350 km/h 復興號動車組制動閘片在服役過程中的磨損行為及其使用壽命預測

李宏偉，趙楊坤

（中車長春軌道客車股份有限公司，長春130103）

制動系統關系到運營安全和乘客體驗，是列車的關鍵系統之一，對于高速列車而言，制動系統中的相關部件工作時處于強摩擦、高熱負荷以及較大制動力和離心力等復雜工況下，對零件的性能要求極為苛刻。制動閘片是列車制動系統的關鍵部件，其性能關系到整個制動系統的穩定性和可靠性，而且隨著列車運行速度的提高，對閘片的耐磨耗性能以及工作穩定性要求也越來越高，因此有必要對高速列車的制動閘片，尤其是其摩擦磨損性能開展系統深入的研究。

目前國內對高速列車制動閘片的試驗大多是針對閘片所用材料，研究其成分、組織以及其物理、力學和摩擦磨損性能等［1-3］，或是采用一定的試驗手段模擬閘片在不同工況條件下的摩擦磨損性能［4-11］，以上研究均是在試驗室條件下展開的，對于閘片在實際服役過程中的磨損研究鮮有報道。

由于對高速列車在實際線路運行工況下的磨損情況進行跟蹤研究所需周期長，時間成本和人力成本較高，因此這方面的工作開展較少，但此項研究對于了解和掌握閘片在實際服役過程中的摩擦磨損性能、結構可靠性以及閘片與對偶制動盤在實際線路運行工況下的匹配性和長期運行時的功能穩定性具有重要的參考意義，因此本研究針對速度350 km/h 中國標準動車組，開展了制動盤和摩擦副的服役性能跟蹤試驗，對閘片在實際服役條件下的磨損行為以及全壽命周期內的穩定性進行了統計分析。

1 閘片材料及測試方法

針對我國“復興號”CR400BF 型動車組，其閘片材料為基于粉末冶金方法生產的Cu 基材料，其中Cu 為基體材料，添加Cr、Fe 為耐磨組元，添加石墨作為潤滑組元，與之配套的制動盤材料為GS24CrNiMo445V 鑄鋼。

在列車行駛一定里程之后拆卸閘片，用游標卡尺測量閘片摩擦塊的厚度，并用電子天平測量閘片質量，閘片磨損量用磨損厚度和磨損質量來表示。

對于CR400BF 型高速列車，拖車一根軸上有3對制動盤/閘片摩擦副，共6 副12 塊閘片，動車一根軸上有2 對制動盤/閘片摩擦副，共4 副8 塊閘片。以每個軸承蓋端部的L/R 標示做參考，對同一根軸上的閘片進行命名，拖車分別以LL、LR、ML、MR、RL、RR 表示在一根軸上3 個制動盤摩擦面中的左盤左面、左盤右面、中間盤左面、中間盤右面、右盤左面、右盤右面，動車編號與之類似，分別用LL、LR、RL、RR 表示左盤左面、左盤右面、右盤左面、右盤右面。其中每副閘片選取6 個位置進行摩擦塊厚度測量，測量點的編號及分布如圖1 所示，對于質量，分別對上閘片和下閘片進行整體測量。

CR400BF-5001 動車組在閘片跟蹤測試期內的運行路線及里程統計如圖2 所示，由圖2 可知，列車在上海-北京區間內運行里程最大，約占33%，其次是合肥-上海區間和昆明-上海區間。

圖1 制動閘片及其磨耗跟蹤測量位置

2 結果及討論

2.1 動車制動閘片磨耗

動車不同位置的閘片以及每個閘片上面不同測量點摩擦塊的厚度隨列車運行里程的變化趨勢如圖3 所示，由圖3 可知，隨著列車運營里程的增加，閘片的磨損量不斷增加，且磨耗速度有所增加。對于動車制動閘片，LL 和RL 位置，即制動盤左側的閘片，3 號和6 號摩擦塊的磨耗明顯大于其他位置的摩擦塊，而LR 和RR 位置，即制動盤右側的閘片，各個位置摩擦塊的磨耗程度沒有明顯規律。

圖2 列車運行路線及里程統計

圖3 動車閘片磨耗

2.2 拖車制動閘片磨損

拖車不同位置的閘片以及每個閘片上面不同測量點摩擦塊的厚度隨列車運行里程的變化趨勢如圖4 所示，由圖4 可知，閘片的磨耗速度隨運營里程累積有所增加，但增加趨勢沒有動車明顯。此外，對于拖車制動閘片，和動車類似，LL、ML 以及RL 位置，即制動盤左側的閘片，3 號和6 號位置摩擦塊的磨耗明顯比其他位置嚴重，而LR、MR 以及RR 位置，即制動盤右側的閘片，整體來說3 號、4 號和6 號摩擦塊的磨耗程度要高于1 號、2 號和5號摩擦塊。

圖4 拖車閘片磨耗

由以上分析可知，無論是對于動車還是拖車，整體來講，同一副閘片上，3 號和6 號位置的摩擦塊其磨損量都要大于其他位置，這是因為3 號和6號摩擦塊位于閘片邊緣，在列車制動時，和制動盤之間的摩擦距離最長，因此磨耗最嚴重。

一般來講，金屬部件的磨損過程包含3 個階段：跑合階段、穩定磨損階段和劇烈磨損階段［12］，如圖5 所示。在劇烈磨損階段，由于摩擦部件表面質量下降、接觸表面之間的間隙增大以及潤滑膜被破壞等原因，會引起摩擦部件的振動，導致磨損速率增加［13］。對于動車閘片，由磨損數據可知，其磨損量較大，服役條件更為苛刻，因此較早進入劇烈磨損階段，導致閘片磨損速率增加趨勢明顯，而拖車閘片磨損量較小，所以在跟蹤檢測期內，閘片磨損速率增加趨勢不明顯。

2.3 不同位置磨損比較

用磨損質量表示的同一根車軸上不同位置的閘片磨耗如圖6 所示，其中圖6（a）和圖6（b）分別為動車上閘片和動車下閘片，圖6（c）和圖6（d）分別為拖車上閘片和拖車下閘片。由圖6 可知，對于動車閘片，LL、LR、RL 以及RR 位置閘片的磨耗程度無明顯規律可循。而對于拖車閘片，無論是上閘片還是下閘片，LL 位置的閘片磨耗程度最為嚴重，明顯高于其他位置，RR 位置的閘片磨耗僅次于LL 位置，也要高于其余位置，即最外側的閘片磨耗要嚴重一些。

圖5 磨損量與摩擦行程關系曲線

圖6 同一車軸上不同位置閘片磨耗

對于外側閘片磨耗大于內側閘片磨耗，文獻［12］指出，在列車制動時，壓縮空氣首先推動外側閘片貼緊制動盤，然后內側閘片在夾緊力的反作用下才進行夾緊動作，動作順序的不同引起磨耗量不同［14］。

2.4 動車和拖車閘片壽命預測及對比

速度350 km/h 復興號動車組在常用制動過程中優先使用電制動力，動車組優化提升了電制動力，能夠覆蓋4 級常用制動，在電制動力不足時，拖車施加摩擦制動力進行補充，制動力再不足動車施加摩擦制動補充。當動車組低速運行時，為提高黏著的利用，制動系統切換為比例制動模式進行制動力分配，使動、拖車的實際黏著系數盡可能一致。當動車組停車制動時，速度進一步下降，為了保證停車過程列車平穩，電制動退出，摩擦制動補充。實際運用中，摩擦制動通常出現在動車組停車和低速調速時，此時，動車和拖車的制動力基本一致，但拖車的制動力由12 個制動盤來分擔，動車由8 個制動盤來分擔。因此，根據制動力分配原則分析，動車閘片磨耗將高于拖車。

對實際運用數據進行分析，采用不同指標表征的閘片磨耗曲線及動車和拖車磨耗對比如圖7 所示，其中圖7（a）為最大磨損厚度，即LL 位置3 號摩擦塊的磨損量來表征的磨耗曲線，圖7（b）和圖7（c）分別為一根車軸上全部閘片的平均磨損厚度和平均磨損質量表征的磨耗曲線。由圖7 可知，動車閘片的磨耗程度明顯要高于拖車，采用最大磨損表征的磨耗曲線動車和拖車相對比較接近，且磨損速度隨里程增加而加劇的趨勢明顯，而且采用平均厚度和平均質量表征的閘片磨耗曲線趨勢較為一致，動車閘片和拖車閘片磨耗相差較大，動車閘片磨耗速度隨里程增加而加劇的趨勢明顯，而拖車閘片磨耗速度隨里程增加而加劇的趨勢較弱。

閘片磨耗曲線擬合公式及壽命預測見表1，其中對于質量表征的失效磨耗量，由閘片的平均磨損厚度和平均磨損質量之間的線性關系計算得到，當平均磨損厚度為16 mm 時，對應的平均磨損質量為1.1 kg。由表1 可知，基于平均磨損厚度和平均磨損質量的閘片壽命預測較為一致，動車閘片壽命約為115 萬km，拖車閘片壽命約為160 萬km。基于最大磨損厚度預測的動車閘片壽命111萬km，和平均磨損質量的預測值比較接近，基于最大磨損厚度預測的拖車閘片壽命126 萬km，要低于平均磨損質量的預測值。

需要指出的是，在實際跟蹤測試時，考慮到安全等因素，閘片磨耗測量并不是從全新閘片開始，而是在列車運營約10 萬km 時開始測量，而根據上面分析，閘片的磨耗速度會隨著列車運營里程的增加而加劇，因此對于全新閘片，根據擬合公式預測閘片的使用壽命應大于表1 中的數據，尤其是對于動車閘片。

圖7 閘片磨耗曲線及動車和拖車磨耗對比

表1 閘片磨損擬合公式及壽命預測

2.5 經濟性分析

通過對閘片磨損數據的分析及使用壽命的預測，CR400BF 動車組閘片壽命約為115 萬km，拖車閘片壽命約為160 萬km，既有CRH380B 系列動車組閘片壽命約為40 萬km，拖車閘片壽命約為60 萬km。對比上述數據，CR400BF 動車組閘片壽命較CRH380B 提高至少一倍以上，降低了對列車制動系統的維護周期，減少維護次數，節約維護成本，具有較大的經濟意義。CR400BF 動車組閘片實際使用壽命還需要根據應用情況進一步跟蹤和分析。

3 結 論

針對CR400BF-5001 動車組，跟蹤檢測并分析了其制動閘片在服役過程中的磨損行為，并對閘片的使用壽命進行了預測，得出以下結論：

（1）動車閘片的磨耗比拖車閘片嚴重，且動車閘片磨耗速度隨列車運行里程增加而加劇趨勢明顯，拖車閘片磨耗速度隨列車運行里程增加而加劇趨勢相對較弱；

（2）拖車閘片的偏磨較為明顯，同一副閘片中3 號和6 號位置即外側邊緣的摩擦塊磨耗較嚴重，同一根車軸上LL 位置和RR 位置即最外側閘片的磨耗較嚴重，而動車的偏磨不明顯；

（3）基于平均磨損厚度和平均磨損質量預測的閘片壽命較為一致，其中動車閘片預測壽命約為115 萬km，拖車閘片預測壽命約為160 萬km，基于最大磨損厚度預測的動車閘片壽命和拖車閘片壽命分別為111 萬km 和126 萬km。