喬青峰

(中國(guó)南車(chē)集團(tuán) 青島四方機(jī)車(chē)車(chē)輛股份有限公司 技術(shù)中心,山東青島266111)

目前,對(duì)于運(yùn)營(yíng)速度低于80 km/h的地鐵車(chē)輛,基礎(chǔ)制動(dòng)方式大都采用踏面制動(dòng)。由于地鐵線(xiàn)路站間距短、車(chē)站多、制動(dòng)頻繁,單純空氣制動(dòng)無(wú)法滿(mǎn)足制動(dòng)熱負(fù)荷要求,所以一般城軌車(chē)輛均采用空氣制動(dòng)+電制動(dòng),正常工況下,優(yōu)先使用電制動(dòng),電制動(dòng)力不足時(shí),用空氣制動(dòng)補(bǔ)充,以滿(mǎn)足制動(dòng)能力的需要。由于合成閘瓦的散熱性較差,因此制動(dòng)產(chǎn)生的熱負(fù)荷超過(guò)90%以上被車(chē)輪吸收,同時(shí)由于車(chē)輪不僅承擔(dān)支撐車(chē)輛的質(zhì)量、運(yùn)行導(dǎo)向、傳遞牽引力、制動(dòng)力等交叉工作,從而使得車(chē)輪承受過(guò)多的熱負(fù)荷,當(dāng)車(chē)輪承受的熱負(fù)荷超過(guò)自身承受極限時(shí),車(chē)輪踏面出現(xiàn)剝離、熱裂紋、異常磨耗等熱損傷。另外,部分地鐵車(chē)輛司機(jī)的誤操作(頻繁使用快速制動(dòng)),使得制動(dòng)過(guò)程中補(bǔ)充過(guò)多的空氣制動(dòng),制動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生的巨大熱負(fù)荷,在車(chē)輪踏面產(chǎn)生很大的溫度梯度,導(dǎo)致產(chǎn)生過(guò)大的熱應(yīng)力,最終導(dǎo)致熱裂紋、產(chǎn)生異常磨耗。

輪軌異常磨耗長(zhǎng)期以來(lái)一直是鐵路工業(yè)難以解決的難題之一,著重就地鐵車(chē)輛運(yùn)營(yíng)過(guò)程中碰到的車(chē)輪踏面異常磨耗現(xiàn)象,探討其成因所在。

1 目前城軌車(chē)輛主要采用的判定標(biāo)準(zhǔn)

1.1 溫度評(píng)價(jià)依據(jù)

通常情況下,由于車(chē)輪材料與閘瓦材料熱力學(xué)性能的差異,車(chē)輪踏面材料抵抗高溫的能力比閘瓦強(qiáng),合成閘瓦在溫度超過(guò)350～400℃時(shí),產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng),伴隨著燃燒、煙霧的產(chǎn)生,摩擦副的摩擦性能發(fā)生質(zhì)變,合成閘瓦的磨耗加劇,同時(shí)合成閘瓦化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的衍生物,會(huì)加劇車(chē)輪的熱損傷[1]。

實(shí)際制動(dòng)過(guò)程中,由于測(cè)量手段帶來(lái)的偏差,及摩擦副材料的特性,局部摩擦耦合點(diǎn)的溫度將會(huì)超過(guò)測(cè)點(diǎn)溫度。為安全起見(jiàn),往往根據(jù)閘瓦承受高溫的能力來(lái)限制車(chē)輪踏面最高溫升。

1.2 車(chē)輪踏面熱應(yīng)力評(píng)判基準(zhǔn)

評(píng)價(jià)赫茲接觸應(yīng)力和熱應(yīng)力共同作用引起的車(chē)輪損傷,如圖1所示,圖中橫坐標(biāo)為車(chē)輪踏面最大熱應(yīng)力,縱坐標(biāo)為輪軌接觸最大赫茲接觸壓力,區(qū)域A是常用制動(dòng)區(qū),區(qū)域B是少量制動(dòng)區(qū),區(qū)域C是危險(xiǎn)區(qū)[2]。

2 閘瓦特性對(duì)于車(chē)輪踏面的影響

為提高閘瓦摩擦材料的熱負(fù)荷特性,各國(guó)都做了很大的努力。1907年英國(guó)的費(fèi)羅多公司首先研制了合成閘瓦。之后,美國(guó)、蘇聯(lián)、日本和西歐各國(guó)也都相繼對(duì)合成閘瓦進(jìn)行了研究和試用,隨著配方及其制造工藝的完善,目前普遍被速度低于80 km/h的城軌車(chē)輛采用。

合成閘瓦制動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生的熱量超過(guò)90%被車(chē)輪吸收,并且由于閘瓦摩擦材料線(xiàn)膨脹系數(shù)較大,易造成車(chē)輪踏面局部過(guò)熱,容易發(fā)生各種熱損傷[3]。車(chē)輪溫升主要與摩擦材料單位面積的熱傳導(dǎo)率有關(guān),因?yàn)樗刂浦Σ翢岬姆峙渎?同時(shí),與摩擦面的表面狀態(tài)也有一定的關(guān)系。因此如果使用不當(dāng),合成閘瓦對(duì)于車(chē)輪踏面的工作狀態(tài)是不利的。

2.1 熱龜裂

如果閘瓦與車(chē)輪接觸不良,局部存在高點(diǎn)、硬點(diǎn)接觸,將會(huì)在車(chē)輪踏面上面產(chǎn)生局部過(guò)熱,形成熱斑,在個(gè)別情況下會(huì)發(fā)生熱龜裂。為避免發(fā)生上述現(xiàn)象,要求摩擦材料的彈性模量與熱斑溫度之間的關(guān)系為:熱斑溫度在600℃以下,摩擦材料的常溫壓縮彈性模量在1 000 MPa以下。由于熱斑引起的細(xì)小熱裂痕通過(guò)制動(dòng)時(shí)閘瓦磨耗也有可能消失。另外,通過(guò)1∶1試驗(yàn)臺(tái)的試驗(yàn)觀(guān)測(cè)到頻繁高負(fù)荷制動(dòng)、冷卻也有可能在車(chē)輪踏面產(chǎn)生熱疲勞龜裂。

2.2 車(chē)輪踏面的溝槽狀磨耗

在上海地鐵、南京地鐵、天津地鐵、北京地鐵均批量出現(xiàn)過(guò)溝槽狀磨耗,見(jiàn)圖2。全國(guó)各地也曾投入大量的人力、物力對(duì)此現(xiàn)象進(jìn)行多方面的研究。

圖2 車(chē)輪溝槽狀磨耗

在制動(dòng)頻繁、熱負(fù)荷較大的城軌車(chē)輛,若電空制動(dòng)力的分配比例、空氣制動(dòng)的切入點(diǎn)設(shè)置不合理,很容易導(dǎo)致此種磨耗,且基本全部出現(xiàn)在拖車(chē)車(chē)輪,根源在于過(guò)高的熱負(fù)荷導(dǎo)致閘瓦溫升過(guò)高以及閘瓦的材質(zhì)、物理性能發(fā)生變化,引起合成閘瓦摩擦材料局部摩擦熱膨脹。溫度越高,這種磨耗在車(chē)輪踏面的外側(cè)越容易發(fā)展;再加上閘瓦在橫向分力下橫向摩擦,從而反作用于車(chē)輪踏面,導(dǎo)致車(chē)輪踏面溝槽狀磨耗現(xiàn)象。

2.3 車(chē)輪踏面的凹形磨耗

在大霧、雨水、冰、雪較多的季節(jié),車(chē)輪踏面易發(fā)生凹型磨耗,見(jiàn)圖3。據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)介紹,北歐諸國(guó)車(chē)輪踏面此種磨耗較嚴(yán)重,這是由于制動(dòng)過(guò)程中水介入到閘瓦摩擦表面引起的,這種現(xiàn)象通過(guò)試驗(yàn)得到證實(shí)。

圖3 車(chē)輪凹形磨耗

造成踏面凹型磨耗的原因是閘瓦把車(chē)輪磨削下來(lái)的金屬碎屑帶入到摩擦界面上,由于閘瓦材質(zhì)較軟,將金屬碎屑嵌入摩擦材料里面。在水的作用下,通過(guò)車(chē)輪的摩擦及加熱造成淬火變硬,再次制動(dòng)時(shí),對(duì)車(chē)輪進(jìn)行磨削,最終出現(xiàn)凹型磨耗。

2.4 合成閘瓦對(duì)車(chē)輪踏面的其他影響

合成閘瓦還有可能導(dǎo)致車(chē)輪踏面出現(xiàn)熱斑、毛細(xì)裂紋、熱裂紋、踏面剝離[4],上述現(xiàn)象都會(huì)對(duì)車(chē)輪踏面異常磨耗直接或間接產(chǎn)生作用,必須引起足夠的重視。

3 地鐵車(chē)輛電空制動(dòng)力分配原理剖析

3.1 電空制動(dòng)力分配原則

傳統(tǒng)地鐵車(chē)輛一般采用4輛編組、或者6輛編組,整列車(chē)一般按前后劃分為兩個(gè)單元。制動(dòng)力的分配往往在單元內(nèi)完成。目前比較先進(jìn)的地鐵車(chē)輛采用網(wǎng)絡(luò)控制,整列車(chē)為一個(gè)大單元,制動(dòng)力可以在整列車(chē)內(nèi)部進(jìn)行優(yōu)化、統(tǒng)籌分配。

通常情況下,當(dāng)車(chē)輛速度較高時(shí),車(chē)輛首先采用電制動(dòng),此時(shí)牽引電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)變?yōu)榘l(fā)電機(jī)模式,將車(chē)輛的動(dòng)能轉(zhuǎn)化成電能反饋給電網(wǎng)或消耗在制動(dòng)電阻上。電制動(dòng)和空氣制動(dòng)(閘瓦制動(dòng))盡管制動(dòng)原理不同,但本質(zhì)上都屬于黏著制動(dòng),為了在滿(mǎn)載情況下獲得最大黏著力,拖車(chē)的空氣制動(dòng)開(kāi)始參與制動(dòng)。這一過(guò)程由制動(dòng)控制單元軟件控制來(lái)實(shí)現(xiàn)。具體執(zhí)行步驟如下:

(1)在輪軌黏著力允許的條件下,列車(chē)優(yōu)先采用電制動(dòng),若電制動(dòng)可以滿(mǎn)足整列車(chē)減速度、制動(dòng)距離要求,此種工況下,空氣制動(dòng)不參與制動(dòng),也就是說(shuō)拖車(chē)需要的制動(dòng)力此時(shí)由動(dòng)車(chē)電制動(dòng)承擔(dān)。單元內(nèi)的一組車(chē)輛不再施加空氣制動(dòng)。

(2)當(dāng)電制動(dòng)能力不能滿(mǎn)足整列車(chē)所需的減速度或者動(dòng)車(chē)的黏著系數(shù)利用到極限時(shí),空氣制動(dòng)開(kāi)始參與。此種工況下空氣制動(dòng)如何分配顯得尤為重要。

(3)隨著速度的降低,電制動(dòng)能力逐漸減弱,列車(chē)的制動(dòng)力逐漸由空氣制動(dòng)力承擔(dān)。

3.2 常用制動(dòng)時(shí)電空制動(dòng)力的分配模式

3.2.1 等黏著利用原則

動(dòng)、拖車(chē)均等效利用輪軌黏著系數(shù),由于動(dòng)車(chē)存在電制動(dòng)力,且電制動(dòng)能力基本可以滿(mǎn)足動(dòng)車(chē)減速度的需求,拖車(chē)的制動(dòng)力只由空氣制動(dòng)力承擔(dān)。

一般情況下,在恒制動(dòng)功率區(qū),在 AW0、AW1載荷工況下,電制動(dòng)能力可以滿(mǎn)足制動(dòng)減速度的要求,但在AW2、AW3載荷工況下,有部分電制動(dòng)力不足。在降制動(dòng)力區(qū),電制動(dòng)力逐漸消失,空氣制動(dòng)力迅速上升,通過(guò)軟件控制,優(yōu)先補(bǔ)充拖車(chē)制動(dòng)力,拖車(chē)空氣制動(dòng)力補(bǔ)充到預(yù)先設(shè)置的黏著極限時(shí),再補(bǔ)充動(dòng)車(chē)的空氣制動(dòng)力,見(jiàn)圖4。

圖4 等黏著利用制動(dòng)力分配原則示意圖

(1)圖4上半部分為速度v=80 km/h時(shí)制動(dòng),空氣制動(dòng)不足部分由所有車(chē)輛均分,一列拖車(chē)占整列車(chē)制動(dòng)力的16%。

(2)圖4下半部分為隨著制動(dòng)速度降低至54 km/h時(shí),電制動(dòng)能力上升,動(dòng)車(chē)補(bǔ)充空氣制動(dòng)至設(shè)定的黏著極限,其余不足的空氣制動(dòng)力有兩個(gè)拖車(chē)平分,一列拖車(chē)占整列車(chē)制動(dòng)力的6.7%。

(3)制動(dòng)工況為 80 km/h,減速度 1.12 m/s2,100%電制動(dòng)力,軸重:動(dòng)車(chē)/拖車(chē):12.1 t/13.4 t;初始溫度40℃。

(4)此種分配模式下,熱負(fù)荷計(jì)算車(chē)輪踏面的最高溫度353℃,每個(gè)車(chē)輪承擔(dān)的制動(dòng)能力39.6 MJ。

對(duì)于預(yù)先設(shè)置的輪軌黏著系數(shù),是比較理想的輪軌黏著狀態(tài),若輪軌黏著系數(shù)不理想,特別是在AW3工況,一旦拖車(chē)施加的空氣制動(dòng)力突破實(shí)際的輪軌黏著極限,同時(shí)由于防滑器的反應(yīng)滯后,在其開(kāi)始作用時(shí),車(chē)輪已經(jīng)開(kāi)始出現(xiàn)微量滑行,導(dǎo)致車(chē)輪踏面溫度急劇上升,不到0.1 s可局部達(dá)到900℃,達(dá)到車(chē)輪材料的相變點(diǎn)以上,即高溫奧氏體相變,迅速冷卻時(shí)形成脆而硬的馬氏體,隨著車(chē)輪滾動(dòng)時(shí)同鋼軌接觸,馬氏體極易碎裂、脫落,造成車(chē)輪踏面的非正常磨耗。

因此在此種制動(dòng)力分配模式下,設(shè)置合理的空氣制動(dòng)介入點(diǎn),同時(shí)合理匹配動(dòng)、拖車(chē)的空氣制動(dòng)力。尤其是拖車(chē)位于整列車(chē)的首尾兩端時(shí),地鐵車(chē)輛運(yùn)營(yíng)時(shí)一般不掉頭,整列車(chē)的頭車(chē)車(chē)輪在承擔(dān)導(dǎo)向作用的同時(shí),由于頭車(chē)輪軌黏著系數(shù)低,容易受到鋼軌表面水、油污、樹(shù)葉及其他污物的影響。處于首尾兩端拖車(chē)車(chē)輪踏面的工作狀態(tài)遠(yuǎn)比編組中間的動(dòng)車(chē)惡劣。在車(chē)輛運(yùn)行速度較高下施加制動(dòng),勢(shì)必造成拖車(chē)車(chē)輪踏面及閘瓦承受過(guò)高的熱負(fù)荷。

3.2.2 車(chē)輪、閘瓦等磨耗利用原則

進(jìn)入電制動(dòng)恒功區(qū)之前,制動(dòng)時(shí)在黏著系數(shù)允許的條件下,將動(dòng)車(chē)的電制動(dòng)利用到極限,不足的制動(dòng)力將由空氣制動(dòng)承擔(dān),分別由動(dòng)、拖車(chē)所有的車(chē)輪均分;進(jìn)入電制動(dòng)恒功區(qū)后,動(dòng)車(chē)電制動(dòng)力+空氣制動(dòng)力利用到設(shè)定的黏著極限后,不足的制動(dòng)力由所有拖車(chē)均分,見(jiàn)圖5。

圖5 等磨耗制動(dòng)力分配原則示意圖

(1)圖5上半部分為速度v=80 km/h時(shí)制動(dòng),空氣制動(dòng)不足部分由所有車(chē)輛均分,一列拖車(chē)占整列車(chē)制動(dòng)力的8.9%;

(2)圖5下半部分為隨著制動(dòng)速度降低至54 km/h時(shí),電制動(dòng)能力上升,動(dòng)車(chē)補(bǔ)充空氣制動(dòng)至設(shè)定的黏著極限,其余不足的空氣制動(dòng)力有兩個(gè)拖車(chē)平分,一列拖車(chē)占整列車(chē)制動(dòng)力的4.8%。

(3)制動(dòng)工況為 80 km/h,減速度 1.12 m/s2,100%電制動(dòng)力,軸重:動(dòng)車(chē)/拖車(chē):12.1 t/13.4 t;初始溫度40℃。

(4)此種分配模式下,熱負(fù)荷計(jì)算車(chē)輪踏面的最高溫度198℃,每個(gè)車(chē)輪承擔(dān)的制動(dòng)能力18.4 MJ。

通過(guò)與制動(dòng)力等黏著分配方案對(duì)比,明顯可以看出優(yōu)劣,在車(chē)輪、閘瓦等磨耗分配原則下,車(chē)輪踏面的工作環(huán)境大為改善,可以大幅度降低車(chē)輪踏面異常磨耗帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)及其他副作用。延長(zhǎng)了車(chē)輪和閘瓦的使用壽命,同時(shí)減少了維護(hù)的工作量。

4 結(jié)論

(1)電空制動(dòng)時(shí),空氣制動(dòng)力的最優(yōu)化配置是在車(chē)輪、閘瓦等磨耗分配原則的基礎(chǔ)上,根據(jù)整列車(chē)不同車(chē)輛之間不同的輪軌黏著系數(shù),進(jìn)一步細(xì)化分配方案,達(dá)到輪軌黏著系數(shù)利用的最優(yōu)化;

(2)合理匹配空氣制動(dòng)介入點(diǎn)、電信號(hào)傳輸時(shí)間、空走時(shí)間三者之間的相關(guān)參數(shù),避開(kāi)高速階段空氣制動(dòng)過(guò)早介入,同時(shí)盡可能降低低速時(shí)空氣制動(dòng)力的切入點(diǎn);

(3)進(jìn)一步優(yōu)化閘瓦摩擦材料的熱負(fù)荷特性與車(chē)輪的匹配性;

(4)防滑控制系統(tǒng)的優(yōu)化,設(shè)置合理的防滑控制切入點(diǎn),提高防滑系統(tǒng)的靈敏度;

(5)對(duì)于運(yùn)營(yíng)速度超過(guò)80 km/h的地鐵車(chē)輛,建議考慮引入盤(pán)型制動(dòng);由于取消了閘瓦對(duì)于車(chē)輪踏面的清掃、打磨修復(fù),因此就輪軌黏著系數(shù)利用而言,需考慮采用盤(pán)型制動(dòng)后,應(yīng)適當(dāng)改善輪軌黏著系數(shù),即增加撒沙裝置、踏面清掃等,避免由此帶來(lái)車(chē)輪的非正常磨耗。

[1] 內(nèi)田清五[日](陳 賀,李 毅,等譯).日本新干線(xiàn)的制動(dòng)系統(tǒng)]M].北京:中國(guó)鐵道出版社,2004.

[1] G.Donzella[意大利].閘瓦制動(dòng)對(duì)實(shí)心車(chē)輪殘余應(yīng)力水平的影響[J].國(guó)外機(jī)車(chē)車(chē)輛工藝,2000,(5):38-45.

[1] 王京波.合成閘瓦對(duì)車(chē)輪熱影響的研究[J].鐵道機(jī)車(chē)車(chē)輛,2003,23(2):77-82.

[1] 汪 洋.地鐵列車(chē)車(chē)輪踏面環(huán)狀剝離的分析[J].電力機(jī)車(chē)與城軌車(chē)輛,2003,(26):67-68.