江 浪 馮 暢 伍安旭

(中車戚墅堰機(jī)車車輛工藝研究所有限公司 江蘇 常州 213011)

研磨子是踏面清掃裝置的摩擦部件，具有高效修整車輪失圓、提升輪軌黏著力和清掃車輪踏面異物等重要作用，廣泛應(yīng)用于國內(nèi)的動(dòng)車組、地鐵等軌道列車，為列車的安全運(yùn)營提供保障。

1 問題的提出

因我國列車運(yùn)行的環(huán)境復(fù)雜多變，研磨子在實(shí)際運(yùn)用中也出現(xiàn)過一些異常問題。本文針對(duì)某車輛研磨子的金屬鑲嵌異?，F(xiàn)象進(jìn)行分析(見圖1)，圖1所示為研磨子的摩擦面出現(xiàn)“金屬鑲嵌”的情況。該摩擦面“金屬片”即為輕微金屬鑲嵌現(xiàn)象，該現(xiàn)象會(huì)降低研磨子的作用效果，針對(duì)該現(xiàn)象，有必要對(duì)其成因進(jìn)行分析并加以預(yù)防。

圖1 研磨子表面金屬鑲嵌現(xiàn)象

2 “金屬片”金相分析

對(duì)該研磨子上殘留的“金屬片”進(jìn)行了金相分析，鑲嵌物形態(tài)如圖2所示，凹坑形態(tài)如圖3所示，鑲嵌物金相組織如圖4所示，鑲嵌物能譜成分如圖5所示。

圖2 32×鑲嵌物形態(tài) 圖3 200×凹坑形態(tài)

圖4 500×鑲嵌物金相組織 圖5 鑲嵌物能譜成分

金屬鑲嵌物的正面從整體上看比較平坦，但凹坑放大后能夠觀察到上面有摩擦痕、犁溝和黏著物。將“金屬片”橫向剖開，其斷面為實(shí)體金屬，在金相顯微鏡下觀察，可以看到由于反復(fù)摩擦而逐漸積聚的層狀組織，該組織是由很細(xì)的珠光體和鐵素體共同組成。

經(jīng)金相結(jié)合能譜分析可確定，該“金屬片”為車輪踏面的金屬材質(zhì)經(jīng)某種方式在局部發(fā)生切削，局部產(chǎn)生大量熱量致使金屬發(fā)生熔融并黏附在研磨子上不斷沿摩擦面生長形成，是典型的摩擦材料金屬鑲嵌現(xiàn)象。

3 研磨子金屬鑲嵌的原因分析

研磨子由具有車輪修形及增黏作用的多種硬質(zhì)微顆粒與獨(dú)特配方的摩擦調(diào)節(jié)材料加壓燒結(jié)而成，其整體硬度遠(yuǎn)低于車輪硬度。在正常使用時(shí)，磨損主要發(fā)生在研磨子上，不會(huì)對(duì)車輪造成損傷。車輪在運(yùn)行中的磨損主要為輪軌間的表面疲勞磨損，若該磨損產(chǎn)生的金屬磨屑及空氣中的沙塵進(jìn)入研磨子與車輪之間，就可能會(huì)對(duì)車輪產(chǎn)生磨粒磨損。一般情況下，這些硬質(zhì)磨屑會(huì)與研磨子的磨屑一起排出，但若磨屑不能及時(shí)排出，則可能引發(fā)金屬鑲嵌。

影響研磨子產(chǎn)生金屬鑲嵌的因素主要有以下幾個(gè)因素：

(1)線路因素。在新線路剛投入使用時(shí)，軌道上存在較多的鐵屑、銹跡等異物，在列車運(yùn)行時(shí)，異物可能會(huì)隨著車輪的轉(zhuǎn)動(dòng)被帶入到車輪與研磨子之間。若異物過多，可能會(huì)造成研磨子排屑不暢，從而引發(fā)金屬鑲嵌。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，該類金屬鑲嵌現(xiàn)象一般較輕微，難以損傷車輪，且會(huì)隨著線路運(yùn)行時(shí)間的增長、線路運(yùn)行車輛的增多而逐漸減少至消失。

(2)環(huán)境因素。在持續(xù)潮濕環(huán)境下，輪軌表面更易出現(xiàn)銹泥，銹泥積聚在研磨子表面后，其黏性將阻礙研磨子表面磨粒及雜質(zhì)的排除。尤其在有雪的低溫天氣，研磨子表面黏度增加且金屬磨屑容易硬化聚集，有引發(fā)金屬鑲嵌的風(fēng)險(xiǎn)。

(3)研磨子性能因素。研磨子由于其自身的配方、材料或工藝的原因可能會(huì)導(dǎo)致其理化性能異常，排屑性能不佳，在特定的運(yùn)營環(huán)境中的磨屑物黏度增加時(shí)，導(dǎo)致磨屑排出困難。

4 研磨子金屬鑲嵌解決措施

研磨子在我國運(yùn)用并國產(chǎn)化后，國內(nèi)在解決金屬鑲嵌方面做了大量研究。目前，已經(jīng)基本解決了該問題，根據(jù)多年的運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)，主要采取以下措施進(jìn)行預(yù)防及改善。

(1)合理選擇踏面清掃裝置控制模式

踏面清掃裝置的控制模式包含研磨子的作用壓力、作用時(shí)機(jī)等重要參數(shù)。在研磨子作用過程中，車輪與研磨子的摩擦必然會(huì)發(fā)生車輪磨耗，產(chǎn)生金屬磨粒。但是車輪磨耗應(yīng)控制在合理的范圍內(nèi)，要求研磨子既要對(duì)車輪起到修形和增黏作用，又不能引起車輪異常損耗，還需考慮研磨子作用的經(jīng)濟(jì)性及可靠性。當(dāng)車輪磨耗太大時(shí)，不僅經(jīng)濟(jì)性受影響，研磨子的排屑也更困難。摩擦理論中的黏著磨損方程(公式1)和磨粒磨損方程(公式2)如下：

Q=K×W/3×P0

(1)

Q=Ka×W/H

(2)

式中：Q為總磨耗量；W為法向載荷(正壓力)；P0為金屬材料的屈服壓力；K為微凸體接觸點(diǎn)產(chǎn)生1個(gè)磨粒的概率；H為較軟材料的硬度；Ka為磨粒磨損常數(shù)。

可以看出：兩種磨損的總磨耗量Q均與法向載荷W即研磨子正壓力成正比[1]。由于研磨子在動(dòng)車組上是由高速時(shí)開始運(yùn)用(有制動(dòng)信號(hào)時(shí))，其作用行程較長，因此發(fā)生黏著磨損的微凸體接觸點(diǎn)產(chǎn)生磨粒的概率也相應(yīng)越大(即K值越大)。故在保證研磨子修形和增黏效果的前提下，可適當(dāng)降低踏面清掃裝置作用氣壓，并采用間歇式動(dòng)作模式從而減少車輪磨損量，有效降低金屬鑲嵌發(fā)生的概率。

(2)研磨子配方及結(jié)構(gòu)改進(jìn)

根據(jù)線路環(huán)境及車輛信息合理選擇研磨子填料的種類、大小、含量，選用熱穩(wěn)定性好的酚醛樹脂作為黏結(jié)劑，降低研磨子的整體黏度，均能改善研磨子在低溫、潮濕等惡劣環(huán)境下的排屑性能，使研磨子作用時(shí)發(fā)生磨粒磨損而非黏著磨損，有效降低金屬鑲嵌出現(xiàn)概率。針對(duì)不同功能側(cè)重的研磨子，其配方改進(jìn)如表1所示。

表1 研磨子功能與配方針對(duì)性設(shè)計(jì)表

對(duì)于某些特殊線路，在確保達(dá)到所需功能的前提下可考慮采用某些更利于排屑的新型研磨子結(jié)構(gòu)，其減少了摩擦有效接觸面積，通過設(shè)置的排屑槽可以疏導(dǎo)清掃過程中產(chǎn)生的磨屑及其他異物，又有利于散熱。

(3)研磨子產(chǎn)品質(zhì)量控制

研磨子的各項(xiàng)理化性能指標(biāo)應(yīng)符合相應(yīng)的技術(shù)要求，加強(qiáng)研磨子原材料、制造工藝、成品性能等全過程的管控，并對(duì)產(chǎn)品的混料均勻性、壓制時(shí)間、燒結(jié)溫度等關(guān)鍵工序項(xiàng)點(diǎn)進(jìn)行科學(xué)合理的控制。

5 結(jié)語

目前，研磨子產(chǎn)品已經(jīng)在國內(nèi)不同運(yùn)營環(huán)境的軌道列車上批量運(yùn)用，在解決車輪失圓和輪軌黏著方面，取得了令人滿意的使用效果。文中針對(duì)研磨子可能會(huì)出現(xiàn)的金屬鑲嵌問題的原因進(jìn)行了總結(jié)，對(duì)于某些極端環(huán)境下的研磨子運(yùn)用具有一定的參考意義。其中，完成優(yōu)化改進(jìn)的新型配方的研磨子和控制模式，已成功運(yùn)用于國內(nèi)某型動(dòng)車組，運(yùn)營里程逾70萬km未再出現(xiàn)金屬鑲嵌現(xiàn)象。