動車組閘片壽命預測研究

馬永靖，楊廣楠，鄭魏婧，張笑凡，李 松，高靖添，王志龍

（1 中車長春軌道客車股份有限公司， 長春130062；2 北京縱橫機電科技有限公司， 北京100094）

CR400BF 型速度350 km/h 復興號動車組（簡稱動車組）在京滬高鐵運營，標志著我國鐵路列車高速化進程到達了一個新的里程碑。動車組空氣制動采用盤形制動，制動過程中閘片在制動壓力的作用下與制動盤進行摩擦將列車的動能轉化為熱能消散到大氣中，使列車減速或停車。閘片在與制動盤摩擦過程中逐漸磨損，當達到閘片最大磨耗限度時需進行更換。閘片作為盤形制動的關鍵部件，其使用壽命，即閘片能夠滿足的動車組運用里程，除與自身摩擦材料磨耗特性及厚度有關外，還與動車組基礎制動配置、制動力管理策略、運行線路、站間距和司機操作習慣等眾多因素密切相關，閘片壽命問題具有一定系統復雜性。

目前，我國動車組閘片檢修和更換周期的確定，多源于長期運用積累的經驗數據，隨著動車組運營速度的提高、動車組數量的增加、運營線路的多樣化，現有的方法已無法滿足閘片運用及檢修需求。提前預測閘片使用壽命［1］和磨損量，可為動車所制定閘片檢修周期，提高閘片檢修效率及節支降耗提供理論基礎［2］。同時也可為動車組全壽命周期成本計算以及備件儲備數量提供基礎數據。如關聯閘片更換日期、動車組運行里程和閘片剩余厚度等信息，還可用于實現閘片的故障預測與健康管理，具有非常重要的現實意義。

文中系統地介紹了一整套閘片磨耗數據采集及分析的方法，提出了“閘片厚度—里程線性擬合公式”和“閘片厚度—質量—里程一體化線性擬合公式”2 種預測閘片壽命的理論模型，對比了2 種閘片壽命預測模型的優缺點。基于采集的3 列動車組閘片厚度、質量及運行里程樣本數據，采用pearson（皮爾遜）相關系數法分析，發現閘片磨耗與運行里程極強相關。引入閘片偏磨分析，分別建立了動車閘片和拖車閘片壽命預測的數學模型。運用該數學模型對閘片的壽命及單位里程的磨損量進行了預測，數據一致性較好。

1 閘片磨耗數據采集及分析

1.1 動車組及閘片信息

動車組由4 輛動車（M）和4 輛拖車（T）組成，編組及軸位定義見表1。

表1 動車組編組及軸位定義

動車每軸配置2 套輪裝盤形制動，拖車每軸配置3 套軸裝盤形制動，每個制動盤左右兩側各有1副閘片，動車和拖車采用同一型號閘片，如圖1所示。

圖1 閘片摩擦塊位置定義

每副閘片由上下2 個半片組成，共布置有18個摩擦塊，摩擦塊為粉末冶金材料，理論有效磨耗厚度為160-1mm，如圖2 所示。

圖2 閘片有效磨耗厚度

1.2 閘片位置定義

為便于閘片磨耗數據統計，拖車和動車每根軸閘片位置定義見表2。

1.3 閘片磨耗測量方法及數據分析

1.3.1 閘片磨耗測量方法

定期拆卸閘片，用游標卡尺（精度0.01 mm）測量圖1 所示6 個位置摩擦塊的厚度。用電子秤（精度0.001 kg）測量閘片質量。同時記錄測量日期、動車組運行里程和閘片位置等信息，見表2。

表2 動車閘片和拖車閘片位置定義表

1.3.2 閘片磨耗分析方法

根據運用經驗，閘片在運用過程中一般都存在偏磨現象，可分為上下偏磨和內外偏磨。上下偏磨可通過分析圖1 中摩擦塊1 和摩擦塊4 磨耗厚度獲得，上下偏磨量=摩擦塊1 磨耗厚度-摩擦塊4 磨耗厚度。內外偏磨可通過分析圖1 中摩擦塊2、5 和摩擦塊3、6 磨耗厚度獲得，內外偏磨量=摩擦塊（3、6）磨耗厚度最大值-摩擦塊（2、5）磨耗厚度最小值。

閘片更換限度是按照閘片最薄處的厚度來控制的，故應記錄閘片上摩擦塊1～6 的厚度并進行偏磨分析，找出磨耗量最大的摩擦塊進行閘片壽命預測。為便于偏磨分析，定義上下偏磨量為正值的閘片數量與閘片總數的比值為上下偏磨占比，該比值大于1/2 說明閘片上部磨耗速度快于下部磨耗；定義內外偏磨量為正值的閘片數量與閘片總數的比值為內外偏磨占比，該比值大于1/2 說明閘片外側磨耗速度快于內側磨耗。

2 閘片壽命預測理論模型

2.1 閘片厚度—里程線性擬合公式模型

2.1.1 閘片厚度與運行里程線性關系分析

計算樣本數據“摩擦塊厚度”、“運行里程”的pearson 相關系數r為式（1）：

式中：si為單次測量記錄的運行里程；為運行里程的平均值，mm；hi為單次測量記錄的摩擦塊厚度，萬km；為摩擦塊厚度的平均值，萬km。

根據摩擦塊3、6 統計數據計算pearson 相關系數r均接近-1，見表3，說明“摩擦塊厚度”、“運行里程”負相關性高，可建立一次線性數學模型。

表3 pearson 相關系數

2.1.2 閘片厚度—里程線性擬合公式

采用origin 繪圖軟件對樣本數據曲線進行線性擬合，得到摩擦塊厚度h與運行里程Sh的一次線性數學模型，為式（2）：

式中：a為常數項；b為斜率。

將h=h0-h1max代入式（2），可得閘片最大運行里程，為式（3），即預測閘片壽命：

式中：h0=21 mm，為閘片初始厚度；h1max為閘片最大有效磨耗厚度。

2.2 閘片厚度—質量—里程一體化線性擬合公式模型

2.2.1 閘片質量—里程線性擬合公式

采用origin 繪圖軟件對樣本數據曲線進行線性擬合，得到閘片質量m與運行里程Sm的一次線性數學模型，為式（4）：

式中：a1為常數項；b1為斜率。

2.2.2 閘片厚度—質量—里程一體化線性擬合公式

采用origin 繪圖軟件對樣本數據曲線進行線性擬合，得到閘片磨耗質量Δm1與閘片磨耗厚度Δh1的一次線性數學模型，為式（5）：

式中：a2為常數項；b2為斜率。

將Δh1=h1max代 入 式（5），可 得Δm1=m1max，m1max為閘片最大磨耗質量。將m=m0-m1max代入式（4），可得閘片最大運行里程，為式（6），即預測閘片壽命：

式中：m0=3.1 kg，為閘片初始質量。

2.3 閘片磨損量

閘片磨損量指閘片在單位里程磨耗的厚度，為式（7）：

式中：Hm為閘片磨損量，mm/萬km；S為預測的閘片壽命，萬km。

如有n組預測的閘片壽命Si，計算出閘片的平均壽命-S為式（8），計算出閘片的平均磨損量——-Hm為式（9）：

2.4 2 種模型對比分析

“閘片厚度—里程線性擬合公式”模型較為簡單，其預測數據準確性取決于手動測量閘片厚度樣本數據的準確性。

“閘片厚度—質量—里程一體化線性擬合公式”模型較為復雜，但可排除部分人為手動測量誤差，預測的準確度相對較高。

3 閘片壽命預測數學模型及結果

3.1 閘片磨耗數據

按1.3.1 節閘片磨耗測量方法，跟蹤CR400BF-5001 動車組運行790 508 km，采集12 次數據；跟蹤CR400BF-5002 動車組運行876 242 km，采集13 次數據；跟蹤CR400BF-5003 動車組運行850 259 km，采集13 次數據。

3.2 閘片偏磨分析

按1.3.2 節方法統計分析了閘片偏磨情況，見表4。83%～88%的閘片外側（摩擦塊3、6）磨耗速度快于內側（摩擦塊2、5）磨耗；閘片上部（摩擦塊1）磨耗與下部（摩擦塊4）磨耗占比47%～50%，無明顯規律。

表4 閘片偏磨統計

閘片外側摩擦塊3、6 最大偏磨量為3.58 mm，見表5。閘片最大偏磨按4 mm 考慮，摩擦塊厚度160-1mm 考慮負公差，故預測閘片壽命時，閘片最大有效磨耗厚度h1max按11 mm 執行。

表5 閘片最大偏磨數據 單位：mm

3.3 數學模型及預測結果

根據實測閘片磨耗數據，建立基于“閘片厚度—里程線性擬合公式”、“閘片厚度—質量—里程一體化線性擬合公式”的動車閘片和拖車閘片壽命預測數學模型，并計算閘片壽命，分別見表6、表7。

表6 基于“閘片厚度—里程線性擬合公式”的閘片壽命預測

表7 基于“閘片厚度—質量—里程一體化線性擬合公式”的閘片壽命預測

2 種方法預測的閘片壽命、磨損量、動車及拖車磨耗規律基本一致。其中，按“閘片厚度—質量—里程一體化線性擬合公式”模型計算取平均值，預測動車閘片壽命為86.74 萬km，磨損量為0.127 mm/萬km；預測拖車閘片壽命為98.64 萬km，磨損量為0.112 mm/萬km；動車閘片壽命小于拖車閘片壽命。

4 閘片壽命統計數據對比分析

統計了903 塊動車閘片和435 塊拖車閘片磨耗到限時的壽命，動車閘片和拖車閘片壽命均服從正態分布。動車閘片壽命在69.2～115.4 萬km 之間的占比85%，如圖3 所示。拖車閘片壽命在77～130 萬km 之間的占比95%，如圖4 所示。動車閘片壽命小于拖車閘片壽命。可見文中預測閘片壽命與閘片壽命統計數據一致性較高。

圖3 動車閘片統計壽命正態曲線

圖4 拖車閘片統計壽命正態曲線

5 總 結

文中研究了2 種預測閘片壽命的方法，基于動車組短期跟蹤采集的閘片厚度、質量及運行里程樣本數據建立數學模型，預測計算閘片的壽命。預測閘片壽命與閘片實際更換時的統計壽命一致性較高，動車閘片磨耗快于拖車閘片的規律一致。文中為動車組閘片壽命預測研究提供了新的思路和方法，為閘片的健康管理及維護檢修提供了基礎數據，具有一定借鑒和指導意義。