楊欣，周偉，馮永華，付少青，吳依桐

（1.中國中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司，山東青島266111； 2.中南大學(xué)交通運(yùn)輸工程學(xué)院，軌道交通安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南長沙410075）

高速動車組運(yùn)行速度快，關(guān)鍵設(shè)備可靠性要求相對較高. 制動系統(tǒng)的重要性更是不言而喻[1-4]. 制動盤對高速動車組的運(yùn)行安全和制動能力有至關(guān)重要的作用. 隨著運(yùn)行里程的增加，制動盤異常磨耗現(xiàn)象較為嚴(yán)重[5-6]，特別是西北地區(qū)風(fēng)沙氣候特征，給動車組正常運(yùn)行帶來了嚴(yán)峻考驗(yàn)，制動盤異常磨耗就是亟待解決的問題之一.

針對磨耗問題，已有學(xué)者做了大量研究，主要包括理論分析[7-8]與試驗(yàn)檢測. 屠宣等[9]認(rèn)為拖車制動盤磨耗過快的根本原因是制動摩擦副選配不當(dāng)，通過新閘片選型試驗(yàn)驗(yàn)證，新閘片的使用極大緩解了制動盤快速磨耗的趨勢. 劉振明等[10]對各型裝用轉(zhuǎn)K6 型轉(zhuǎn)向架的貨車車輪磨耗情況進(jìn)行了實(shí)測，認(rèn)為轉(zhuǎn)向架采用柔性支點(diǎn)后，可基本消除轉(zhuǎn)K6 轉(zhuǎn)向架車輪踏面圓周磨耗和輪緣磨耗不均的現(xiàn)象. 許松波等[11]采用激光測量技術(shù)完成制動閘片磨耗測量的自動檢測系統(tǒng)，能全天候提供準(zhǔn)確的閘片厚度測量值，對超過閘片磨耗限度的輪對能準(zhǔn)確提供故障定位，實(shí)現(xiàn)狀態(tài)跟蹤.

以上研究大多關(guān)注環(huán)境條件較好的路線，對于特殊服役環(huán)境下（如風(fēng)沙地區(qū)）的制動盤磨耗問題鮮有研究. 對風(fēng)沙環(huán)境下高速動車組而言，風(fēng)沙服役環(huán)境是引起制動盤異常磨損的主要原因之一，風(fēng)沙服役環(huán)境下動車組轉(zhuǎn)向架的運(yùn)行氣動特性，會導(dǎo)致制動磨耗高于其他線路，因此分析風(fēng)沙天氣對制動盤磨耗的影響是有必要的. 本文采用專用磨耗測量裝置對各車轉(zhuǎn)向架制動盤（輪盤及軸盤）內(nèi)外側(cè)盤面磨耗量進(jìn)行跟蹤測量，分析風(fēng)沙服役環(huán)境下各車制動盤平均當(dāng)量磨耗率規(guī)律，為科學(xué)合理設(shè)計(jì)初始磨耗厚度、制定制動盤更換周期、提高風(fēng)區(qū)鐵路動車組的服役能力提供依據(jù).

1 試驗(yàn)方法

某運(yùn)營于風(fēng)沙地區(qū)的8 編組動車組由4 輛拖車、4 輛動車組成，每輛車設(shè)置2 個轉(zhuǎn)向架，每轉(zhuǎn)向架設(shè)置2 條車軸. 1 車、4 車、5 車、8 車為拖車，每條拖車轉(zhuǎn)向架車軸設(shè)置有2 套輪盤和2 套軸盤，2 車、3 車、6 車、7 車為動車，每條動車轉(zhuǎn)向架車軸設(shè)置有2 套輪盤.

轉(zhuǎn)向架制動盤磨耗測量采用專用磨耗測量裝置（如圖1），對各車制動盤內(nèi)外側(cè)盤面進(jìn)行測量. 每個盤面按0°、90°、180°和270°4 個角度，每個角度在外邊沿、中部和內(nèi)邊沿3 個位置進(jìn)行測量，一個盤面總計(jì)測量12 個數(shù)據(jù).

各單側(cè)盤面測試結(jié)果取 12 個測量值的平均值，輪盤或軸盤內(nèi)外盤面的磨耗測試結(jié)果取和，即為該輪盤或軸盤的雙邊總磨耗量.

圖1 轉(zhuǎn)向架輪盤、軸盤磨耗測量工具

2 數(shù)據(jù)分析

2016 年4 月18 日至2018 年10 月25 日，動車組在106.52 萬公里服役運(yùn)行期間，共進(jìn)行輪盤、軸盤磨耗測量16 次，每次磨耗測量分別與運(yùn)行天數(shù)和所發(fā)生風(fēng)沙的天數(shù)的對比如圖2 所示.

將每輛車轉(zhuǎn)向架的車軸按照從一位端到二位端的縱向方向進(jìn)行區(qū)分，如1 位軸、2 位軸、3 位軸、4 位軸. 制動盤按1 位側(cè)、2 位側(cè)的橫向方向進(jìn)行區(qū)分，如1 軸1 位側(cè)軸盤. 以下分別就各車制動盤磨耗量對比、風(fēng)沙服役環(huán)境影響特性兩方面，對16 次輪盤、軸盤的磨耗量測試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析.

2.1 制動盤磨耗量對比分析

將轉(zhuǎn)向架輪盤、軸盤雙邊總磨耗實(shí)測值隨運(yùn)行里程變化的散點(diǎn)圖繪制曲線如圖3、圖4 所示.

圖2 跟蹤期間磨耗測量情況

圖3 各車轉(zhuǎn)向架制動輪盤磨耗隨運(yùn)行里程變化散點(diǎn)曲線圖

圖4 各車轉(zhuǎn)向架制動軸盤磨耗隨運(yùn)行里程變化散點(diǎn)曲線圖

由統(tǒng)計(jì)散點(diǎn)圖可知，隨著試驗(yàn)車運(yùn)行里程的增加，各輪盤、軸盤雙邊總磨耗量整體呈線性增長趨勢，對各車不同軸不同部位，其磨耗分布有一定差異：

1）當(dāng)運(yùn)行里程達(dá)106.52 萬公里時，轉(zhuǎn)向架輪盤雙邊磨耗量在頭尾拖車1 車（0.876 ～1.186 mm）、8 車（ 0.857 ～1.140 mm）、中間動車 2 車（ 0.896 ～1.209 mm ）、3 車（ 0.888 ～1.103 mm）、6 車（0.920 ～1.192 mm）、7 車偏大（ 0.895 ～1.148 mm），而中間拖車 4 車（ 0.865 ～0.920 mm）、5 車（0.883 ～1.024 mm）偏小；軸盤的雙邊磨耗量在拖車1 車（0.915 ～1.178 mm）、4 車（0.864 ～1.239 mm）、5 車（0.870 ～1.228 mm）、8 車（0.913 ～1.172 mm）的測量值差異不大.

2）對于各車轉(zhuǎn)向架不同軸側(cè)制動輪盤、軸盤雙邊磨耗，中間拖車4 車、5 車各軸各側(cè)輪盤磨耗 量分布相對較為集中，而其他車輪盤、軸盤磨耗量較為分散（圖5），且高磨耗位置無明顯規(guī)律.

圖5 運(yùn)行里程106.52 萬公里時各車各軸雙邊總磨耗量變化柱狀圖

3）將輪盤、軸盤的單邊磨耗平均值分別作為該輛車轉(zhuǎn)向架輪盤與軸盤單邊磨耗量，當(dāng)運(yùn)行里程達(dá)106.52 萬公里時，各車輪盤、軸盤平均單邊磨耗量與當(dāng)量磨耗率（磨耗量/運(yùn)行里程）對比柱狀圖如圖6 所示.

圖6 運(yùn)行里程106.52 萬公里時各車平均磨耗量與當(dāng)量磨耗率對比柱狀圖

從各車輪盤的平均磨耗量分布來看，中間拖車4 車、5 車的磨耗量偏小，而動車2 車、6 車的磨耗量偏大，軸盤磨耗量各拖車差異不大；另外，各車制動輪盤、軸盤的單邊平均當(dāng)量磨耗率均高于每萬公里0.004 mm，要高于每萬公里0.003 5 mm 的非風(fēng)沙地區(qū)動車組制動盤單邊磨耗率，這是由于風(fēng)沙服役環(huán)境的影響所致.

2.2 風(fēng)沙服役環(huán)境影響分析

為定性分析風(fēng)沙天氣對動車組運(yùn)行的影響，結(jié)合圖2 的動車組運(yùn)行天數(shù)和出現(xiàn)風(fēng)沙天數(shù)，計(jì)算當(dāng)次磨耗測量的風(fēng)沙天氣影響系數(shù)wα （wα =風(fēng)沙天數(shù)/動車組運(yùn)行天數(shù)）. 為定量分析風(fēng)沙氣候條件的影響特性，計(jì)算各相鄰磨耗測量期間制動輪盤、軸盤的當(dāng)量磨耗率（即相對磨耗增量與運(yùn)行里程增量之間的比值，第1 次不計(jì)入），以各次測量期內(nèi)的風(fēng)沙天氣影響系數(shù)為橫坐標(biāo)，以對應(yīng)期間內(nèi)各制動輪盤/軸盤當(dāng)量磨耗率為縱坐標(biāo)繪制散點(diǎn)圖.

為便于分析，此處僅以各車的輪盤、軸盤平均當(dāng)量磨耗率進(jìn)行分析，繪制的各車階段當(dāng)量磨耗率與風(fēng)沙天數(shù)影響系數(shù)之間的散點(diǎn)圖及線性擬合直線如圖7 所示. 為定量分析風(fēng)沙天數(shù)對制動盤/閘片當(dāng)量磨耗率的貢獻(xiàn)占比，將圖7 中各散點(diǎn)圖的線性擬合方程整理成y = k ? x + b 的形式（ x 為風(fēng)沙天數(shù)影響系數(shù)， y 為當(dāng)量磨耗率，k 和b 為擬合系數(shù)）.

圖7 各車輪盤/軸盤階段當(dāng)量磨耗率與風(fēng)沙天數(shù)影響系數(shù)的散點(diǎn)分布圖

由各車輪盤、軸盤階段當(dāng)量磨耗率與風(fēng)沙天數(shù)影響系數(shù)之間的散點(diǎn)擬合關(guān)系可知，風(fēng)沙天數(shù)對試驗(yàn)車運(yùn)行天數(shù)的占比系數(shù)，正影響各車輪盤/軸盤的階段當(dāng)量磨耗率，即當(dāng)風(fēng)沙天數(shù)占比越高，制動盤/閘片當(dāng)量磨耗率呈線性增長趨勢.

線性擬合方程y = k ? x + b 中，系數(shù)k 表征風(fēng)沙天數(shù)對當(dāng)量磨耗率影響的線性系數(shù)，定義風(fēng)沙天數(shù)影響系數(shù)對當(dāng)量磨耗率的貢獻(xiàn)比為風(fēng)沙致磨耗率增量與總當(dāng)量磨耗率的比值，即k ?x /( k? x + b) ?100%，得到各車風(fēng)沙天數(shù)影響系數(shù)為1.0 時對當(dāng)量磨耗率的貢獻(xiàn)比如表1 所示.

表1 各車風(fēng)沙天數(shù)影響系數(shù)（×10-3）與當(dāng)量磨耗率散點(diǎn)圖擬合系數(shù)及貢獻(xiàn)占比

由計(jì)算結(jié)果可知，當(dāng)跟蹤期間試驗(yàn)車運(yùn)行天數(shù)全為風(fēng)沙天時，風(fēng)沙天數(shù)影響系數(shù)（值取1.0）對各車輪盤/軸盤當(dāng)量磨耗率的貢獻(xiàn)占比在8.2%～10.4%之間. 其中，風(fēng)沙影響貢獻(xiàn)占比最大是4 車輪盤和5 車輪盤，最小是2 車輪盤和5 車軸盤.

3 結(jié)論

本文首次對110 萬公里運(yùn)行周期內(nèi)的動車組轉(zhuǎn)向架制動輪盤、軸盤磨耗量開展了風(fēng)沙環(huán)境下的跟蹤測試和分析工作，得到結(jié)論如下：

當(dāng)運(yùn)行里程達(dá) 106.52 萬公里時，轉(zhuǎn)向架制動輪盤和制動軸盤雙邊總磨耗量最大值分別為1.186 mm（頭尾拖車1 車），1.209 mm（中間動車2 車）和1.239 mm（中間拖車4 車）；對于各轉(zhuǎn)向架不同軸不同側(cè)的輪盤、軸盤雙邊磨耗量，中間拖車4 車、5 車各軸各側(cè)的輪盤磨耗量分布相對偏小且較為集中，而其他車的輪盤、軸盤磨耗量較為分散. 由于風(fēng)沙服役環(huán)境下各車制動輪盤、軸盤的單邊平均當(dāng)量磨耗率均高于每萬公里0.004 mm，要高于每萬公里0.0035 mm 的非風(fēng)沙地區(qū)動車組制動盤單邊磨耗率. 當(dāng)風(fēng)沙天數(shù)在試驗(yàn)車運(yùn)行天數(shù)中占比系數(shù)越高時，制動盤/閘片當(dāng)量磨耗率呈線性增加，當(dāng)相鄰測量期全為風(fēng)沙天時，各車輪盤/軸盤當(dāng)量磨耗率的貢獻(xiàn)占比在8.2%～10.4%之間.

相比現(xiàn)有針對制動盤磨耗理論計(jì)算、閘片選型與制動系統(tǒng)匹配的磨耗研究，本文工作首次開展風(fēng)沙服役環(huán)境下的動車組大交路、長服役周期制動盤磨耗跟蹤試驗(yàn)，研究成果可為風(fēng)沙區(qū)與非風(fēng)沙區(qū)鐵路動車組制動盤磨耗的差異化設(shè)計(jì)提供科學(xué)依據(jù)，為制動系統(tǒng)的運(yùn)行維護(hù)提供合理建議.