張祥杰，楊 凱，馬麗英，李海濤

（中車(chē)青島四方機(jī)車(chē)車(chē)輛股份有限公司，山東青島 266111）

0 引言

制動(dòng)閘片是列車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)的重要組成部件，直接影響動(dòng)車(chē)組制動(dòng)性能。用制動(dòng)夾鉗使閘片夾緊安裝在車(chē)鈾或車(chē)輪輻板上的制動(dòng)盤(pán)，使閘片與制動(dòng)盤(pán)間產(chǎn)生摩擦，把列車(chē)動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮堋ｋS著動(dòng)車(chē)組運(yùn)行，發(fā)現(xiàn)拖車(chē)制動(dòng)閘片使用壽命明顯低于動(dòng)車(chē)，測(cè)量發(fā)現(xiàn)拖車(chē)制動(dòng)閘片磨耗量明顯高于動(dòng)車(chē)閘片，同一副制動(dòng)夾鉗外側(cè)閘片磨耗大于內(nèi)側(cè)，閘片存在偏磨現(xiàn)象。本文通過(guò)閘片磨耗現(xiàn)象，分析其磨耗規(guī)律，最后從制動(dòng)閘片結(jié)構(gòu)和工作原理來(lái)說(shuō)明磨耗的原因，并對(duì)降低閘片磨耗提出了相應(yīng)建議。

1 CRH2 型動(dòng)車(chē)組制動(dòng)夾鉗簡(jiǎn)介

CRH2 型動(dòng)車(chē)組轉(zhuǎn)向架基礎(chǔ)制動(dòng)裝置主要由制動(dòng)增壓缸、制動(dòng)卡鉗、閘片及管路系統(tǒng)等部分組成。動(dòng)車(chē)（M 車(chē)）和拖車(chē)（T 車(chē)）轉(zhuǎn)向架基礎(chǔ)制動(dòng)裝置均采用壓縮空氣驅(qū)動(dòng)的盤(pán)形制動(dòng)方式，采用氣動(dòng)式夾鉗、浮動(dòng)式閘片。動(dòng)車(chē)制動(dòng)夾鉗裝置采用輪盤(pán)式，拖車(chē)采用輪盤(pán)與軸盤(pán)并用的方式，且用于拖車(chē)轉(zhuǎn)向架的輪盤(pán)制動(dòng)夾鉗和軸盤(pán)制動(dòng)夾鉗相同。CRH2 型動(dòng)車(chē)組采用 RZKK 型氣動(dòng)式制動(dòng)夾鉗及浮動(dòng)式粉末冶金閘片，可以使制動(dòng)力分布更均勻，有效減少熱斑、顫振等，并可進(jìn)一步減輕重量。M 車(chē)和 T 車(chē)制動(dòng)閘片初始厚度為17 mm（包括閘片托）[1]，制動(dòng)夾鉗裝置主要參數(shù)見(jiàn)表 1。

2 制動(dòng)閘片磨耗測(cè)量

選取 T 車(chē)（編號(hào)為 1 車(chē)）輪盤(pán)、軸盤(pán)各一副制動(dòng)夾鉗，選取 M 車(chē)（編號(hào)為 2 車(chē)）輪盤(pán)一副制動(dòng)夾鉗作為研究對(duì)象。每副制動(dòng)夾鉗上面選取 9 個(gè)閘片，測(cè)量時(shí)取 9個(gè)閘片平均磨耗量作為單個(gè)制動(dòng)夾鉗的平均磨耗量。采用游標(biāo)卡尺測(cè)量閘片磨耗量，如圖 1 所示。

表1 制動(dòng)夾鉗裝置主要參數(shù)

圖1 閘片磨耗測(cè)量點(diǎn)示意圖

該列車(chē)最高速度 300 km/h，采取每隔一段里程測(cè)量制動(dòng)閘片磨耗量的方式，其數(shù)值為實(shí)際測(cè)量閘片厚度與原始厚度（原始厚度包括閘片托為 17 mm）之差，共計(jì)測(cè)量 5 次。制動(dòng)夾鉗內(nèi)側(cè)、外側(cè)閘片磨耗量如圖 2、圖 3 所示，制動(dòng)夾鉗閘片磨耗測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表 2。根據(jù)測(cè)量結(jié)果得出以下結(jié)論。

（1）動(dòng)車(chē)組制動(dòng)夾鉗閘片磨耗隨里程增加而增大。

（2）在相同里程下，同一列動(dòng)車(chē)閘片磨耗量大于拖車(chē)。在動(dòng)車(chē)組運(yùn)行至 21 萬(wàn)km時(shí)，1 車(chē) 1 位輪盤(pán)外側(cè)閘片磨耗量是 2 車(chē) 1 位輪盤(pán)外側(cè)閘片磨耗量的 2.28 倍，閘片平均磨耗速度相差 2.375 倍。取閘片前 5 次平均磨耗速度均值，1 車(chē) 1 位輪盤(pán)外側(cè)閘片磨耗速度為 0.198 mm/萬(wàn)km。按照 CRH2 型動(dòng)車(chē)組檢修使用標(biāo)準(zhǔn)（包括閘片托在內(nèi)不低于 7 mm），1 車(chē) 1 位輪盤(pán)外側(cè)閘片理論計(jì)算使用極限為 50.5 萬(wàn)km（實(shí)際使用至 48 萬(wàn)km 更換），1 車(chē) 1 位軸盤(pán)外側(cè)閘片理論計(jì)算使用極限為 54.35 萬(wàn)km（實(shí)際使用至 52萬(wàn)km 更換），而同等狀況下 2 車(chē) 1 位輪盤(pán)外側(cè)閘片理論計(jì)算使用極限為 119 萬(wàn)km，可見(jiàn)拖車(chē)閘片磨耗比動(dòng)車(chē)嚴(yán)重（圖 4）。

（3）無(wú)論拖車(chē)還是動(dòng)車(chē)，同一副制動(dòng)夾鉗外側(cè)閘片平均磨耗量均大于內(nèi)側(cè)。1 車(chē) 1 位輪盤(pán)外側(cè)閘片平均磨耗量（5 次測(cè)量平均值）比內(nèi)側(cè)高出 15%，而 2 車(chē) 1 位輪盤(pán)外側(cè)閘片平均磨耗量比內(nèi)側(cè)高出 21%，即同一副制動(dòng)夾鉗閘片存在偏磨現(xiàn)象。

圖2 制動(dòng)夾鉗內(nèi)側(cè)閘片磨耗示意圖

圖3 制動(dòng)夾鉗外側(cè)閘片磨耗示意圖

表2 制動(dòng)夾鉗閘片磨耗測(cè)量數(shù)據(jù)

圖4 同里程下 1 車(chē) 1 位輪盤(pán)外側(cè)閘片和 2 車(chē) 1 位輪盤(pán)外側(cè)閘片磨耗對(duì)比圖

3 閘片磨耗原因分析

拖車(chē)閘片磨損過(guò)快、同一副制動(dòng)夾鉗閘片偏磨等問(wèn)題不但降低其使用壽命，還加大了動(dòng)車(chē)組檢修維護(hù)成本?，F(xiàn)從 CRH2 型動(dòng)車(chē)組制動(dòng)夾鉗單元結(jié)構(gòu)及其工作原理入手，進(jìn)行磨耗原因分析。

3.1 制動(dòng)夾鉗單元結(jié)構(gòu)

CRH2 型動(dòng)車(chē)組制動(dòng)夾鉗結(jié)構(gòu)如圖 5 所示，主要由殼體、膜板風(fēng)缸、安裝座、進(jìn)氣口、自動(dòng)間隙調(diào)整結(jié)構(gòu)、夾鉗臂、閘片托、閘片等組成，閘片和閘片托之間采用卡簧將兩部件緊固在一起。動(dòng)車(chē)組在制動(dòng)時(shí)，來(lái)自中繼閥的壓縮空氣通過(guò)進(jìn)氣口進(jìn)入膜板風(fēng)缸，空氣壓力作用在活塞面上，轉(zhuǎn)化為活塞推力將制動(dòng)缸絲杠推出，從而推動(dòng)制動(dòng)杠桿產(chǎn)生制動(dòng)作用，將活塞力進(jìn)行一定倍率的放大，轉(zhuǎn)化成制動(dòng)夾鉗單元的閘片壓力施加到制動(dòng)盤(pán)上，完成制動(dòng)動(dòng)作。

圖5 CRH2 型動(dòng)車(chē)組制動(dòng)夾鉗結(jié)構(gòu)示意圖

需要說(shuō)明的是，該制動(dòng)夾鉗開(kāi)始制動(dòng)時(shí)，壓縮空氣首先推動(dòng)外側(cè)閘片貼緊制動(dòng)盤(pán)，然后內(nèi)側(cè)閘片在夾緊力的反作用下才進(jìn)行夾緊動(dòng)作，即制動(dòng)時(shí)制動(dòng)夾鉗的外側(cè)閘片為主動(dòng)側(cè)首先與制動(dòng)盤(pán)接觸，稍后內(nèi)側(cè)閘片才與制動(dòng)盤(pán)接觸，動(dòng)作順序的不同必然引起磨耗量不同。

3.2 制動(dòng)夾鉗工作原理

CRH2 型動(dòng)車(chē)組制動(dòng)系統(tǒng)采用電制動(dòng)和空氣制動(dòng)聯(lián)合的方式，制動(dòng)單元采用 2M1T（2 個(gè)動(dòng)車(chē) 1 個(gè)拖車(chē)為1 個(gè)制動(dòng)單元組）或單獨(dú) M 車(chē)（1 個(gè)動(dòng)車(chē)為 1 個(gè)制動(dòng)單元組）的制動(dòng)編組型式。其中，對(duì) T 車(chē)使用全機(jī)械制動(dòng)方式，T 車(chē)所需制動(dòng)力的部分或者全部以 M 車(chē)的再生制動(dòng)力（此時(shí)牽引電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)變?yōu)榘l(fā)電機(jī)模式，將電能反饋給電網(wǎng)或消耗在制動(dòng)電阻上）來(lái)負(fù)擔(dān)，負(fù)擔(dān)不了的部分由空氣制動(dòng)來(lái)補(bǔ)足。再生制動(dòng)和空氣制動(dòng)的切換根據(jù)電空協(xié)調(diào)控制（圖 6），但速度低于 6 km/h 時(shí)，制動(dòng)方式由電制動(dòng)逐步轉(zhuǎn)換為空氣制動(dòng)[2]。

3.3 制動(dòng)系統(tǒng)工作原理

當(dāng)自動(dòng)列車(chē)防護(hù)系統(tǒng)發(fā)出制動(dòng)指令或司機(jī)施加制動(dòng)時(shí)，制動(dòng)控制裝置根據(jù)空氣彈簧載荷、運(yùn)行速度等算出必要的制動(dòng)力并進(jìn)行分配。制動(dòng)力首先由再生制動(dòng)負(fù)擔(dān)，再生制動(dòng)不足時(shí)，由制動(dòng)夾鉗施加空氣制動(dòng)來(lái)彌補(bǔ)，而 2M1T 中空氣制動(dòng)首先由拖車(chē)承擔(dān)不足部分，拖車(chē)空氣制動(dòng)不足時(shí)再由動(dòng)車(chē)空氣制動(dòng)承擔(dān)[3]，其制動(dòng)力分配原理如圖 7 所示。當(dāng)動(dòng)車(chē)組制動(dòng)時(shí)需要的制動(dòng)力為FE，如果產(chǎn)生的再生制動(dòng)力在FM與FE之間時(shí)，不足的制動(dòng)力完全由拖車(chē)提供空氣制動(dòng)；當(dāng)再生制動(dòng)力處于 0 到FM之間時(shí)，所需制動(dòng)力首先由拖車(chē)提供，不足部分由動(dòng)車(chē)分擔(dān)。因此從制動(dòng)原理來(lái)看，當(dāng)再生制動(dòng)力不足時(shí)，首先由拖車(chē)承擔(dān)部分或者全部制動(dòng)力，故無(wú)法避免拖車(chē)閘片磨損大于動(dòng)車(chē)，但可以采取適當(dāng)措施減輕閘片磨損。

4 降低閘片磨耗建議

由于列車(chē)施加空氣制動(dòng)時(shí)優(yōu)先讓拖車(chē)負(fù)擔(dān)，為了減少拖車(chē)閘片磨損，減輕同一副制動(dòng)夾鉗閘片偏磨現(xiàn)象，現(xiàn)從以下幾個(gè)方面提出改進(jìn)建議。

4.1 提高再生制動(dòng)力（電制動(dòng)力）

由于列車(chē)制動(dòng)時(shí)先進(jìn)行再生制動(dòng)，當(dāng)再生制動(dòng)不足時(shí)首先由拖車(chē)空氣制動(dòng)來(lái)彌補(bǔ)。因此，可以考慮提高牽引電機(jī)及逆變裝置的再生制動(dòng)能力，降低拖車(chē)空氣制動(dòng)力，從而降低拖車(chē)閘片磨耗。牽引電機(jī)選型時(shí)，不僅要關(guān)注牽引時(shí)的最大功率，更要關(guān)注制動(dòng)時(shí)的最大功率，同時(shí)還要保證牽引逆變裝置能將如此大的再生能量轉(zhuǎn)化為電能并反饋回電網(wǎng)。另外，制動(dòng)控制裝置計(jì)算制動(dòng)力時(shí)還要參考車(chē)輛所受載荷，如能保證車(chē)輛安全運(yùn)行，適當(dāng)降低車(chē)輛自身重量，進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)，那么動(dòng)車(chē)組制動(dòng)時(shí)施加制動(dòng)力也會(huì)減少，進(jìn)而降低閘片磨損，節(jié)約成本。

圖6 電空制動(dòng)轉(zhuǎn)換示意圖

圖7 2M1T 制動(dòng)單元制動(dòng)力分配原理

4.2 合理設(shè)計(jì)電空轉(zhuǎn)換點(diǎn)速度

由圖 6 可以看出，在速度低于 6 km/h 時(shí)電制動(dòng)力逐漸由空氣制動(dòng)替代，若合理匹配電空速度轉(zhuǎn)換點(diǎn)，延長(zhǎng)電制動(dòng)作用時(shí)間，降低空氣制動(dòng)作用時(shí)間，也可以減少閘片磨損，因此可以考慮從動(dòng)車(chē)組電空轉(zhuǎn)換單元控制設(shè)計(jì)角度進(jìn)行合理匹配。

4.3 改變制動(dòng)夾鉗制動(dòng)方式

由于制動(dòng)夾鉗制動(dòng)時(shí)首先推動(dòng)外側(cè)閘片貼緊制動(dòng)盤(pán)，造成外側(cè)閘片磨耗比內(nèi)側(cè)多，因此可以考慮改變制動(dòng)夾鉗制動(dòng)方式，改為兩側(cè)閘片同時(shí)貼緊制動(dòng)盤(pán)進(jìn)行制動(dòng)，減輕同一副制動(dòng)閘片偏磨現(xiàn)象，提高閘片使用壽命。另外，從設(shè)計(jì)角度在閘片托與吊銷(xiāo)間設(shè)計(jì)限位，抑制閘片托與吊銷(xiāo)的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，也可以減輕閘片偏磨 。

4.4 加強(qiáng)制動(dòng)系統(tǒng)檢修和司機(jī)操作習(xí)慣

若制動(dòng)指令信號(hào)存在傳輸不良現(xiàn)象，則拖車(chē)接收不到延遲控制命令就會(huì)進(jìn)行純空氣制動(dòng)，此時(shí)閘片磨損急劇加大。因此，制動(dòng)系統(tǒng)要加強(qiáng)日常檢查和維護(hù)，在保證安全制動(dòng)距離范圍內(nèi)，司機(jī)盡量不要采用高一級(jí)別的制動(dòng)和緊急制動(dòng)等，以降低閘片磨損。

4.5 合理選擇制動(dòng)計(jì)算摩擦系數(shù)

CRH2 型動(dòng)車(chē)組制動(dòng)系統(tǒng)采用減速度控制模式，在制動(dòng)過(guò)程中，制動(dòng)控制單元根據(jù)制動(dòng)級(jí)位、載荷狀態(tài)和當(dāng)前速度，計(jì)算制動(dòng)缸壓力。動(dòng)車(chē)組按照設(shè)置的制動(dòng)減速度進(jìn)行減速制動(dòng)，根據(jù)不同車(chē)速選擇合理的制動(dòng)計(jì)算摩擦系數(shù)。動(dòng)車(chē)組實(shí)施制動(dòng)時(shí)，實(shí)際制動(dòng)減速度應(yīng)與設(shè)計(jì)制動(dòng)減速度基本一致。文獻(xiàn)[4]、[5]進(jìn)行了理論研究和摩擦系數(shù)試驗(yàn)優(yōu)化，可以充分利用盤(pán)片的實(shí)際摩擦性能，有效降低閘片磨耗。

建議采用新材料提高工藝水平，設(shè)計(jì)出抗磨性較好的閘片，提高閘片使用壽命。文獻(xiàn)[6]、[7]等已做相關(guān)研究，本文不再敘述。另外，除了車(chē)輛本身要求外，接觸網(wǎng)設(shè)計(jì)、車(chē)輛運(yùn)行圖編制等因素也對(duì)閘片磨耗有影響。文獻(xiàn)[8]中就提出：①在編制運(yùn)行圖時(shí)合理制訂運(yùn)行標(biāo)尺，適當(dāng)增加起停附加時(shí)間；②在接觸網(wǎng)設(shè)計(jì)中，靠近車(chē)站兩端盡量不設(shè)分相區(qū)，使動(dòng)車(chē)組進(jìn)站減速時(shí)可最大程度利用再生制動(dòng)。

5 結(jié)束語(yǔ)

隨著動(dòng)車(chē)組運(yùn)營(yíng)里程增加，拖車(chē)閘片出現(xiàn)比動(dòng)車(chē)閘片磨損更嚴(yán)重的現(xiàn)象，造成拖車(chē)閘片使用壽命縮短，列車(chē)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)成本增加。本文選取某列速度為 300 km/h的 CRH2 型動(dòng)車(chē)組作為研究對(duì)象，每隔一定里程測(cè)量同一制動(dòng)單元內(nèi)動(dòng)車(chē)和拖車(chē)的指定位置制動(dòng)閘片磨耗量，分析其磨耗規(guī)律，最后指出列車(chē)本身制動(dòng)方式是造成拖車(chē)閘片偏磨的主要原因，建議采取兩側(cè)同時(shí)夾緊制動(dòng)盤(pán)的策略，同時(shí)加強(qiáng)新材料的研制，建立必要的維護(hù)監(jiān)管機(jī)制，加大檢修力度，及早發(fā)現(xiàn)和消除故障隱患，提高閘片使用壽命。