地铁列车闸瓦金属镶嵌问题分析

刘立、高志良、李亚、宋相宇

（郑州中建深铁轨道交通有限公司，河南 郑州450000）

0 引言

郑州地铁3号线电客车采用克诺尔制动系统、804型（C134040/11）合成闸瓦。正线运营期间，发生闸瓦金属镶嵌物掉落在运营线路的计轴设备附件事件，导致ZC无法判定计轴ARB占用，产生紫光带，对行车造成一定影响。在车辆检修及正线巡视中，也陆续发现该型闸瓦表面存在大小程度不一的金属镶嵌物。为了解决闸瓦金属镶嵌物问题，郑州3号线进行了多项研究及对比测试，本文在此探讨闸瓦金属镶嵌物规律及形成原因并提出解决措施。

1 闸瓦金属镶嵌物的机理分析

1.1 合成闸瓦材质的配方

合成闸瓦包括黏合基体、增强材料和减磨材料等，是根据一定比例混合后，压制而成的摩擦材料。其中黏合基体中有酚醛树脂，其特点是耐热和增加黏度；增强材料包括各种纤维，如玻璃纤维、金属纤维和碳纤维等，其特点是增强合成闸瓦的强度；减磨材料包括摩擦组元材料、润滑材料等，增加闸瓦的耐磨性。

1.2 闸瓦的制动原理

合成闸瓦的制动形式有常用制动、紧急制动、停车制动、清洁制动。

1.2.1 常用制动工况下优先执行电制动，当电制动力无法满足制动需求时，BCU计算空气制动所需补偿的制动力，并转换成一定的制动缸压力，使制动闸瓦与轮对踏面接触，优先在拖车上施加气制动。当电制动故障或拖车补充制动力不足时，在动车上施加气制动。

1.2.2 紧急制动工况下施加气制动，BCU根据载荷计算需要施加的制动缸压力，在全车每根轴上施加气制动。

1.2.3 停车过程中，速度小于12km/h，闸瓦施加一定预压力用于踏面清扫。6km/h时牵引系统发出电制动退出信号，电制动力按照一定斜率下降，同时空气制动力按照相同斜率上升，实现电空转换的平滑过渡。

1.2.4 清洁制动的逻辑为每天早上4点时，列车进入清洁制动模式，重置“清洁制动”能量为0，并开始累计当天的清洁制动能量。当列车处于制动工况、列速度高于30km/h、累计清洁制动能量低于35MJ时，列车切除电制动，执行清洁制动。当列车未处于制动工况、列车速度低于50km/h，或累计清洁制动能量大于35MJ时，列车终止清洁制动[1]。

1.3 金属镶嵌物的外貌

金属镶嵌物大小形状不一，其沿车轮圆周方向较长。正面光滑发亮，反面高低不平，因黏满碳化物而发黑。金属镶嵌物的光亮表面放大后，可以观察到表面高低不平，有黑有白，分布不均，有的还有平行排列的犁沟磨痕。

1.4 金属镶嵌物的成分分析

对金属镶嵌物取样品进行能谱分析，并与闸瓦、轨道、轮对材质进行对比，各元素质量百分数见表1。

表1 金属镶嵌物成分分析

经对比分析，金属镶嵌物中的Mg、Si、Ca、Ba元素仅闸瓦包含，Mn、Cu元素仅轮对和轨道包含，Na元素轨道、轮对、闸瓦均不包含（可能来自线路中的水泥）。可见，金属镶嵌物形成受轨道、轮对、隧道环境等多方面的影响。

1.5 合成闸瓦金属镶嵌物形成的原理

合成闸瓦金属镶嵌物的形成可概括为一个“三步聚集”模型。第一步聚集：高摩合成闸瓦的增摩组元对车轮踏面的犁沟作用产生钢磨屑，钢磨屑聚集形成金属镶嵌点状物。第二步聚集：钢磨屑在制动过程中受热软化，相遇时会黏连聚集成更大的金属颗粒，附着在闸瓦踏面上并沿摩擦方向发生突变式的长大，成为宏观上的金属镶嵌条状物。第三步聚集：制动工况下，摩擦界面和磨屑温度继续增加时，金属镶嵌物硬度较大会刮削车轮踏面，产生更多、尺寸更大的金属刮削屑，并兼并邻近的条状金属镶嵌物，产生第二次突变，形成块状金属镶嵌物[2]。

根据已有的研究表明，产生钢磨屑的原因众多，涉及闸瓦材质、硬度、润滑能力，以及车轮、线路状态，制动设置，甚至环境因素等影响（见图1）。

图1 钢磨屑形成的因素

2 郑州3号线闸瓦金属镶嵌物发生规律及影响因素

2.1 金属镶嵌物发生规律统计

定期分离闸瓦轮对，进行闸瓦摩擦面清理，对金属镶嵌物进行剔除、收集。经统计，几轮清理中金属镶嵌物新增数量与列车总运营里程、期间运营里程均呈正相关。其中，拖车、1架、1轴较其他车、其他架、其他轴产生的金属镶嵌物数量偏多，质量偏重，且体积偏大。

2.2 金属镶嵌物的影响因素

2.2.1 闸瓦选型

经第三方单位检测，发现克诺尔804型闸瓦其洛氏硬度仅为9.4，远低于《城市轨道交通车辆制动系统第10部分：合成闸瓦技术规范》（T/CAMET04004.10—2018）要求的30～100HRR的标准，3号线使用硬度满足规范的国产闸瓦进行对比试验，发现同工况下国产闸瓦无金属镶嵌物产生。

2.2.2 行车线路

安排1辆列车仅在未经运营的新轨道上调试及运行，发现该车在新轨道运营后，产生的金属镶嵌物较其他车辆明显增多。原因为当钢轨上有异物、浮锈或表面状态粗糙时，尤其是新线路刚投入使用时，异物可能会随着车轮的转动被带入到车轮与闸瓦之间，易形成闸瓦金属镶嵌物。因此，在新线运营前，彻底、有效、高标准地打磨轨道，可以大大避免金属镶嵌物产生。

2.2.3 气候条件

结合国内相关的资料，发现大多数金属镶嵌物出现在环境潮湿地区，郑州3号线闸瓦金属镶嵌物也在夏季呈现大幅增加的趋势。郑州夏季经受暴雨后多条地铁线路出现轨面生锈现象，金属镶嵌物也在短期内显著增多。

2.2.4 电空制动分配与走行方向

正常情况下，拖车施加气制动的频次更多，更易产生金属镶嵌物。但郑州3号线制动数据显示，因客流量小，电制动力完全满足常用制动下的制动需求，动车、拖车施加气制动的时机完全一致（仅在紧急制动、停车制动、清洁制动时），郑州3号线拖车较动车，1架较2架，1轴相较其他轴金属镶嵌物偏多的原因为其运行时在前，更易附着铁锈及钢轨磨屑[3]。

2.2.5 制动参数

分别安排部分列车采用取消制动预压力、取消清洁制动、增大清洁制动退出能量值（从35MJ增加至45MJ）进行对比试验。经对比分析，设置制动预压力能有效减少金属镶嵌物产生。调整清洁制动功能后，金属镶嵌物数量无明显变化。可见金属镶嵌物主要产生在每次停车过程中，非投入运营前，进行一次清洁制动能解决或缓解。

3 结语

中国城市轨道交通协会在合成闸瓦技术规范中规定，闸瓦摩擦面不得形成导致车轮损伤、异状磨耗或影响制动摩擦性能的金属镶嵌。从郑州3号线现场实际情况来看，合成闸瓦形成金属镶嵌物有线路情况、气候情况、轨道表面状态、制动模式以及闸瓦材质等多种因素。从地铁运营方角度，提升合成闸瓦的生产工艺，使闸瓦摩擦因数曲线和黏着系数曲线得以较好地吻合，提升合成闸瓦的排屑能力和润滑能力，使车轮和闸瓦容易形成良好的摩擦副关系，对治理和预防金属镶嵌物有重要意义。