PEC7型踏面制动单元闸瓦非正常磨耗及损伤的研究与分析

潘炯，杨欣

（无锡地铁集团有限公司运营分公司车辆部检修一车间，江苏 无锡214000）

1 概述

无锡地铁一号线列车制动采用电制动与空气制动实时协调配合、电制动优先、空气制动延时投入的混合制动方式；每辆车上的制动系统的制动微机控制单元BECU应能随时根据车辆载荷及电制动的反馈信号来调节空气制动力，以满足不同工况时制动指令对制动力的要求；连续的混合作用可随时改变制动缸的空气压力，从而使电制动力和空气制动力之和满足制动指令要求。如果电制动能力不能满足制动指令要求，则由空气制动自动补足。基础空气制动采用单元踏面制动形式，50%带有停放制动功能。

一号线电客车基础踏面制动单元采用的是PEC7型踏面制动单元，配合C141551/131型闸瓦，闸瓦符合CZJS/T 0013《城市轨道交通车辆合成闸瓦技术规范》的相关要求。闸瓦规格为320 mm×50 mm×80 mm；保证电客车在车轮和闸瓦极限温升允许下，允许列车以最大的运行速度限定内的各运行速度和AW3载荷条件下进行停车；同时保证6辆编组的超员列车能安全停放在线路的最大坡道上。

2 故障描述

无锡地铁一号线自2014-07开通以来至今，日常检查作业中陆续报出闸瓦贯穿性裂纹故障，对于电客车正线行车安全埋下了很大的安全隐患，同时根据日常电客车轮对闸瓦日常消耗统计可以观察出，各电客车不同轮对闸瓦磨耗差异较大，导致各闸瓦使用寿命不一，频繁的闸瓦更换同时增加了一定的维护成本。

根据相关数据统计显示，一号线电客车自2014-04试运营至2017-03，各类闸瓦异常故障达80余起。一旦该类故障发现不及时，未及时更换新闸瓦，可能会导致该列车制动力不足、制动距离过长、冲标等故障，严重时可能导致脱轨等事故发生。

3 故障现象

3.1 磨耗速度过快

2016-10，针对一号线部分闸瓦磨耗速度过快的问题，对一号线23列车进行了抽样调查，分别抽取0110、0112、0118、0119、0121、0123六列的闸瓦数据，根据测量结果及该车走行千米数得出该车闸瓦平均磨耗速度。

3.2 闸瓦裂纹

根据相关数据统计显示，一号线电客车自2014-04试运营至2017-03，闸瓦裂纹故障数达20余起，且多为贯穿性裂纹，此外，磨耗到限闸瓦裂纹率也高达15%。

4 故障分析

4.1 材质及加工工艺

一号线电客车闸瓦采用的是高磨合成闸瓦，其主要由橡胶、酚醛树脂、混杂纤维等材料依照干法生产工艺制造而成。所谓干法生产工艺，是指干态形式的粉状酚酞树脂及橡胶作为粘结剂，与混杂纤维等其他干态材料在混料机中混合制成模塑料。

经统计，一号线电客车使用同一型号及材质的闸瓦，虽然存在不同批次的情况，但截至2017年初，一号线电客车闸瓦的更换率仅为8%。所以，可以得出结论，闸瓦本身材质及加工工艺对一号线电客车闸瓦的异常磨耗速度并没有明显的影响。

4.2 工况

初步分析，闸瓦在使用过程中可能导致闸瓦异响磨耗及损坏的因素有轮对踏面、夹杂物、轮缘润滑量、温度、湿度、闸瓦相对位置、TBU压紧力、紧急制动频率、紧急制动起始速度等。由于夹杂物、温度、湿度、TBU压紧力，紧急制动频率，紧急制动起始速度对于同一车不同闸瓦的工况是基本相同的，所以，对于同列车上的不同闸瓦的异常磨耗及损耗情况的影响应基本相同，排除该类因素，仅考虑轮对踏面、轮缘润滑量、闸瓦相对位置对于闸瓦异常磨耗及损耗的影响。

观察轮对踏面，轮对踏面的不同分区如图1所示。从图1中可以看出，轮对踏面可以基本分为5个区域：1区，表面为明显的台阶状，该台阶为镟床车刀的车痕，可以看出该区域的磨耗量极小，且与闸瓦无直接接触，对于闸瓦磨耗无影响；2区，表面在闸瓦的直接接触摩擦之下，成为光滑的金属镜面，为主要磨耗区域，该区域也为闸瓦热裂纹生成的主要区域；3、4区，为车轮轮缘区域，表面呈现不规则细砂砾状金属表面，由于闸瓦接触摩擦及行驶时与轨道不规则面的直接磨损，导致该区域呈现不规则的磨耗曲线；5区，在台阶状的金属表面上覆盖了一层金属氧化物，该区域为车轮轮缘顶部，因不与轨道及闸瓦直接接触，基本呈现无磨耗状态，仅只在车轮镟修时消耗。

图1 轮对踏面的不同分区

观察闸瓦面，闸瓦表面的不同分区如图2所示。从图2中可以看出闸瓦表面基本可以分为2个区域：1区，该区呈现较光滑的表面，该区域与踏面的3区直接接触，由于踏面3区为不规则颗粒状表面，在长期的接触摩擦之下，成为较为光滑的表面；2区，该区域表面呈现松散的石墨状，并伴随有细小的裂纹及镂孔，由于该区域与轮对踏面的接触区域为踏面制动的主要磨耗区域，也为主要制动力来源，在直接接触之下，闸瓦与轮对的摩擦产生高温，在高温下，大部分的酚醛树脂等粘结剂及部分增强剂被分解，留下了摩擦组元材料及润滑组元材料，该状态下的闸瓦有较好的摩擦性能。

根据材料力学中的阿查德估算模型公式，即V=K（PL/3H）可以得出，黏着磨损锁造成的体积磨损量和载荷及滑动距离成正比，与材料的硬度成反比，则在载荷情况一定的情况下，决定磨耗量的主要因素就是材料的硬度和滑动距离；由于2区的表面粗糙度较之于1区更大，在同样的载荷情况下，制动力更大，制动距离更短即为滑动距离更短，磨耗更小；同时，由于2区的闸瓦表面在高温的情况下消耗了绝大多数的粘结剂，使得表面材质的硬度更高，磨耗更小，可以得出，2区表面面积的大小，直接决定了闸瓦的磨耗速度。

观察裂纹闸瓦，可以看出，绝大多数的裂纹产生地点都在闸瓦表面的两个不同区域的交界处，由于两个区域与轮对踏面的接触区域的差异，导致两个区域的表面粗糙度产生差异，在接触摩擦时产生的热量也不相同，以至于在两个区域中闸瓦的各成分消耗量各有不一，使得材质、密度、强度等产生差异，从而在内应力的作用下产生裂纹。

图2 闸瓦表面的不同分区

同时，当同一块闸瓦与轮对踏面的接触位置不同时，会导致该闸瓦与轮对踏面的高磨耗区的接触面积不同，闸瓦表面的粗糙面的面积也不相同；当闸瓦与轮对踏面的接触面向轮辋外侧面不断靠近时，闸瓦表面的粗糙面的面积不断增加，受热面的面积不断扩大，受热分散，导致产生的热裂纹减少，同时两个不同区域的分界线不断向中间移动，使得两个区域的过度更加平缓，内应力的分布也相对均匀，裂纹生成概率大大降低。

轮缘润滑：一号线电客车2016年底对于各列车完成轮缘润滑时控开关的改造作业，2017年起，采用全新的润滑方案，润滑喷油量为原始润滑量的一半，将2017年度取样闸瓦与2016年度取样闸瓦做比较，闸瓦表面的粗糙面的面积增大，可以得出，在满足轮缘润滑量的情况下，适当减少轮缘润滑装置喷油量，可以适当增加闸瓦与轮对踏面的贴合磨耗区域，使得闸瓦的粗糙面的面积更大，从而降低磨耗。

5 结论

位置更加靠近轮辋外侧的闸瓦，接触面更加接近于轮对踏面的高磨耗区，由于紧贴踏面，导致粗糙表面的面积更加大，摩擦系数增加，同时降低裂纹产生的概率。

轮缘润滑过量导致闸瓦单侧磨耗过于光滑，从而使得该区域摩擦性能降低、摩擦系数及摩擦力降低，使得主要制动力来源于另外一侧，另一侧闸瓦表面而单侧摩擦系数过大且负荷增加。这样不利于散热，导致产生热裂纹，同时由于大面积的闸瓦表面过于光滑，粗糙表面的面积减小，内应力不易均匀分布，导致裂纹生成。所以，在满足润滑量的情况下，在一定程度上减小喷油量，可以防止裂纹的生成。