地鐵車輛合成閘瓦產(chǎn)生裂紋的原因及其解決措施

孔德鵬 王超恒 李國(guó)慶 尚小菲 宋傳云

(1.中車青島四方車輛研究所有限公司， 266031， 青島； 2.中車長(zhǎng)客股份有限公司， 130052, 長(zhǎng)春∥第一作者， 高級(jí)工程師)

某A型地鐵車輛采用了進(jìn)口JURID J2338合成閘瓦，在使用過程中閘瓦容易出現(xiàn)裂紋。本文從JURID J2338合成閘瓦與車輪踏面匹配、閘瓦應(yīng)力集中等方面對(duì)引起閘瓦裂紋的原因進(jìn)行分析，并提出解決的建議措施。

1 JURID合成閘瓦簡(jiǎn)介

JURID J2338合成閘瓦由德國(guó)JURID公司制造，符合UIC 541-4標(biāo)準(zhǔn)[1]，主要應(yīng)用于采用單側(cè)單瓦踏面制動(dòng)形式的A型地鐵車輛上。每輛車通常配置8塊JURID J2338合成閘瓦。該A型地鐵車輛的部分參數(shù)及制動(dòng)要求如表1所示。

表1 某A型地鐵車輛的部分參數(shù)及制動(dòng)要求

JURID J2338合成閘瓦采用多內(nèi)弧設(shè)計(jì)，即新閘瓦的摩擦面是由5個(gè)平面構(gòu)成的組合輪廓，保證無論與新輪還是與舊輪匹配，均能在較短的磨合時(shí)間內(nèi)使閘瓦與踏面的有效接觸面積達(dá)到80%以上。JURID J2338合成閘瓦的物理性能如表2所示。

表2 JURID J2338合成閘瓦的物理力學(xué)性能

2 JURID J2338合成閘瓦的裂紋情況

在地鐵車輛的使用過程中，發(fā)現(xiàn)JURID J2338合成閘瓦易產(chǎn)生裂紋。閘瓦產(chǎn)生裂紋后需要更換，造成閘瓦提前報(bào)廢，增加了使用及維護(hù)成本。如果閘瓦產(chǎn)生裂紋后未能及時(shí)更換，可能進(jìn)一步導(dǎo)致閘瓦掉塊、磨托等，進(jìn)而影響列車的運(yùn)行安全。通過對(duì)JURID J2338合成閘瓦裂紋的進(jìn)一步調(diào)查，發(fā)現(xiàn)具有如下特點(diǎn)：

1) 產(chǎn)生裂紋的閘瓦多為剛剛更換的新閘瓦，且更換了閘瓦后的列車往往施加過較大級(jí)別(包括緊急制動(dòng))的純空氣制動(dòng)。裂紋多數(shù)表現(xiàn)為沿閘瓦摩擦體寬度方向的橫向裂紋，如圖1 a)所示，有一定深度，甚至貫穿了整個(gè)摩擦體的厚度方向，如圖1 b)、圖1 c)所示。裂紋的位置主要集中在閘瓦摩擦面組合平面結(jié)合區(qū)域。

a) 橫向貫穿裂紋的位置及寬度

b) 橫向貫穿裂紋的位置及深度

c) 磨合初期橫向貫穿裂紋的位置及深度

2) 車輛更換閘瓦后，如果先施加小級(jí)別的純空氣制動(dòng)進(jìn)行閘瓦磨合，閘瓦一般不會(huì)產(chǎn)生裂紋。即使有些閘瓦產(chǎn)生了裂紋，其裂紋的深度往往較淺，且隨著閘瓦進(jìn)一步磨合，裂紋通常會(huì)自動(dòng)消失。裂紋位置主要集中在閘瓦摩擦面組合平面結(jié)合區(qū)域或摩擦面局部接觸面附近區(qū)域，如圖2所示。

a) 閘瓦磨合初期摩擦面形態(tài)

b) 閘瓦磨合初期摩擦面局部裂紋形態(tài)

3) 經(jīng)過磨合且未產(chǎn)生裂紋的閘瓦，在其全壽命周期內(nèi)一般均不產(chǎn)生裂紋，磨合后的閘瓦摩擦面狀態(tài)良好。

3 JURID J2338合成閘瓦產(chǎn)生裂紋原因分析

通常情況下合成閘瓦產(chǎn)生裂紋是由以下原因引起：①閘瓦質(zhì)量問題導(dǎo)致的裂紋，如閘瓦的強(qiáng)度不足、材料缺陷等；②熱損傷造成的熱裂紋；③應(yīng)力集中引起的裂紋；④使用原因引起的裂紋；⑤其他原因引起的裂紋。

由于JURID J2338合成閘瓦裂紋的產(chǎn)生與“新閘瓦”、“大級(jí)別純空氣制動(dòng)”、“磨合狀態(tài)”等高度相關(guān)，且閘瓦裂紋位置較為集中，本文重點(diǎn)從閘瓦結(jié)構(gòu)及應(yīng)力方面進(jìn)行分析。

3.1 閘瓦與車輪踏面匹配分析

3.1.1 閘瓦與車輪踏面的理論匹配關(guān)系

新JURID J2338合成閘瓦的摩擦面由5個(gè)平面組合而成，相鄰平面間無圓角過渡。列車的車輪踏面為磨耗型踏面。新閘瓦與新輪/全磨耗輪在踏面滾動(dòng)圓處的配合關(guān)系分別如圖3～4所示。

從圖3可以看出，新閘瓦與新輪匹配時(shí)，理論上閘瓦的平面1、平面5與踏面接觸，閘瓦的平面2、平面3、平面4呈懸空狀態(tài)。由于新閘瓦的摩擦面為平面，而車輪為磨耗型踏面，兩者只能局部接觸。

圖3 新閘瓦與新輪在踏面滾動(dòng)圓處的配合示意圖

圖4 新閘瓦與全磨耗輪在踏面滾動(dòng)圓處的配合示意圖

從圖4可以看出，新閘瓦與全磨耗輪匹配時(shí)，理論上閘瓦的平面2、平面4與踏面接觸，閘瓦的平面1、平面3、平面5呈懸空狀態(tài)，局部接觸。

3.1.2 閘瓦與車輪踏面的實(shí)際匹配關(guān)系

如圖5所示，新閘瓦與新輪踏面樣板進(jìn)行實(shí)物匹配，可以看出靠近閘瓦中部的2個(gè)平面與踏面接觸，其余均呈懸空狀態(tài)。

圖5 新閘瓦與新輪踏面樣板的配合示意圖

3.2 閘瓦壓縮強(qiáng)度校核

新閘瓦在接觸面上局部壓應(yīng)力的計(jì)算式為：

σ=K/(S×5%)

(1)

式中：

σ——新閘瓦在接觸面上的局部壓應(yīng)力，MPa；

K——閘瓦壓力，kN；

S——閘瓦與車輪踏面接觸面積，m2。

式(1)中，新閘瓦與踏面的有效接觸面積約占閘瓦摩擦面面積的5%，K取40 kN，S取32×10-6m2，可得到閘瓦壓力為40 kN時(shí)新閘瓦接觸面上的局部壓應(yīng)力為25 MPa。該局部壓應(yīng)力已略微超出閘瓦的壓縮強(qiáng)度極限(23.5 MPa)，容易在接觸面及四周產(chǎn)生局部裂紋。

3.3 閘瓦彎曲試驗(yàn)

閘瓦摩擦體為有機(jī)合成材料，其材料特性與剛體、連續(xù)彈性體等有顯著的不同，難以通過計(jì)算的方法求解出制動(dòng)時(shí)施加的閘瓦壓力與閘瓦應(yīng)力的對(duì)應(yīng)關(guān)系。為了模擬新閘瓦與踏面的接觸關(guān)系，本文對(duì)JURID J2338合成閘瓦進(jìn)行了半瓦彎曲試驗(yàn)，圖6為半瓦彎曲試驗(yàn)壓力位移曲線。

圖6 閘瓦彎曲試驗(yàn)加載曲線

半瓦彎曲試驗(yàn)當(dāng)施加的壓力達(dá)到36 kN時(shí)，閘瓦摩擦體產(chǎn)生貫穿裂紋，裂紋的位置及形態(tài)與圖1 a)、圖1 b)所示實(shí)際運(yùn)用中產(chǎn)生的裂紋吻合。

由上文的分析可知，未經(jīng)磨合的新閘瓦裝車后，新閘瓦與車輪踏面局部接觸。列車施加較大級(jí)別(包括緊急制動(dòng))的純空氣制動(dòng)，在閘瓦與踏面的局部接觸面和四周，以及閘瓦摩擦面平面結(jié)合處出現(xiàn)應(yīng)力集中。應(yīng)力超過閘瓦的抗壓和抗拉強(qiáng)度極限，閘瓦產(chǎn)生裂紋。

4 解決措施及列車制動(dòng)試驗(yàn)驗(yàn)證

針對(duì)閘瓦產(chǎn)生裂紋的具體原因，有兩種解決措施：一是通過優(yōu)化閘瓦的摩擦面形狀，消除閘瓦摩擦體的局部應(yīng)力集中；二是采用小級(jí)別純空氣制動(dòng)磨合閘瓦，消除閘瓦摩擦體的局部應(yīng)力集中。而在實(shí)際應(yīng)用中則是通過對(duì)裝用新閘瓦的A型地鐵車輛先施加數(shù)次的小級(jí)別純空氣制動(dòng)，磨合閘瓦，直至閘瓦與踏面的有效接觸面積達(dá)到80%以上[2]。對(duì)于因應(yīng)力集中導(dǎo)致的閘瓦裂紋，該措施起到了非常好的效果。

某A型地鐵車輛的制動(dòng)試驗(yàn)情況表明：裝用新閘瓦后立即進(jìn)行較大級(jí)別(包括緊急制動(dòng))的純空氣制動(dòng)，1列車上的48塊閘瓦中最多有8塊閘瓦產(chǎn)生了裂紋，裂紋產(chǎn)生的比例為1/6；而裝用新閘瓦后先進(jìn)行小級(jí)別的純空氣制動(dòng)，待閘瓦與踏面的有效接觸面積達(dá)到80%以上后再進(jìn)行較大級(jí)別(包括緊急制動(dòng))的純空氣制動(dòng)，1列車48塊閘瓦中僅有1塊閘瓦產(chǎn)生了裂紋，裂紋產(chǎn)生比例為1/48，且該裂紋的深度較淺，無需更換閘瓦。

5 結(jié)論

1) 應(yīng)力集中是引起地鐵列車新的JURID J2338合成閘瓦產(chǎn)生裂紋的主要原因。

2) 新的JURID J2338合成閘瓦安裝后，地鐵列車不宜立即施加較大級(jí)別的純空氣制動(dòng)，閘瓦壓力不宜超過36 kN。建議先采用小級(jí)別(閘瓦壓力30 kN以下)的純空氣制動(dòng)進(jìn)行閘瓦磨合，使閘瓦與踏面有效接觸面積達(dá)到80%以上。

3) 新的JURID J2338合成閘瓦安裝后，應(yīng)做好閘瓦運(yùn)用狀態(tài)的檢查工作。如發(fā)現(xiàn)閘瓦出現(xiàn)裂紋，尤其是貫穿型裂紋，應(yīng)立即予以更換，保證地鐵列車的運(yùn)行安全。