喬青峰

(中國(guó)南車集團(tuán) 青島四方機(jī)車車輛股份有限公司 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的地鐵車輛,基礎(chǔ)制動(dòng)方式大都采用踏面制動(dòng)。由于地鐵線路站間距短、車站多、制動(dòng)頻繁,單純空氣制動(dòng)無法滿足制動(dòng)熱負(fù)荷要求,所以一般城軌車輛均采用空氣制動(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90%以上被車輪吸收,同時(shí)由于車輪不僅承擔(dān)支撐車輛的質(zhì)量、運(yùn)行導(dǎo)向、傳遞牽引力、制動(dòng)力等交叉工作,從而使得車輪承受過多的熱負(fù)荷,當(dāng)車輪承受的熱負(fù)荷超過自身承受極限時(shí),車輪踏面出現(xiàn)剝離、熱裂紋、異常磨耗等熱損傷。另外,部分地鐵車輛司機(jī)的誤操作(頻繁使用快速制動(dòng)),使得制動(dòng)過程中補(bǔ)充過多的空氣制動(dòng),制動(dòng)過程中產(chǎn)生的巨大熱負(fù)荷,在車輪踏面產(chǎn)生很大的溫度梯度,導(dǎo)致產(chǎn)生過大的熱應(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)期以來一直是鐵路工業(yè)難以解決的難題之一,著重就地鐵車輛運(yùn)營(yíng)過程中碰到的車輪踏面異常磨耗現(xiàn)象,探討其成因所在。

1 目前城軌車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,由于車輪材料與閘瓦材料熱力學(xué)性能的差異,車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)加劇車輪的熱損傷[1]。

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

1.2 車輪踏面熱應(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輪損傷,如圖1所示,圖中橫坐標(biāo)為車輪踏面最大熱應(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的城軌車輛采用。

合成閘瓦制動(dòng)過程中產(chǎn)生的熱量超過90%被車輪吸收,并且由于閘瓦摩擦材料線膨脹系數(shù)較大,易造成車輪踏面局部過熱,容易發(fā)生各種熱損傷[3]。車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)于車輪踏面的工作狀態(tài)是不利的。

2.1 熱龜裂

如果閘瓦與車輪接觸不良,局部存在高點(diǎn)、硬點(diǎn)接觸,將會(huì)在車輪踏面上面產(chǎn)生局部過熱,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)小熱裂痕通過制動(dòng)時(shí)閘瓦磨耗也有可能消失。另外,通過1∶1試驗(yàn)臺(tái)的試驗(yàn)觀測(cè)到頻繁高負(fù)荷制動(dòng)、冷卻也有可能在車輪踏面產(chǎn)生熱疲勞龜裂。

2.2 車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)過溝槽狀磨耗,見圖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 車輪溝槽狀磨耗

在制動(dòng)頻繁、熱負(fù)荷較大的城軌車輛,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)在拖車車輪,根源在于過高的熱負(fù)荷導(dǎo)致閘瓦溫升過高以及閘瓦的材質(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,從而反作用于車輪踏面,導(dǎo)致車輪踏面溝槽狀磨耗現(xiàn)象。

2.3 車輪踏面的凹形磨耗

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

圖3 車輪凹形磨耗

造成踏面凹型磨耗的原因是閘瓦把車輪磨削下來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,通過車輪的摩擦及加熱造成淬火變硬,再次制動(dòng)時(shí),對(duì)車輪進(jìn)行磨削,最終出現(xiàn)凹型磨耗。

2.4 合成閘瓦對(duì)車輪踏面的其他影響

合成閘瓦還有可能導(dǎo)致車輪踏面出現(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)地鐵車輛一般采用4輛編組、或者6輛編組,整列車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)的地鐵車輛采用網(wǎng)絡(luò)控制,整列車為一個(gè)大單元,制動(dòng)力可以在整列車內(nèi)部進(jìn)行優(yōu)化、統(tǒng)籌分配。

通常情況下,當(dāng)車輛速度較高時(shí),車輛首先采用電制動(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),為了在滿載情況下獲得最大黏著力,拖車的空氣制動(dòng)開始參與制動(dòng)。這一過程由制動(dòng)控制單元軟件控制來實(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,列車優(yōu)先采用電制動(dòng),若電制動(dòng)可以滿足整列車減速度、制動(dòng)距離要求,此種工況下,空氣制動(dòng)不參與制動(dòng),也就是說拖車需要的制動(dòng)力此時(shí)由動(dòng)車電制動(dòng)承擔(dān)。單元內(nèi)的一組車輛不再施加空氣制動(dòng)。

(2)當(dāng)電制動(dòng)能力不能滿足整列車所需的減速度或者動(dòng)車的黏著系數(shù)利用到極限時(shí),空氣制動(dòng)開始參與。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)、拖車均等效利用輪軌黏著系數(shù),由于動(dòng)車存在電制動(dòng)力,且電制動(dòng)能力基本可以滿足動(dòng)車減速度的需求,拖車的制動(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,通過軟件控制,優(yōu)先補(bǔ)充拖車制動(dòng)力,拖車空氣制動(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)車的空氣制動(dòng)力,見圖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)不足部分由所有車輛均分,一列拖車占整列車制動(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)拖車平分,一列拖車占整列車制動(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/拖車: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)算車輪踏面的最高溫度353℃,每個(gè)車輪承擔(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,在其開始作用時(shí),車輪已經(jīng)開始出現(xiàn)微量滑行,導(dǎo)致車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,隨著車輪滾動(dòng)時(shí)同鋼軌接觸,馬氏體極易碎裂、脫落,造成車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)、拖車的空氣制動(dòng)力。尤其是拖車位于整列車的首尾兩端時(shí),地鐵車輛運(yùn)營(yíng)時(shí)一般不掉頭,整列車的頭車車輪在承擔(dān)導(dǎo)向作用的同時(shí),由于頭車輪軌黏著系數(shù)低,容易受到鋼軌表面水、油污、樹葉及其他污物的影響。處于首尾兩端拖車車輪踏面的工作狀態(tài)遠(yuǎn)比編組中間的動(dòng)車惡劣。在車輛運(yùn)行速度較高下施加制動(dòng),勢(shì)必造成拖車車輪踏面及閘瓦承受過高的熱負(fù)荷。

3.2.2 車輪、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)、拖車所有的車輪均分;進(jìn)入電制動(dòng)恒功區(qū)后,動(dòng)車電制動(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)力由所有拖車均分,見圖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)不足部分由所有車輛均分,一列拖車占整列車制動(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)拖車平分,一列拖車占整列車制動(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/拖車: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)算車輪踏面的最高溫度198℃,每個(gè)車輪承擔(dān)的制動(dòng)能力18.4 MJ。

通過與制動(dòng)力等黏著分配方案對(duì)比,明顯可以看出優(yōu)劣,在車輪、閘瓦等磨耗分配原則下,車輪踏面的工作環(huán)境大為改善,可以大幅度降低車輪踏面異常磨耗帶來的風(fēng)險(xiǎn)及其他副作用。延長(zhǎng)了車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)化配置是在車輪、閘瓦等磨耗分配原則的基礎(chǔ)上,根據(jù)整列車不同車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),避開高速階段空氣制動(dòng)過早介入,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80 km/h的地鐵車輛,建議考慮引入盤型制動(dòng);由于取消了閘瓦對(duì)于車輪踏面的清掃、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,避免由此帶來車輪的非正常磨耗。

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

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