地鐵列車閘瓦金屬鑲嵌問題分析

劉立、高志良、李亞、宋相宇

（鄭州中建深鐵軌道交通有限公司，河南 鄭州450000）

0 引言

鄭州地鐵3號(hào)線電客車采用克諾爾制動(dòng)系統(tǒng)、804型（C134040/11）合成閘瓦。正線運(yùn)營(yíng)期間，發(fā)生閘瓦金屬鑲嵌物掉落在運(yùn)營(yíng)線路的計(jì)軸設(shè)備附件事件，導(dǎo)致ZC無法判定計(jì)軸ARB占用，產(chǎn)生紫光帶，對(duì)行車造成一定影響。在車輛檢修及正線巡視中，也陸續(xù)發(fā)現(xiàn)該型閘瓦表面存在大小程度不一的金屬鑲嵌物。為了解決閘瓦金屬鑲嵌物問題，鄭州3號(hào)線進(jìn)行了多項(xiàng)研究及對(duì)比測(cè)試，本文在此探討閘瓦金屬鑲嵌物規(guī)律及形成原因并提出解決措施。

1 閘瓦金屬鑲嵌物的機(jī)理分析

1.1 合成閘瓦材質(zhì)的配方

合成閘瓦包括黏合基體、增強(qiáng)材料和減磨材料等，是根據(jù)一定比例混合后，壓制而成的摩擦材料。其中黏合基體中有酚醛樹脂，其特點(diǎn)是耐熱和增加黏度；增強(qiáng)材料包括各種纖維，如玻璃纖維、金屬纖維和碳纖維等，其特點(diǎn)是增強(qiáng)合成閘瓦的強(qiáng)度；減磨材料包括摩擦組元材料、潤(rùn)滑材料等，增加閘瓦的耐磨性。

1.2 閘瓦的制動(dòng)原理

合成閘瓦的制動(dòng)形式有常用制動(dòng)、緊急制動(dòng)、停車制動(dòng)、清潔制動(dòng)。

1.2.1 常用制動(dòng)工況下優(yōu)先執(zhí)行電制動(dòng)，當(dāng)電制動(dòng)力無法滿足制動(dòng)需求時(shí)，BCU計(jì)算空氣制動(dòng)所需補(bǔ)償?shù)闹苿?dòng)力，并轉(zhuǎn)換成一定的制動(dòng)缸壓力，使制動(dòng)閘瓦與輪對(duì)踏面接觸，優(yōu)先在拖車上施加氣制動(dòng)。當(dāng)電制動(dòng)故障或拖車補(bǔ)充制動(dòng)力不足時(shí)，在動(dòng)車上施加氣制動(dòng)。

1.2.2 緊急制動(dòng)工況下施加氣制動(dòng)，BCU根據(jù)載荷計(jì)算需要施加的制動(dòng)缸壓力，在全車每根軸上施加氣制動(dòng)。

1.2.3 停車過程中，速度小于12km/h，閘瓦施加一定預(yù)壓力用于踏面清掃。6km/h時(shí)牽引系統(tǒng)發(fā)出電制動(dòng)退出信號(hào)，電制動(dòng)力按照一定斜率下降，同時(shí)空氣制動(dòng)力按照相同斜率上升，實(shí)現(xiàn)電空轉(zhuǎn)換的平滑過渡。

1.2.4 清潔制動(dòng)的邏輯為每天早上4點(diǎn)時(shí)，列車進(jìn)入清潔制動(dòng)模式，重置“清潔制動(dòng)”能量為0，并開始累計(jì)當(dāng)天的清潔制動(dòng)能量。當(dāng)列車處于制動(dòng)工況、列速度高于30km/h、累計(jì)清潔制動(dòng)能量低于35MJ時(shí)，列車切除電制動(dòng)，執(zhí)行清潔制動(dòng)。當(dāng)列車未處于制動(dòng)工況、列車速度低于50km/h，或累計(jì)清潔制動(dòng)能量大于35MJ時(shí)，列車終止清潔制動(dòng)[1]。

1.3 金屬鑲嵌物的外貌

金屬鑲嵌物大小形狀不一，其沿車輪圓周方向較長(zhǎng)。正面光滑發(fā)亮，反面高低不平，因黏滿碳化物而發(fā)黑。金屬鑲嵌物的光亮表面放大后，可以觀察到表面高低不平，有黑有白，分布不均，有的還有平行排列的犁溝磨痕。

1.4 金屬鑲嵌物的成分分析

對(duì)金屬鑲嵌物取樣品進(jìn)行能譜分析，并與閘瓦、軌道、輪對(duì)材質(zhì)進(jìn)行對(duì)比，各元素質(zhì)量百分?jǐn)?shù)見表1。

表1 金屬鑲嵌物成分分析

經(jīng)對(duì)比分析，金屬鑲嵌物中的Mg、Si、Ca、Ba元素僅閘瓦包含，Mn、Cu元素僅輪對(duì)和軌道包含，Na元素軌道、輪對(duì)、閘瓦均不包含（可能來自線路中的水泥）?？梢姡饘勹偳段镄纬墒苘壍?、輪對(duì)、隧道環(huán)境等多方面的影響。

1.5 合成閘瓦金屬鑲嵌物形成的原理

合成閘瓦金屬鑲嵌物的形成可概括為一個(gè)“三步聚集”模型。第一步聚集：高摩合成閘瓦的增摩組元對(duì)車輪踏面的犁溝作用產(chǎn)生鋼磨屑，鋼磨屑聚集形成金屬鑲嵌點(diǎn)狀物。第二步聚集：鋼磨屑在制動(dòng)過程中受熱軟化，相遇時(shí)會(huì)黏連聚集成更大的金屬顆粒，附著在閘瓦踏面上并沿摩擦方向發(fā)生突變式的長(zhǎng)大，成為宏觀上的金屬鑲嵌條狀物。第三步聚集：制動(dòng)工況下，摩擦界面和磨屑溫度繼續(xù)增加時(shí)，金屬鑲嵌物硬度較大會(huì)刮削車輪踏面，產(chǎn)生更多、尺寸更大的金屬刮削屑，并兼并鄰近的條狀金屬鑲嵌物，產(chǎn)生第二次突變，形成塊狀金屬鑲嵌物[2]。

根據(jù)已有的研究表明，產(chǎn)生鋼磨屑的原因眾多，涉及閘瓦材質(zhì)、硬度、潤(rùn)滑能力，以及車輪、線路狀態(tài)，制動(dòng)設(shè)置，甚至環(huán)境因素等影響（見圖1）。

圖1 鋼磨屑形成的因素

2 鄭州3號(hào)線閘瓦金屬鑲嵌物發(fā)生規(guī)律及影響因素

2.1 金屬鑲嵌物發(fā)生規(guī)律統(tǒng)計(jì)

定期分離閘瓦輪對(duì)，進(jìn)行閘瓦摩擦面清理，對(duì)金屬鑲嵌物進(jìn)行剔除、收集。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，幾輪清理中金屬鑲嵌物新增數(shù)量與列車總運(yùn)營(yíng)里程、期間運(yùn)營(yíng)里程均呈正相關(guān)。其中，拖車、1架、1軸較其他車、其他架、其他軸產(chǎn)生的金屬鑲嵌物數(shù)量偏多，質(zhì)量偏重，且體積偏大。

2.2 金屬鑲嵌物的影響因素

2.2.1 閘瓦選型

經(jīng)第三方單位檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)克諾爾804型閘瓦其洛氏硬度僅為9.4，遠(yuǎn)低于《城市軌道交通車輛制動(dòng)系統(tǒng)第10部分：合成閘瓦技術(shù)規(guī)范》（T/CAMET04004.10—2018）要求的30～100HRR的標(biāo)準(zhǔn)，3號(hào)線使用硬度滿足規(guī)范的國(guó)產(chǎn)閘瓦進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)同工況下國(guó)產(chǎn)閘瓦無金屬鑲嵌物產(chǎn)生。

2.2.2 行車線路

安排1輛列車僅在未經(jīng)運(yùn)營(yíng)的新軌道上調(diào)試及運(yùn)行，發(fā)現(xiàn)該車在新軌道運(yùn)營(yíng)后，產(chǎn)生的金屬鑲嵌物較其他車輛明顯增多。原因?yàn)楫?dāng)鋼軌上有異物、浮銹或表面狀態(tài)粗糙時(shí)，尤其是新線路剛投入使用時(shí)，異物可能會(huì)隨著車輪的轉(zhuǎn)動(dòng)被帶入到車輪與閘瓦之間，易形成閘瓦金屬鑲嵌物。因此，在新線運(yùn)營(yíng)前，徹底、有效、高標(biāo)準(zhǔn)地打磨軌道，可以大大避免金屬鑲嵌物產(chǎn)生。

2.2.3 氣候條件

結(jié)合國(guó)內(nèi)相關(guān)的資料，發(fā)現(xiàn)大多數(shù)金屬鑲嵌物出現(xiàn)在環(huán)境潮濕地區(qū)，鄭州3號(hào)線閘瓦金屬鑲嵌物也在夏季呈現(xiàn)大幅增加的趨勢(shì)。鄭州夏季經(jīng)受暴雨后多條地鐵線路出現(xiàn)軌面生銹現(xiàn)象，金屬鑲嵌物也在短期內(nèi)顯著增多。

2.2.4 電空制動(dòng)分配與走行方向

正常情況下，拖車施加氣制動(dòng)的頻次更多，更易產(chǎn)生金屬鑲嵌物。但鄭州3號(hào)線制動(dòng)數(shù)據(jù)顯示，因客流量小，電制動(dòng)力完全滿足常用制動(dòng)下的制動(dòng)需求，動(dòng)車、拖車施加氣制動(dòng)的時(shí)機(jī)完全一致（僅在緊急制動(dòng)、停車制動(dòng)、清潔制動(dòng)時(shí)），鄭州3號(hào)線拖車較動(dòng)車，1架較2架，1軸相較其他軸金屬鑲嵌物偏多的原因?yàn)槠溥\(yùn)行時(shí)在前，更易附著鐵銹及鋼軌磨屑[3]。

2.2.5 制動(dòng)參數(shù)

分別安排部分列車采用取消制動(dòng)預(yù)壓力、取消清潔制動(dòng)、增大清潔制動(dòng)退出能量值（從35MJ增加至45MJ）進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)。經(jīng)對(duì)比分析，設(shè)置制動(dòng)預(yù)壓力能有效減少金屬鑲嵌物產(chǎn)生。調(diào)整清潔制動(dòng)功能后，金屬鑲嵌物數(shù)量無明顯變化?？梢娊饘勹偳段镏饕a(chǎn)生在每次停車過程中，非投入運(yùn)營(yíng)前，進(jìn)行一次清潔制動(dòng)能解決或緩解。

3 結(jié)語(yǔ)

中國(guó)城市軌道交通協(xié)會(huì)在合成閘瓦技術(shù)規(guī)范中規(guī)定，閘瓦摩擦面不得形成導(dǎo)致車輪損傷、異狀磨耗或影響制動(dòng)摩擦性能的金屬鑲嵌。從鄭州3號(hào)線現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況來看，合成閘瓦形成金屬鑲嵌物有線路情況、氣候情況、軌道表面狀態(tài)、制動(dòng)模式以及閘瓦材質(zhì)等多種因素。從地鐵運(yùn)營(yíng)方角度，提升合成閘瓦的生產(chǎn)工藝，使閘瓦摩擦因數(shù)曲線和黏著系數(shù)曲線得以較好地吻合，提升合成閘瓦的排屑能力和潤(rùn)滑能力，使車輪和閘瓦容易形成良好的摩擦副關(guān)系，對(duì)治理和預(yù)防金屬鑲嵌物有重要意義。