CRH5型動車組制動盤異常磨耗原因分析

高靖添 孟繁輝 姚風龍 楊再保 汝澤洋 原崇洋

(中車長春軌道客車股份有限公司國家軌道客車工程研究中心，130062，長春∥第一作者，工程師)

CRH5型動車組自2007年4月投入運營以來，運行平穩，各項性能指標優異。但是，高寒地區高速鐵路的線路最低環境溫度在-30 ℃以下，CRH5型動車組在高寒地區運行過程中，其基礎制動裝置被冰雪包圍無法自動散落(見圖1)以及制動盤異常磨耗(見圖2)現象較為嚴重。為降低制動系統因制動盤異常磨耗故障對運營秩序的影響，對該故障進行了分析，并提出了有效的解決方案。

圖1 制動盤及夾鉗單元被冰雪包裹狀態

圖2 制動盤與閘片之間的金屬熔融物

1 異常磨耗產物檢查

1.1 宏觀檢查

制動盤異常磨耗產物如圖3所示。異常磨耗產物呈“弓”型，與閘片的接觸面表面粗糙并伴有銹跡；磨耗產物整體表面有隆起的“金屬瘤”“金屬脊”和平坦的擠壓面，其邊緣可見片狀的金屬屑，邊緣金屬屑薄且尖銳如圖3 a)所示；隆起的“金屬瘤”根部熔融金屬因堆積擠壓留下的魚鱗狀紋路清晰可見，如圖3 b)所示；整體磨耗產物焊合在一起。同時觀察磨耗產物與制動閘片，可發現磨耗產物表面凸起的“金屬瘤”和“金屬脊”與閘片上的孔縫一一對應，如圖4所示。

圖3 制動盤磨耗產物與閘片接觸面的形貌

圖4 制動盤磨耗產物與閘片的對應關系

磨耗產物與制動盤接觸的表面有圓弧形溝痕，溝痕形貌與制動盤表面異常磨耗的形貌相似。與制動盤相接觸的磨耗產物為藍黑氧化色，多為FeO和Fe3O4，在其中間部分有明顯的分層現象。由此可知，磨耗產物是層狀堆疊擠壓焊合而成的，如圖5所示。

圖5 制動盤側磨耗產物形貌

異常磨耗產物形成后夾在閘片與制動盤之間，施加制動時，磨耗產物以類似切削的形式對制動盤造成劃傷，被切削下的金屬碎屑存留在制動盤與閘片之間。在制動盤與閘片摩擦產生的高溫作用下，金屬碎屑與磨耗產物焊合在一起，由此產生的金屬切削物持續磨削制動盤表面并導致金屬在閘片表面堆積，進而造成對制動盤摩擦表面的異常劃傷[2]。同時，異常磨耗產物不斷變大；高溫也使磨耗產物產生局部軟化或局部熔融狀態，在閘片壓力與高速轉動的制動盤帶動下，磨耗產物發生移動和變形，并向閘片的空隙處聚集，形成“金屬瘤”和“金屬脊”；制動結束后，磨耗產物冷卻硬化，“金屬瘤”和“金屬脊”為磨耗產物起到固定和支撐作用。

1.2 微觀檢查

使用HITACHI JSM-6490L型掃描電鏡(SEM)和GENESS 2000XMS型X射線能譜儀(EDS)對異常磨耗產物的正反面進行微觀形貌與化學成分檢查。

異常磨耗產物表面隆起“金屬瘤”的SEM與EDS檢驗結果如圖6和圖7所示。由圖6和圖7可見，“金屬瘤”的主要成分是Fe，并包含有Mn、Si和Cr等合金元素，同時還有Al、S、Ca、Cu等雜質元素。該表面平坦位置的SEM與EDS結果如圖8所示，其成分與“金屬瘤”類似。由此可證明，磨耗產物基本來自制動盤。但對CRH5型動車組制動盤成分進行檢查發現，異常磨耗產物表面的Al、Ca、Cu和Si等元素較制動盤GS24CrNiMo445V材料的高。

圖6 “金屬瘤”掃描電鏡檢驗結果

圖7 “金屬瘤”能譜儀檢驗結果

圖8 平坦位置掃描電鏡及能譜儀檢驗結果

在異常磨耗產物與閘片接觸的表面上還發現了許多如圖9所示的細小顆粒，其EDS結果顯示：細顆粒密集處Cu的質量分數高達37.38%，由此可知，閘片中Cu的成分轉移到異常磨耗產物上；Al、Ca和Si元素的含量偏高，其中Al和Ca并不是制動盤與閘片的成分，且閘片中并不含Si，這些含量偏高的元素可能來源于列車運行線路中的塵埃。

圖9 細小顆粒掃描電鏡及能譜儀檢驗結果

磨耗產物與閘片接觸面是發生異常磨耗最初的位置，記錄有異常磨耗發生初期的相關信息，因此該表面上Al、Ca和Si元素的含量偏高與異常磨耗的起因不無關系。

異常磨耗產物與制動盤接觸側的表面微觀形貌如圖10所示。圖10 a)為平坦的摩擦表面，并可看到分層現象；圖10 b)為發生粘著磨損的區域，有條狀的粘著物及因粘著磨損而變粗糙的區域。

圖10 與制動盤接觸側表面掃描電鏡結果

制動盤接觸側表面多個位置的EDS分析結果如圖11所示。由圖11可見，Al和Si的質量分數較少，且基本不含Ca和Cu元素。Al的質量分數最高值只有0.57%，遠低于靠近閘片側Al的質量分數的最高值4.72%(見圖6 b))；Si的質量分數最高值為0.89%，低于靠近閘片側Si的質量分數的最高值2.23%(見圖6 b))。該側磨耗產物成分基本與制動盤相似，且Al、Ca和Si等雜質較少。因此認為，該側表面的金屬來自制動盤，這與上文關于異常磨耗產物對制動盤產生切削作用并與切屑焊合的推論是一致的。

圖11 制動盤側能譜儀分析結果

1.3 金相及硬度

對異常磨耗產物取樣磨制并用4%硝酸酒精腐蝕，在ProgRes C5金相顯微鏡下進行觀察。金相組織如圖12所示。由圖12可見，試樣金相組織發生嚴重畸變(見圖12 a)和圖12 b))，基本為鐵素體和細小的類珠光體(見圖12 c))。異常磨耗產物與制動盤材質相近，這說明異常磨耗產物來源于制動盤。

圖12 制動盤磨耗產物金相組織形態

使用HV30維氏硬度計對試樣進行硬度測試，載荷選用1 kg，測試結果如表1所示。異常磨耗產物的維氏硬度平均為283.17 HV，折合布氏硬度為279.17 HB[3]，低于制動盤的布氏硬度(≥290 HB)。

表1 制動盤異常磨耗產物硬度值

2 原因分析

通過對磨耗產物的宏觀和微觀檢驗發現：制動盤異常磨耗產物基本來源于制動盤；磨耗產物與閘片接觸側表面含有Al和Ca等雜質元素，而Si的含量較制動盤和磨耗產物與制動盤接觸側表面的Si含量高，這些元素與包覆閘片的冰雪混合物中所發現的Al元素、SiO2和Fe2O3的細微顆粒相對應。

雪天閘片有結冰現象，導致制動盤表面易出現輕微劃傷；而晴天閘片無結冰現象，制動盤表面較少出現劃傷或變粗糙的情況。

綜上所述，異常磨耗的原因為：在制動盤異常磨耗初期，由于包覆在閘片上的含有細微硬質顆粒的冰在摩擦熱的作用下融化，融化的冰水將硬質顆粒帶入閘片與制動盤的摩擦面，導致制動盤受到磨硬質顆粒的磨損，并產生金屬碎屑。產生的金屬碎屑在閘片的壓力與摩擦熱的作用下，聚集焊合，形成小塊的磨耗產物。小塊磨耗產物成為造成制動盤磨損的主要磨料。在閘片壓力與高速旋轉的制動盤共同作用下，小塊磨耗產物發生移動和變形。而閘片的空隙為磨耗產物提供了貯存和支撐作用。

上述過程不斷重復，小塊的磨耗產物聚集成大塊的磨耗產物；且由于閘片中部空隙較易貯存磨耗產物，磨耗產物主要集中在閘片的中部，制動過程中對制動盤造成類似切削的損傷；而閘片中部空隙對磨耗產物起到固定作用，加之閘片周圍冰雪的包裹，磨耗產物不能順利排出。

3 解決措施

針對CRH5型動車組冰雪環境下出現制動盤異常磨耗現象，采取了以下解決措施：

1)加強日常檢查。在車輛入庫檢修時，及時清理閘片上的異物，并查看制動盤是否存在劃傷。

2)如遇冰雪天氣，應及時采取除冰措施，充分去除轉向架部位的冰雪。

3)適當加大制動盤與閘片之間間隙。將制動盤與閘片之間的緩解間隙由2～4 mm調整為3～6 mm。

上述措施實施后，CRH5型動車組冬季運用狀況得到了改善，制動盤異常磨耗數量已明顯減少。