地鐵車輛合成閘瓦產生裂紋的原因及其解決措施

孔德鵬 王超恒 李國慶 尚小菲 宋傳云

(1.中車青島四方車輛研究所有限公司， 266031， 青島； 2.中車長客股份有限公司， 130052, 長春∥第一作者， 高級工程師)

某A型地鐵車輛采用了進口JURID J2338合成閘瓦，在使用過程中閘瓦容易出現裂紋。本文從JURID J2338合成閘瓦與車輪踏面匹配、閘瓦應力集中等方面對引起閘瓦裂紋的原因進行分析，并提出解決的建議措施。

1 JURID合成閘瓦簡介

JURID J2338合成閘瓦由德國JURID公司制造，符合UIC 541-4標準[1]，主要應用于采用單側單瓦踏面制動形式的A型地鐵車輛上。每輛車通常配置8塊JURID J2338合成閘瓦。該A型地鐵車輛的部分參數及制動要求如表1所示。

表1 某A型地鐵車輛的部分參數及制動要求

JURID J2338合成閘瓦采用多內弧設計，即新閘瓦的摩擦面是由5個平面構成的組合輪廓，保證無論與新輪還是與舊輪匹配，均能在較短的磨合時間內使閘瓦與踏面的有效接觸面積達到80%以上。JURID J2338合成閘瓦的物理性能如表2所示。

表2 JURID J2338合成閘瓦的物理力學性能

2 JURID J2338合成閘瓦的裂紋情況

在地鐵車輛的使用過程中，發現JURID J2338合成閘瓦易產生裂紋。閘瓦產生裂紋后需要更換，造成閘瓦提前報廢，增加了使用及維護成本。如果閘瓦產生裂紋后未能及時更換，可能進一步導致閘瓦掉塊、磨托等，進而影響列車的運行安全。通過對JURID J2338合成閘瓦裂紋的進一步調查，發現具有如下特點：

1) 產生裂紋的閘瓦多為剛剛更換的新閘瓦，且更換了閘瓦后的列車往往施加過較大級別(包括緊急制動)的純空氣制動。裂紋多數表現為沿閘瓦摩擦體寬度方向的橫向裂紋，如圖1 a)所示，有一定深度，甚至貫穿了整個摩擦體的厚度方向，如圖1 b)、圖1 c)所示。裂紋的位置主要集中在閘瓦摩擦面組合平面結合區域。

a) 橫向貫穿裂紋的位置及寬度

b) 橫向貫穿裂紋的位置及深度

c) 磨合初期橫向貫穿裂紋的位置及深度

2) 車輛更換閘瓦后，如果先施加小級別的純空氣制動進行閘瓦磨合，閘瓦一般不會產生裂紋。即使有些閘瓦產生了裂紋，其裂紋的深度往往較淺，且隨著閘瓦進一步磨合，裂紋通常會自動消失。裂紋位置主要集中在閘瓦摩擦面組合平面結合區域或摩擦面局部接觸面附近區域，如圖2所示。

a) 閘瓦磨合初期摩擦面形態

b) 閘瓦磨合初期摩擦面局部裂紋形態

3) 經過磨合且未產生裂紋的閘瓦，在其全壽命周期內一般均不產生裂紋，磨合后的閘瓦摩擦面狀態良好。

3 JURID J2338合成閘瓦產生裂紋原因分析

通常情況下合成閘瓦產生裂紋是由以下原因引起：①閘瓦質量問題導致的裂紋，如閘瓦的強度不足、材料缺陷等；②熱損傷造成的熱裂紋；③應力集中引起的裂紋；④使用原因引起的裂紋；⑤其他原因引起的裂紋。

由于JURID J2338合成閘瓦裂紋的產生與“新閘瓦”、“大級別純空氣制動”、“磨合狀態”等高度相關，且閘瓦裂紋位置較為集中，本文重點從閘瓦結構及應力方面進行分析。

3.1 閘瓦與車輪踏面匹配分析

3.1.1 閘瓦與車輪踏面的理論匹配關系

新JURID J2338合成閘瓦的摩擦面由5個平面組合而成，相鄰平面間無圓角過渡。列車的車輪踏面為磨耗型踏面。新閘瓦與新輪/全磨耗輪在踏面滾動圓處的配合關系分別如圖3～4所示。

從圖3可以看出，新閘瓦與新輪匹配時，理論上閘瓦的平面1、平面5與踏面接觸，閘瓦的平面2、平面3、平面4呈懸空狀態。由于新閘瓦的摩擦面為平面，而車輪為磨耗型踏面，兩者只能局部接觸。

圖3 新閘瓦與新輪在踏面滾動圓處的配合示意圖

圖4 新閘瓦與全磨耗輪在踏面滾動圓處的配合示意圖

從圖4可以看出，新閘瓦與全磨耗輪匹配時，理論上閘瓦的平面2、平面4與踏面接觸，閘瓦的平面1、平面3、平面5呈懸空狀態，局部接觸。

3.1.2 閘瓦與車輪踏面的實際匹配關系

如圖5所示，新閘瓦與新輪踏面樣板進行實物匹配，可以看出靠近閘瓦中部的2個平面與踏面接觸，其余均呈懸空狀態。

圖5 新閘瓦與新輪踏面樣板的配合示意圖

3.2 閘瓦壓縮強度校核

新閘瓦在接觸面上局部壓應力的計算式為：

σ=K/(S×5%)

(1)

式中：

σ——新閘瓦在接觸面上的局部壓應力，MPa；

K——閘瓦壓力，kN；

S——閘瓦與車輪踏面接觸面積，m2。

式(1)中，新閘瓦與踏面的有效接觸面積約占閘瓦摩擦面面積的5%，K取40 kN，S取32×10-6m2，可得到閘瓦壓力為40 kN時新閘瓦接觸面上的局部壓應力為25 MPa。該局部壓應力已略微超出閘瓦的壓縮強度極限(23.5 MPa)，容易在接觸面及四周產生局部裂紋。

3.3 閘瓦彎曲試驗

閘瓦摩擦體為有機合成材料，其材料特性與剛體、連續彈性體等有顯著的不同，難以通過計算的方法求解出制動時施加的閘瓦壓力與閘瓦應力的對應關系。為了模擬新閘瓦與踏面的接觸關系，本文對JURID J2338合成閘瓦進行了半瓦彎曲試驗，圖6為半瓦彎曲試驗壓力位移曲線。

圖6 閘瓦彎曲試驗加載曲線

半瓦彎曲試驗當施加的壓力達到36 kN時，閘瓦摩擦體產生貫穿裂紋，裂紋的位置及形態與圖1 a)、圖1 b)所示實際運用中產生的裂紋吻合。

由上文的分析可知，未經磨合的新閘瓦裝車后，新閘瓦與車輪踏面局部接觸。列車施加較大級別(包括緊急制動)的純空氣制動，在閘瓦與踏面的局部接觸面和四周，以及閘瓦摩擦面平面結合處出現應力集中。應力超過閘瓦的抗壓和抗拉強度極限，閘瓦產生裂紋。

4 解決措施及列車制動試驗驗證

針對閘瓦產生裂紋的具體原因，有兩種解決措施：一是通過優化閘瓦的摩擦面形狀，消除閘瓦摩擦體的局部應力集中；二是采用小級別純空氣制動磨合閘瓦，消除閘瓦摩擦體的局部應力集中。而在實際應用中則是通過對裝用新閘瓦的A型地鐵車輛先施加數次的小級別純空氣制動，磨合閘瓦，直至閘瓦與踏面的有效接觸面積達到80%以上[2]。對于因應力集中導致的閘瓦裂紋，該措施起到了非常好的效果。

某A型地鐵車輛的制動試驗情況表明：裝用新閘瓦后立即進行較大級別(包括緊急制動)的純空氣制動，1列車上的48塊閘瓦中最多有8塊閘瓦產生了裂紋，裂紋產生的比例為1/6；而裝用新閘瓦后先進行小級別的純空氣制動，待閘瓦與踏面的有效接觸面積達到80%以上后再進行較大級別(包括緊急制動)的純空氣制動，1列車48塊閘瓦中僅有1塊閘瓦產生了裂紋，裂紋產生比例為1/48，且該裂紋的深度較淺，無需更換閘瓦。

5 結論

1) 應力集中是引起地鐵列車新的JURID J2338合成閘瓦產生裂紋的主要原因。

2) 新的JURID J2338合成閘瓦安裝后，地鐵列車不宜立即施加較大級別的純空氣制動，閘瓦壓力不宜超過36 kN。建議先采用小級別(閘瓦壓力30 kN以下)的純空氣制動進行閘瓦磨合，使閘瓦與踏面有效接觸面積達到80%以上。

3) 新的JURID J2338合成閘瓦安裝后，應做好閘瓦運用狀態的檢查工作。如發現閘瓦出現裂紋，尤其是貫穿型裂紋，應立即予以更換，保證地鐵列車的運行安全。