統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖4所示。圖2表明各車制動(dòng)盤磨耗量分布在0.08～0.14mm／萬km之間，平均磨耗量為0.107mm／萬km，制動(dòng)盤平均使用壽命為66萬km。如果列車每年運(yùn)營15萬km，則制動(dòng)盤平均使用壽命為4.4年。

一般來講，地鐵列車在電制動(dòng)發(fā)揮正常情況下，制動(dòng)盤的使用壽命一般在6～10年。可見廣州地鐵4號(hào)線制動(dòng)盤平均使用壽命較短，屬異常磨耗狀態(tài)。

圖4 制動(dòng)盤磨耗量

3 制動(dòng)盤異常磨耗原因分析及改進(jìn)措施

制動(dòng)盤和制動(dòng)閘片通過摩擦接觸傳遞制動(dòng)力，必然會(huì)因?yàn)槟ズ牡较薅鴪?bào)廢，屬于消耗件。其使用壽命與厚度、材質(zhì)、面積、表面壓力、工作溫度有關(guān)，具體在應(yīng)用過程中起決定因素的則是摩擦制動(dòng)施加頻率、摩擦制動(dòng)力大小、電制動(dòng)力的能力，制動(dòng)力的分配原則，電制動(dòng)和空氣制動(dòng)的轉(zhuǎn)換速度等。

3.1 從制動(dòng)盤本身硬度角度分析

一般來說，軌道交通車輛制動(dòng)盤摩擦副匹配性要求制動(dòng)盤摩擦面硬度要遠(yuǎn)大于其對(duì)偶閘片，但現(xiàn)場(chǎng)原裝制動(dòng)盤硬度調(diào)研實(shí)際結(jié)果顯示原裝制動(dòng)盤摩擦面實(shí)際硬度普遍較低，見表1。根據(jù)我國制動(dòng)盤實(shí)際運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)，原裝車制動(dòng)盤硬度基本上處于控制硬度范圍下限或低于下限，從而導(dǎo)致制動(dòng)盤異常磨耗。可見，制動(dòng)盤材質(zhì)硬度較低是其異常磨耗的主要原因之一。

表1 原裝制動(dòng)盤摩擦面硬度測(cè)量值

3.2 從制動(dòng)控制角度分析

對(duì)于地鐵車輛，正常情況下空氣制動(dòng)是作為電制動(dòng)的補(bǔ)充，當(dāng)電制動(dòng)力不足時(shí)，空氣制動(dòng)發(fā)揮作用。在制動(dòng)頻繁、熱負(fù)荷較大的城軌車輛，若電制動(dòng)的分配比例以及電制動(dòng)的發(fā)揮情況、空氣制動(dòng)的切入點(diǎn)設(shè)置不合理，很容易導(dǎo)致制動(dòng)盤異常磨耗。

為了分析列車制動(dòng)控制策略對(duì)制動(dòng)摩擦副可能造成的影響，研究人員對(duì)其制動(dòng)信號(hào)進(jìn)行分析。圖5為廣州地鐵4號(hào)線車輛從東涌站至石基站進(jìn)站停車時(shí)采集到的制動(dòng)相關(guān)數(shù)據(jù)曲線，采集信號(hào)來自042A、042B單元，列車的駕駛模式為ATO。從圖5的曲線可以看出，列車以85km／h的初速度開始施加制動(dòng)，制動(dòng)系統(tǒng)在接收到制動(dòng)指令后，首先產(chǎn)生動(dòng)作的是空氣制動(dòng)（制動(dòng)缸壓力明顯上升），之后電制動(dòng)才開始投入，在列車速度降至40km／h時(shí)，空氣制動(dòng)由持續(xù)施加變?yōu)閿嗬m(xù)施加，直至列車速度降至5km／h左右時(shí)電制動(dòng)退出。由此我們可以從中提煉出下列信息：

（1）接收到制動(dòng)信號(hào)時(shí)，列車電制動(dòng)觸發(fā)晚于空氣制動(dòng)，從而導(dǎo)致在制動(dòng)初始階段空氣制動(dòng)施加先于電制動(dòng)；

（2）列車速度在40km／h以上時(shí)，車輛電制動(dòng)能力發(fā)揮不良，導(dǎo)致列車在高速階段持續(xù)施加空氣制動(dòng)；

（3）列車速度在40～5km／h之間時(shí)，電制動(dòng)力明顯提升，但系統(tǒng)仍然在斷續(xù)的補(bǔ)充空氣制動(dòng)，說明該列車總電制動(dòng)力不能完全滿足列車發(fā)出減速度指令要求。

由此可見，車輛電空混合制動(dòng)存在設(shè)計(jì)問題導(dǎo)致空氣制動(dòng)施加頻繁是其異常磨耗的主要原因之一。

圖5 廣州地鐵4號(hào)線車輛進(jìn)站停車制動(dòng)數(shù)據(jù)曲線

3.3 從熱應(yīng)力角度分析

赫茲接觸應(yīng)力和熱應(yīng)力共同作用引起的制動(dòng)盤損傷。如果制動(dòng)盤熱應(yīng)力位于赫茲接觸應(yīng)力和熱應(yīng)力共同作用的安全區(qū)域，制動(dòng)盤摩擦面將處于正常磨耗狀態(tài)；如果制動(dòng)盤摩擦面熱應(yīng)力位于赫茲接觸應(yīng)力和熱應(yīng)力共同作用的危險(xiǎn)區(qū)域，將會(huì)導(dǎo)致制動(dòng)盤摩擦面異常損傷［2］，這種工況是不允許出現(xiàn)的，見圖6。從有限元模擬結(jié)果看，速度90km／h運(yùn)行一個(gè)折返純空氣制動(dòng)過程中制動(dòng)盤摩擦表面溫度最高可達(dá)360℃，較高溫度的摩擦副使制動(dòng)盤磨耗加快，其淺表面最高熱應(yīng)力為290 MPa，該熱應(yīng)力與制動(dòng)盤赫茲接觸應(yīng)力的交點(diǎn)位于評(píng)價(jià)的危險(xiǎn)B區(qū)，較高熱應(yīng)力加劇了制動(dòng)盤異常磨耗。

圖6 熱損傷評(píng)價(jià)示意

3.4 改進(jìn)措施及效果

針對(duì)廣州地鐵4號(hào)線制動(dòng)盤異常磨耗原因分析，進(jìn)行了下改進(jìn)措施，并取得了較好效果。

（1）開發(fā)性能更加優(yōu)良的制動(dòng)盤材質(zhì)，全面提高制動(dòng)盤物理力學(xué)及熱學(xué)性能參數(shù)，使其與原制動(dòng)盤相比更有性價(jià)比優(yōu)勢(shì)。由中國鐵道科學(xué)研究院機(jī)車車輛研究所研制的新型制動(dòng)盤采用蠕墨鑄鐵材質(zhì)，自2009年底到目前經(jīng)長(zhǎng)達(dá)兩年在廣州地鐵4號(hào)線15、16車上裝車考核結(jié)果驗(yàn)證了新研制的制動(dòng)盤使用壽命是原制動(dòng)盤使用壽命2～2.5倍，目前已批量進(jìn)行換裝。

（2）在原制動(dòng)盤材質(zhì)不變情況下，改進(jìn)制動(dòng)盤熱處理工藝，在其原有硬度值基礎(chǔ)上，適度提高制動(dòng)盤硬度，進(jìn)而使制動(dòng)盤摩擦副匹配性更加合理。該項(xiàng)措施正在驗(yàn)證實(shí)施。

（3）優(yōu)化制動(dòng)策略，調(diào)整電制動(dòng)力的分配比例、避開高速階段空氣制動(dòng)過早介入，同時(shí)盡可能降低低速時(shí)空氣制動(dòng)力的切入點(diǎn)，減少閘片、制動(dòng)盤承受的熱負(fù)荷，從而保證制動(dòng)盤摩擦副處于正常磨耗狀態(tài)。

4 結(jié)論

（1）調(diào)查結(jié)果表明廣州地鐵4號(hào)線車輛在使用過程中制動(dòng)盤摩擦面出現(xiàn)偏磨、凹形異常磨損現(xiàn)象，且制動(dòng)盤磨耗量較高，平均使用壽命較低。

（2）分析顯示廣州地鐵4號(hào)線制動(dòng)盤異常磨耗是集制動(dòng)盤摩擦副匹配性、電制動(dòng)發(fā)揮欠佳、制動(dòng)控制策略沒有處于最優(yōu)狀態(tài)等因素綜合作用的結(jié)果。

（3）與國外原裝制動(dòng)盤異常磨耗相比，新研制的具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的制動(dòng)盤經(jīng)試驗(yàn)考核證實(shí)沒有出現(xiàn)異常磨耗現(xiàn)象，且性價(jià)比較高，現(xiàn)已推廣使用。

［1］王曉東.廣州地鐵四號(hào)線地鐵車輛制動(dòng)系統(tǒng)［J］.鐵道車輛，2010，48（11）：18-22.

［2］李繼山，李和平，嚴(yán)霄蕙.盤形制動(dòng)是城市軌道車輛基礎(chǔ)制動(dòng)裝置的發(fā)展趨勢(shì)［J］.鐵道機(jī)車車輛，2011，（8）：69-71.