地鐵車輛制動閘片異常磨損原因探究

劉東杰，陳 閣，張永壘

（中車青島四方機車車輛股份有限公司，山東青島 266111）

1 問題描述

國內某地鐵線采用8輛編組，6動2拖，受電弓DC1 500 V供電，設計速度90 km/h，運營速度80 km/h，基礎制動采用盤式制動（鋁合金制動盤、有機材料閘片），閘片初始厚度24 mm，磨耗到限厚度不低于5 mm，制動力分配原則為等粘著。車輛運行5 000 km左右時，拖車閘片磨損嚴重，動車閘片幾乎無損傷，其中拖車1架閘片中最薄的厚度為5 mm左右，磨耗為38 mm/萬km，動車閘片厚度均在23 mm左右，具體如圖1所示。

圖1 拖車1架閘片磨耗到限

同樣是粘著制動的北京某線，閘片磨耗情況如表1所示，最大磨損為0.393 mm/萬km，此地鐵為38 mm/萬km，可見此車輛閘片出現了異常磨損現象[1]。

表1 車輛閘片磨損

2 制動力分配

地鐵車輛的制動力一般由電制動和空氣制動提供，為減小磨耗，一般優先采用電制動，電制動力不足時，由空氣制動補足[2]。空氣制動補足一般采用下面2個原則：一為等粘著制動力分配原則，即當需施加空氣制動時，優先使用拖車的空氣制動，當拖車的制動力達到粘著極限時，再補充動車上的空氣制動。二為等磨耗制動力分配原則，即所需彌補的空氣制動，在達到粘著極限之前，平均分配，當動車達到粘著極限時，仍需的制動力在拖車上補足。“在車輪、閘瓦等磨耗分配原則下，車輪踏面的工作環境大為改善，可以大幅度降低車輪踏面異常磨耗帶來的風險及其他副作用[3]。

此地鐵車輛使用的是等粘著制動力分配原則，其中的4輛車作為一個制動單元，制動時，實際施加的制動力根據制動請求、單元重量、粘著極限以及電制動能力給出，在每個單元內[4]：單元內的電制動優先施加；剩余的制動力需求由拖車提供，直到拖車達到粘著極限；如果上述制動力仍然不足，所需的制動力平均分配到每個動車軸。其中頭車2架作為自由軸安裝信號速度傳感器，只有在緊急制動時施加制動。電制動能力不足時，等粘著制動，拖車1架的閘片較動車會出現嚴重的磨損。

3 牽引變電站配置

此地鐵車輛的額定電壓為DC1 500 V，地鐵車輛在牽引工況時，作為電動機，消耗電能，會拉低電網電壓，當電網電壓為DC1 500 V時，正常牽引時電網電壓會降低到約DC1 350 V。當施加電制動時，相當于發電機，將機械能轉化為電能，抬高電網電壓，當電網電壓的抬升到約DC1 710 V時，VVVF會進行保護，限制電制動的進一步發揮[5]。表2是M1（空載）情況下，地鐵車輛設計的電制動性能[6]。

表2 電制動性能

圖2 制動工況參數界面

圖2 是車輛實際運行時Bmax下的電壓與電流情況，圖上顯示的是6個動車（M車）在制動時的電網電壓，與相應的制動電流（4個電機的電流之和），圖上最大的制動電流為435 A，理論上系統能夠發揮的電流為656 A（4×164 A），實際電流為總電流的66.3%，電制動力與制動電流為正相關，電制動沒有充分發揮，車輛在相對高速下投入了空氣制動，造成閘片過度磨損。并且電網電壓已達到了1 700 V（理論電壓應為DC1 550 V），制動電流沒有再進一步增加。此種情況的可能原因有以下2種[7]：一、地面吸收裝置吸收閥值設置不合理，當母線電壓大于吸收電壓閥值下限時，吸收裝置開始吸收，當母線電壓大于滿載吸收門檻電壓時，吸收裝置開始滿載吸收，合適的參數可以充分發揮地面吸收裝置的功能，參數調整可在試驗線調試驗收中進行優化；二、地面吸收裝置容量不足導致，容量需要在試驗線的建設初期進行考慮。

4 熱負荷影響

電制動發揮不良以及空氣制動的分配原則導致頭車1架的閘片頻繁施加制動，熱負荷超標，鋁盤出現剝落現象，當列車在制動施加階段，從頭車1架位置傳來焦臭味，此時溫度可以達到300～350℃以上[8]，高溫使材料變軟，會進一步加劇磨損磨耗。熱容量計算時，在M4（重載工況下）從vmax=80 km/h起，純空氣制動，制動減速度b=1.29 m/s2，當最大溫度達到330℃時，已不推薦運行。

5 結論

從車輛制動力分配原則、車輛牽引變電站配置、閘片與制動盤熱容量計算3個方面對國內某地鐵車輛閘片異常磨損現象進行原因探究分析，可以得出以下結論：(1)從與北京某線線車輛的對比中可以看出，正常情況下由于電制動的充分發揮，等粘著制動并不會造成閘片的異常磨損，但是當電制動發揮不良時，等粘著制動對于拖車上的閘片磨損就會加劇，造成摩擦面過熱、鋁盤磨損加劇、剝落；(2)線路建設時要考慮地面吸收裝置的設置，包括最大容量、參數設置等，合理的參數設置能夠充分發揮地面吸收裝置的功能；(3)當電制動不能充分發揮時，熱負荷會進一步惡化摩擦環境，形成惡性循環。