CRH2A 统型动车组制动闸片偏磨分析及改进

杨九河

（1 中国铁路成都局集团有限公司，成都610082；2 西南交通大学 机械工程学院，成都610031）

中国铁路成都局集团有限公司现配属CRH2A统型动车组53 列，自2016 年以来共平均完成运营里程达194.6 万km/列。在CRH2A 统型动车组的二级检修及一级检修中，发现闸片出现偏磨现象，如图1 所示。通过跟踪调查闸片的偏磨情况，发现闸片偏磨仅发生在部分夹钳上，同一片闸片上下的偏磨量δ约为3～5 mm，偏磨截面示意图如图2所示。

大量的学者及动车组工程技术人员针对动车组制动闸片磨耗行为开展了长期的研究和试验。张祥杰等通过跟踪测量CRH2A 型动车制动闸片磨耗量，认为拖车闸片比动车闸片磨损快，同一个夹钳的闸片存在偏磨的规律，从制动夹钳结构、工作原理等方面对闸片的磨耗原因进行分析，并给出了5 种降低闸片磨耗，减少同一夹钳闸片偏磨的措施［1］。黄传东等对动车组不同控车模式闸片磨耗进行跟踪分析，得出减少空气制动，提供电制动可以减少闸片磨耗［2］。李继山认为高寒动车组闸片异常磨耗是由天气寒冷、涡流效应、夹钳结构和制动压力等多个因素共同造成［3］。孟繁辉等对一种动车组闸片裂损进行仿真和实车试验，给出闸片裂损解决措施［4］。张一喆等对我国的高速动车组闸片寿命进行研究，使用威布尔分布建立闸片寿命模型，得出现行闸片更换周期过于频繁的结论［5］。苏州艾特光视电子技术有限公司基于机器视觉设计了动车组闸片测量系统，可以在动车组运用中测量闸片厚度［6］。李万新通过对在兰新线运行的一种动车组的制动盘仿真分析，给出在长大坡道运行需要限速［7］。苟青炳等使用软件仿真分析了一种动车组制动夹钳吊装方式的合理性，满足疲劳和强度要求［8］。文献［9-10］对动车组基础制动进行研究，给出当前基础制动的结构特点，并对更高速度等级的基础制动进行了设计。

图1 动车组闸片偏磨实物图

针对成都局集团有限公司配属CRH2A 统型动车组的闸片偏磨现象，首先对该型动车组制动夹钳闸片的磨耗情况进行数据采集和分析，其次根据制动夹钳结构分析闸片偏磨的原因，以此为依据提出了加装夹钳防倾斜装置的方案，最后通过装车运用考核验证该方案的应用效果。

图2 动车组闸片偏磨示意图

1 基础制动装置结构及原理

CRH2A 统型动车组基础制动装置安装于转向架上，采用空气夹钳盘形制动装置，主要由制动轮盘、轴盘、夹钳及防滑阀等构成。动车采用轮盘制动，每轴配置2 套轮装制动盘和轮装制动夹钳单元；拖车采用轮盘制动+轴盘制动，每轴配置2 套轮装制动盘和2 套轴装制动盘及对应的制动夹钳单元。制动夹钳单元又分为轮盘型RZKKTYPE18和轴盘型RZKKTYPE12 这2 种型号，其结构基本相同，不同的是在部分轴盘型上装有停放制动装置。制动夹钳采用4 点吊挂紧凑式结构，夹钳结构如图3 所示。制动时制动缸充入压缩空气，推动活塞运动，带动推杆使闸调器张开，使杠杆围绕曲轴转动，闸片抱紧制动盘，从而产生制动力。

停放制动装置布置在全列拖车（1、4、5、8 车）的每个转向架1、4 位轴盘，停放制动装置结构如图4 所示，全列共计16 套，能够满足动车组定员载荷时在20‰的坡度上停放不溜逸。停放制动单元缸为弹簧储能式制动缸，在停放制动缓解时，压缩空气充入停放制动缸，弹簧被压缩。停放制动施加时，停放缸内的压缩空气被排出，弹簧力施加到制动夹钳上。停放制动装置处配有停放制动缓解拉绳，通过拉动拉绳可手动缓解停放制动。

图3 制动夹钳结构图

2 闸片偏磨数据采集与分析

2.1 闸片偏磨数据采样方案

为分析偏磨和制动夹钳动作之间的关系，获取动车和拖车转向架偏磨位置及趋势，选取1 列CRH2A 统型动车组为研究对象。对该列动车组每一辆车的2 个转向架进行位置划分并进行编号，如图5 所示。其中W 和A 分别代表轮盘制动和轴盘制动，L 和R 分别代表左侧和右侧。CRH2A 统型动车组的每副闸片由左右2 片组成，每片闸片有17 个粉末冶金摩擦块，左侧闸片从下到上依次编为1～17 号，右侧闸片从下到上依次编为18～34 号，如图6所示。跟踪测量时，左侧闸片1、9、10、17 号，1、17号摩擦块剩余厚度之差即闸片上下偏磨量，9、10号摩擦块剩余厚度之差即闸片左右偏磨量；右侧闸片偏磨量测量原理与左侧闸片一致。

图4 停放制动装置

2.2 闸片偏磨测量结果

选取1 组CRH2A 统型动车组中04 车（拖车）和06 车（动车）进行跟踪，跟踪结束后测量闸片偏磨量。测量发现04 车2、3、6、7 轮盘，1、2、3、6、7 位轴盘闸片偏磨量在0～3 mm；1、5 位轮盘，4、5、8 位轴盘闸片偏磨量在3～5 mm；4、8 位轮盘闸片偏磨大于5 mm。06 车1、2、3、4、6、7、8 轮盘闸片偏磨量在0～3 mm；5 位轮盘闸片偏磨量在3～5 mm。通过分析发现采样动车组中的闸片磨损分布不均等。

进一步测量全列96 副闸片偏磨值和剩余的最小闸片厚度，测量情况如图7 所示，每个点代表了轮盘与轴盘闸片的偏磨值和剩余最小厚度。结果表明大部分闸片的偏磨范围为1～3 mm，偏磨量＞5 mm 的有15 副，占闸片总量的15.6%。拖车上的偏磨通常比动车严重，带停放制动的夹钳单元闸片更容易发生偏磨。

图5 采样夹钳编号

图6 闸片上粉末冶金摩擦块的测量位置

图7 全列闸片偏磨分布

3 闸片偏磨原因分析

CRH2A 统型动车组采用的是直通式电空复合制动，其制动力混合分配优先顺序为：首先是动车转向架的再生制动，其次是拖车转向架的空气制动，最后是动车转向架的空气制动。列车控制系统尽量优先采用再生制动实施要求的制动，如果采用再生制动的制动效果不够，列车控制系统将采用空气制动进行补充。在混合制动过程中，由列车控制系统调节空气制动的参考信号，以便于在动车和拖车转向架之间均匀分配制动效果。在制动过程中，列车控制系统将持续监控达到的再生制动效果，并将制动参考信号分配给不同车辆。通过以上原理并结合测量数据，不难看出，由于动车组制动力分配中拖车空气制动使用比动车的空气制动多，闸片磨耗也多，出现偏磨的可能性增加。下面从3 个方面分析闸片偏磨原因。

3.1 制动夹钳重心倾斜影响

制动夹钳由4 个紧固螺栓固定在转向架的制动吊座上实现。当转向架构架绕着X轴旋转时，中心悬挂销允许制动夹钳单元倾斜并进行适当调整，从而与制动盘平行。制动夹钳单元的重心与悬挂销在Y轴上的中心有轻微偏移，导致夹钳单元顺时针方向倾斜，如图8 所示。

图8 制动夹钳重心倾斜示意图

3.2 制动软管连接影响

经收集不同位置偏磨闸片，观察闸片偏磨现象，发现轮装制动夹钳闸片和轴装制动夹钳闸片的偏磨方向都是相同的，从不同位置、侧位的夹钳背后看，闸片磨损形状总是朝着顺时针方向，如图9 所示。考虑制动软管连接紧固方向同样为顺时针方向，存在制动软管完成紧固后对夹钳产生顺时针附加力的可能，导致夹钳更换闸片后即开始逐渐偏磨，后续随着车组运用，闸片的偏磨造成了重心的偏移，共同造成了偏磨的加剧。因此，考虑制动软管连接产生的附加力可能是偏磨的初始影响因素。

图9 制动软管分析

3.3 远程缓解拉绳影响

调查发现，带停放的制动夹钳闸片出现偏磨的概率明显高于不带停放的轴装制动夹钳闸片，50%的带停放的制动夹钳出现了逆时针方向的倾斜（从夹钳后视图看）。当拆掉2 根远程缓解拉绳后，制动夹钳的倾斜消除，垂直的扭矩从14 N·m 减到4 N·m 左右。

根据以上分析，夹钳自身的重心不对中，当与制动软管和远程缓解拉绳产生的力矩叠加后，会导致夹钳出现一定的倾斜，从而诱发闸片的偏磨。

4 闸片防偏磨结构设计和运用考核

4.1 闸片防倾斜装置

由于夹钳的倾斜是引起闸片偏磨的主要原因，因此在制动夹钳上加装了防倾斜装置，使夹钳保持在正确位置上。防倾斜装置包括2 个弹簧垫圈包，在制动夹钳支架销壳体两边各安装一个，向支架销产生约为18～20 N·m 的力矩，在缓解时迫使夹钳回到垂直位置，防止制动夹钳单元出现倾斜的现象，如图10 所示。

防倾斜装置的作用原理为：弹簧垫圈通过对中的外壳将横向的力传递至黄色高亮显示的活塞上，活塞可以沿轴向运动，压缩的弹簧垫圈则实现了外壳和支撑销垂直方向的运动。假设夹钳初始在垂直位置，左右对中；当外部载荷超出了内部弹簧垫圈的力，则活塞在弹簧垫圈进一步的压缩作用下开始移动，使夹钳出现倾斜；当外部载荷减小至小于内部弹簧垫圈的压缩力，则外壳会重新定位至垂直的位置，如图11 所示。

图10 防倾斜装置

图11 对中装置作用原理

4.2 装车运用考核验证

选取配属贵阳车辆段的2 组CRH2A 统型动车组CRH2A-2365 和CRH2A-2373 进行制动夹钳防倾斜装置的运用考核，考核周期为40 万km。车辆上线运行后，每次入库检查制动夹钳、制动盘、闸片状态，重点检查防倾斜装置的状态。40 万km 的运用考核结果表明，加装防倾斜装置的制动闸片未出现大于3 mm 以上的偏磨，对制动闸片的偏磨有较好的抑制作用。

5 结束语

通过CRH2A 统型动车组闸片偏磨数据采样和制动夹钳结构的分析，动车组闸片偏磨的主要原因是：夹钳自身的重心不对中，同时制动软管和远程缓解拉绳产生附加力矩，使夹钳出现一定的倾斜，从而诱发闸片的偏磨。针对制动夹钳对中的问题，设计了制动夹钳防倾斜装置，通过装车运用考核证明了该装置的有效性。