廣州地鐵4號線車輛制動盤異常磨耗調查分析及解決對策

巫紅波

（廣州地鐵 車輛中心，廣東廣州510730）

廣州地鐵4號線列車在國內率先使用直線電機運載技術，整列車由四節全動車組成。列車編組為A-B-B-A，其中A車為帶司機室的車輛，B車為不帶司機室的車輛。直線電機車輛具有爬坡能力強、轉彎半徑小以及輪緣磨耗小、維護成本低等特點。4號線自2005年底開通以來，一直存在制動盤磨耗偏大且凹陷偏磨等異常磨耗問題，致使制動盤使用周期縮短，維修成本上升。本文從車輛制動方式介紹及制動盤異常磨耗調查分析入手，對廣州地鐵4號線制動盤異常磨耗的原因進行探討，并采取了一些積極措施，取得了明顯效果，這對延長制動盤使用周期，降低維修成本具有十分重要的意義。

1 車輛制動方式介紹

地鐵具有站間距短、車站多、制動頻繁的特點，由于純空氣制動時制動盤的制動熱負荷要求大，對制動盤、閘片的磨耗較大，因此一般地鐵車輛采用電空混合的制動方式。空氣制動方式是通過閘片與制動盤摩擦生熱將列車動能轉換為熱能，并最終消散于大氣。空氣制動方式需要通過制動盤與閘片之間的摩擦來產生制動力，制動盤與閘片的摩擦過程必然帶來制動盤的磨損，因此一般在電制動力不足或非常情況下空氣制動才投入使用。地鐵車輛每節車都配備有空氣制動裝置，都可以通過空氣制動的方式來實現列車減速的目的［1］。

廣州地鐵4號線列車最高運行速度達90km／h，且線路坡道較大，基礎制動方式采用盤形制動。其制動方式是采用電空混合制動，正常工況下，優先使用電制動，電制動力不足時，按等磨耗方式進行空氣制動補充，以滿足制動能力的需要。

廣州地鐵4號線車輛每個軸上安裝兩個外徑為530mm，內徑為270mm的軸裝制動盤，可磨耗量為7 mm。如圖1所示，軸裝制動盤為灰口鑄鐵材質，包括帶有散熱筋的摩擦盤、盤轂，安裝在車軸外側。

圖1 4號線軸裝制動盤結構示意圖

2 原車制動盤異常磨耗狀況現狀調查

對廣州地鐵4號線原車進口制動盤磨耗現狀進行調查得知，該線路車輛制動盤摩擦面普遍存在偏磨較大、凹形磨損嚴重等現象，車輛運營3、4年后有較多制動盤已經磨耗到限（見圖2），增加了車輛維修成本。如圖3所示原車未到限制動盤凹形深度達2.25mm，制動盤靠近內圈磨耗快，盤面成凹形。

圖2 磨耗到限制動盤

圖3 廣州地鐵4號線原進口制動盤凹形磨損

對廣州地鐵4號線1至23車的制動盤磨耗情況調查統計，由于盤面上普遍存在凹形磨損，因此在測量磨耗時測量點取制動盤最薄處。根據測量結果并結合所調查列車的運營里程，得到制動盤每萬公里的磨耗量。制動盤磨耗量統計結果如圖4所示。圖2表明各車制動盤磨耗量分布在0.08～0.14mm／萬km之間，平均磨耗量為0.107mm／萬km，制動盤平均使用壽命為66萬km。如果列車每年運營15萬km，則制動盤平均使用壽命為4.4年。

一般來講，地鐵列車在電制動發揮正常情況下，制動盤的使用壽命一般在6～10年。可見廣州地鐵4號線制動盤平均使用壽命較短，屬異常磨耗狀態。

圖4 制動盤磨耗量

3 制動盤異常磨耗原因分析及改進措施

制動盤和制動閘片通過摩擦接觸傳遞制動力，必然會因為磨耗到限而報廢，屬于消耗件。其使用壽命與厚度、材質、面積、表面壓力、工作溫度有關，具體在應用過程中起決定因素的則是摩擦制動施加頻率、摩擦制動力大小、電制動力的能力，制動力的分配原則，電制動和空氣制動的轉換速度等。

3.1 從制動盤本身硬度角度分析

一般來說，軌道交通車輛制動盤摩擦副匹配性要求制動盤摩擦面硬度要遠大于其對偶閘片，但現場原裝制動盤硬度調研實際結果顯示原裝制動盤摩擦面實際硬度普遍較低，見表1。根據我國制動盤實際運用經驗，原裝車制動盤硬度基本上處于控制硬度范圍下限或低于下限，從而導致制動盤異常磨耗。可見，制動盤材質硬度較低是其異常磨耗的主要原因之一。

表1 原裝制動盤摩擦面硬度測量值

3.2 從制動控制角度分析

對于地鐵車輛，正常情況下空氣制動是作為電制動的補充，當電制動力不足時，空氣制動發揮作用。在制動頻繁、熱負荷較大的城軌車輛，若電制動的分配比例以及電制動的發揮情況、空氣制動的切入點設置不合理，很容易導致制動盤異常磨耗。

為了分析列車制動控制策略對制動摩擦副可能造成的影響，研究人員對其制動信號進行分析。圖5為廣州地鐵4號線車輛從東涌站至石基站進站停車時采集到的制動相關數據曲線，采集信號來自042A、042B單元，列車的駕駛模式為ATO。從圖5的曲線可以看出，列車以85km／h的初速度開始施加制動，制動系統在接收到制動指令后，首先產生動作的是空氣制動（制動缸壓力明顯上升），之后電制動才開始投入，在列車速度降至40km／h時，空氣制動由持續施加變為斷續施加，直至列車速度降至5km／h左右時電制動退出。由此我們可以從中提煉出下列信息：

（1）接收到制動信號時，列車電制動觸發晚于空氣制動，從而導致在制動初始階段空氣制動施加先于電制動；

（2）列車速度在40km／h以上時，車輛電制動能力發揮不良，導致列車在高速階段持續施加空氣制動；

（3）列車速度在40～5km／h之間時，電制動力明顯提升，但系統仍然在斷續的補充空氣制動，說明該列車總電制動力不能完全滿足列車發出減速度指令要求。

由此可見，車輛電空混合制動存在設計問題導致空氣制動施加頻繁是其異常磨耗的主要原因之一。

圖5 廣州地鐵4號線車輛進站停車制動數據曲線

3.3 從熱應力角度分析

赫茲接觸應力和熱應力共同作用引起的制動盤損傷。如果制動盤熱應力位于赫茲接觸應力和熱應力共同作用的安全區域，制動盤摩擦面將處于正常磨耗狀態；如果制動盤摩擦面熱應力位于赫茲接觸應力和熱應力共同作用的危險區域，將會導致制動盤摩擦面異常損傷［2］，這種工況是不允許出現的，見圖6。從有限元模擬結果看，速度90km／h運行一個折返純空氣制動過程中制動盤摩擦表面溫度最高可達360℃，較高溫度的摩擦副使制動盤磨耗加快，其淺表面最高熱應力為290 MPa，該熱應力與制動盤赫茲接觸應力的交點位于評價的危險B區，較高熱應力加劇了制動盤異常磨耗。

圖6 熱損傷評價示意

3.4 改進措施及效果

針對廣州地鐵4號線制動盤異常磨耗原因分析，進行了下改進措施，并取得了較好效果。

（1）開發性能更加優良的制動盤材質，全面提高制動盤物理力學及熱學性能參數，使其與原制動盤相比更有性價比優勢。由中國鐵道科學研究院機車車輛研究所研制的新型制動盤采用蠕墨鑄鐵材質，自2009年底到目前經長達兩年在廣州地鐵4號線15、16車上裝車考核結果驗證了新研制的制動盤使用壽命是原制動盤使用壽命2～2.5倍，目前已批量進行換裝。

（2）在原制動盤材質不變情況下，改進制動盤熱處理工藝，在其原有硬度值基礎上，適度提高制動盤硬度，進而使制動盤摩擦副匹配性更加合理。該項措施正在驗證實施。

（3）優化制動策略，調整電制動力的分配比例、避開高速階段空氣制動過早介入，同時盡可能降低低速時空氣制動力的切入點，減少閘片、制動盤承受的熱負荷，從而保證制動盤摩擦副處于正常磨耗狀態。

4 結論

（1）調查結果表明廣州地鐵4號線車輛在使用過程中制動盤摩擦面出現偏磨、凹形異常磨損現象，且制動盤磨耗量較高，平均使用壽命較低。

（2）分析顯示廣州地鐵4號線制動盤異常磨耗是集制動盤摩擦副匹配性、電制動發揮欠佳、制動控制策略沒有處于最優狀態等因素綜合作用的結果。

（3）與國外原裝制動盤異常磨耗相比，新研制的具有自主知識產權的制動盤經試驗考核證實沒有出現異常磨耗現象，且性價比較高，現已推廣使用。

［1］王曉東.廣州地鐵四號線地鐵車輛制動系統［J］.鐵道車輛，2010，48（11）：18-22.

［2］李繼山，李和平，嚴霄蕙.盤形制動是城市軌道車輛基礎制動裝置的發展趨勢［J］.鐵道機車車輛，2011，（8）：69-71.