軌道車輛研磨子金屬鑲嵌現象分析及預防

江 浪 馮 暢 伍安旭

(中車戚墅堰機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，廣泛應用于國內的動車組、地鐵等軌道列車，為列車的安全運營提供保障。

1 問題的提出

因我國列車運行的環境復雜多變，研磨子在實際運用中也出現過一些異常問題。本文針對某車輛研磨子的金屬鑲嵌異常現象進行分析(見圖1)，圖1所示為研磨子的摩擦面出現“金屬鑲嵌”的情況。該摩擦面“金屬片”即為輕微金屬鑲嵌現象，該現象會降低研磨子的作用效果，針對該現象，有必要對其成因進行分析并加以預防。

圖1 研磨子表面金屬鑲嵌現象

2 “金屬片”金相分析

對該研磨子上殘留的“金屬片”進行了金相分析，鑲嵌物形態如圖2所示，凹坑形態如圖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 圖3 200×凹坑形態

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，其斷面為實體金屬，在金相顯微鏡下觀察，可以看到由于反復摩擦而逐漸積聚的層狀組織，該組織是由很細的珠光體和鐵素體共同組成。

經金相結合能譜分析可確定，該“金屬片”為車輪踏面的金屬材質經某種方式在局部發生切削，局部產生大量熱量致使金屬發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微顆粒與獨特配方的摩擦調節材料加壓燒結而成，其整體硬度遠低于車輪硬度。在正常使用時，磨損主要發生在研磨子上，不會對車輪造成損傷。車輪在運行中的磨損主要為輪軌間的表面疲勞磨損，若該磨損產生的金屬磨屑及空氣中的沙塵進入研磨子與車輪之間，就可能會對車輪產生磨粒磨損。一般情況下，這些硬質磨屑會與研磨子的磨屑一起排出，但若磨屑不能及時排出，則可能引發金屬鑲嵌。

影響研磨子產生金屬鑲嵌的因素主要有以下幾個因素：

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

(2)環境因素。在持續潮濕環境下，輪軌表面更易出現銹泥，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，有引發金屬鑲嵌的風險。

(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導致其理化性能異常，排屑性能不佳，在特定的運營環境中的磨屑物黏度增加時，導致磨屑排出困難。

4 研磨子金屬鑲嵌解決措施

研磨子在我國運用并國產化后，國內在解決金屬鑲嵌方面做了大量研究。目前，已經基本解決了該問題，根據多年的運用經驗，主要采取以下措施進行預防及改善。

(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、作用時機等重要參數。在研磨子作用過程中，車輪與研磨子的摩擦必然會發生車輪磨耗，產生金屬磨粒。但是車輪磨耗應控制在合理的范圍內，要求研磨子既要對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濟性及可靠性。當車輪磨耗太大時，不僅經濟性受影響，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為微凸體接觸點產生1個磨粒的概率；H為較軟材料的硬度；Ka為磨粒磨損常數。

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]。由于研磨子在動車組上是由高速時開始運用(有制動信號時)，其作用行程較長，因此發生黏著磨損的微凸體接觸點產生磨粒的概率也相應越大(即K值越大)。故在保證研磨子修形和增黏效果的前提下，可適當降低踏面清掃裝置作用氣壓，并采用間歇式動作模式從而減少車輪磨損量，有效降低金屬鑲嵌發生的概率。

(2)研磨子配方及結構改進

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

表1 研磨子功能與配方針對性設計表

對于某些特殊線路，在確保達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構，其減少了摩擦有效接觸面積，通過設置的排屑槽可以疏導清掃過程中產生的磨屑及其他異物，又有利于散熱。

(3)研磨子產品質量控制

研磨子的各項理化性能指標應符合相應的技術要求，加強研磨子原材料、制造工藝、成品性能等全過程的管控，并對產品的混料均勻性、壓制時間、燒結溫度等關鍵工序項點進行科學合理的控制。

5 結語

目前，研磨子產品已經在國內不同運營環境的軌道列車上批量運用，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。文中針對研磨子可能會出現的金屬鑲嵌問題的原因進行了總結，對于某些極端環境下的研磨子運用具有一定的參考意義。其中，完成優化改進的新型配方的研磨子和控制模式，已成功運用于國內某型動車組，運營里程逾70萬km未再出現金屬鑲嵌現象。