crh5型動(dòng)車(chē)組閘片摩擦體裂損檢測(cè)

crh5型動(dòng)車(chē)組閘片摩擦體裂損檢測(cè)

2014年末，蘭新高鐵正式開(kāi)通，采用crh5列車(chē)。蘭新高鐵是中國(guó)在高海拔地區(qū)修建的首條高速鐵路,全長(zhǎng)1777km,最高海拔3640m,因此CRH5型動(dòng)車(chē)組成為國(guó)內(nèi)穿行海拔最高的動(dòng)車(chē)組。CRH5型動(dòng)車(chē)組在蘭新線正式投入運(yùn)用后,其制動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)用良好,但在運(yùn)用一段時(shí)間后個(gè)別車(chē)陸續(xù)出現(xiàn)了閘片摩擦體裂損情況。1閘片裂損情況2015年2月3日,CRH5G—5143號(hào)車(chē)組首次出現(xiàn)閘片摩擦體裂損情況。截至同年3月中旬,CRH5型動(dòng)車(chē)組共有91副閘片出現(xiàn)了不同程度的閘片摩擦體裂損問(wèn)題,其中CRH5G型動(dòng)車(chē)組67副,CRH5A型動(dòng)車(chē)組24副。閘片摩擦體裂損情況見(jiàn)圖1。2原因分析2.1實(shí)際檢測(cè)結(jié)果根據(jù)統(tǒng)計(jì),閘片摩擦體裂損現(xiàn)象出現(xiàn)的時(shí)間與車(chē)組比較集中。為排查閘片是否存在批次的質(zhì)量問(wèn)題,中車(chē)長(zhǎng)春軌道客車(chē)股份有限公司聯(lián)合西南交通大學(xué)對(duì)存在摩擦體裂損的閘片摩擦塊的硬度、密度和化學(xué)成分進(jìn)行了檢測(cè),檢測(cè)結(jié)果如下:(1)硬度。采用HB—3000C型電子布氏硬度計(jì),對(duì)送檢閘片與其他批次合格閘片的硬度進(jìn)行檢測(cè)。檢測(cè)時(shí)使用10mm球形壓頭,1000kg載荷,保載時(shí)間30s,測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1?？梢?jiàn),送檢閘片硬度分布均勻,平均硬度(HBW)為33.1。(2)密度。對(duì)2副閘片進(jìn)行取樣,制成20×12×5mm立方體試樣,對(duì)其表面進(jìn)行研磨。采用DX—100E型電子密度計(jì)對(duì)送檢閘片與其他批次合格閘片的密度進(jìn)行檢測(cè),測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2?？梢?jiàn),送檢閘片與其他批次合格閘片的密度相當(dāng)。(3)化學(xué)成分。使用HITACHIJSM—6490L型掃描電鏡(SEM)和GENESS2000XMS型X射線能譜儀(EDS)對(duì)閘片表面進(jìn)行了微觀形貌與化學(xué)成分檢測(cè)。在低倍放大視場(chǎng)下,送檢閘片的微觀形貌與其他批次完好閘片的微觀形貌基本相似(圖2),化學(xué)成分也基本相似。同時(shí),還對(duì)閘片各成分組元進(jìn)行了分析,2副閘片基本都由石墨、含Cr相、含F(xiàn)e相與Cu基體組成,并無(wú)太大差異。(4)剪切強(qiáng)度。使用強(qiáng)度試驗(yàn)設(shè)備對(duì)送檢閘片摩擦體自身剪切強(qiáng)度進(jìn)行了檢驗(yàn),實(shí)際測(cè)量的3次檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表3,均滿(mǎn)足檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)要求。從硬度、密度、微觀形貌、化學(xué)成分和剪切強(qiáng)度的對(duì)比結(jié)果來(lái)看,出現(xiàn)摩擦體裂損的閘片與其他批次合格閘片的各項(xiàng)指標(biāo)基本相似,未發(fā)現(xiàn)異常情況。2.2制動(dòng)盤(pán)安裝情況針對(duì)配屬蘭新線出現(xiàn)閘片摩擦體裂損的動(dòng)車(chē)組運(yùn)行區(qū)段進(jìn)行了調(diào)查,發(fā)現(xiàn)雖然由于各車(chē)組運(yùn)行交路和運(yùn)行時(shí)間存在差異,但是出現(xiàn)閘片摩擦體裂損較多的CRH5G—5143、CRH5G—5153、CRH5A—5052號(hào)車(chē)組大部分時(shí)間在蘭州—嘉峪關(guān)區(qū)段頻繁運(yùn)用,詳見(jiàn)表4。同時(shí),對(duì)上述以及其他出現(xiàn)裂損閘片動(dòng)車(chē)組的摩擦體裂損情況進(jìn)行了統(tǒng)計(jì),發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)摩擦體裂損的閘片以動(dòng)車(chē)動(dòng)軸閘片為主,其中動(dòng)軸摩擦體裂損的閘片為68副,拖軸的為23副,且拖軸閘片摩擦體裂損也是以動(dòng)車(chē)的拖軸為主。觀察這些車(chē)組的制動(dòng)盤(pán)表面,發(fā)現(xiàn)制動(dòng)盤(pán)表面已出現(xiàn)過(guò)熱痕跡,并且動(dòng)軸制動(dòng)盤(pán)稍明顯。CRH5型動(dòng)車(chē)組的動(dòng)、拖軸配置見(jiàn)圖3,圖中實(shí)心圓表示動(dòng)軸,空心圓表示拖軸。針對(duì)上述現(xiàn)象,對(duì)CRH5動(dòng)車(chē)組常用制動(dòng)力的分配邏輯進(jìn)行分析。(1)電制動(dòng)正常工作時(shí),常用制動(dòng)優(yōu)先施加電制動(dòng)。電制動(dòng)不足時(shí),在所有車(chē)的拖軸均勻施加空氣制動(dòng),正常常用制動(dòng)工況下動(dòng)軸空氣制動(dòng)被電制動(dòng)互鎖閥隔離,不施加任何空氣制動(dòng),只有在速度低于10km/h時(shí)互鎖閥被釋放,動(dòng)車(chē)的動(dòng)軸和拖軸才同時(shí)施加空氣制動(dòng)用以接管電制動(dòng)。在電制動(dòng)正常工況下,動(dòng)車(chē)組在20‰下坡道勻速運(yùn)行時(shí)電制動(dòng)即可滿(mǎn)足制動(dòng)力需求。(2)當(dāng)某個(gè)動(dòng)車(chē)電制動(dòng)失效時(shí),常用制動(dòng)時(shí)優(yōu)先在該動(dòng)車(chē)的動(dòng)軸和拖軸上同時(shí)施加空氣制動(dòng)以補(bǔ)充損失的電制動(dòng)力。動(dòng)車(chē)動(dòng)軸安裝2個(gè)制動(dòng)盤(pán),而拖軸安裝3個(gè)制動(dòng)盤(pán),動(dòng)軸閘片壓力約為拖軸閘片壓力的1.5倍。因此,運(yùn)用中動(dòng)車(chē)組在電制動(dòng)正常的情況下,其動(dòng)軸基本不會(huì)施加空氣制動(dòng),不應(yīng)該出現(xiàn)比拖軸更嚴(yán)重的閘片裂損,而目前動(dòng)車(chē)組動(dòng)軸閘片短期就出現(xiàn)摩擦體裂損問(wèn)題,可以推測(cè)該動(dòng)車(chē)組出現(xiàn)了電制動(dòng)失效情況。2.3回庫(kù)測(cè)試結(jié)果為調(diào)查動(dòng)車(chē)組電制動(dòng)失效情況,中車(chē)長(zhǎng)客股份公司在西寧—嘉峪關(guān)南區(qū)段進(jìn)行了多次線路測(cè)試和調(diào)查分析。測(cè)試結(jié)果表明,在西寧—嘉峪關(guān)區(qū)段出現(xiàn)多次網(wǎng)壓持續(xù)超高的情況,時(shí)間累計(jì)超過(guò)1h,同時(shí)出現(xiàn)TCMS報(bào)電制動(dòng)故障而動(dòng)車(chē)動(dòng)軸和拖軸同時(shí)施加空氣制動(dòng)的情況。現(xiàn)選取其中一次的測(cè)試情況描述如下:2015年5月24日該區(qū)段網(wǎng)壓測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖4,可見(jiàn)11:17:44—11:58:00時(shí)間段內(nèi)(軍馬場(chǎng)站附近)接觸網(wǎng)網(wǎng)壓持續(xù)大于29kV,持續(xù)時(shí)間超過(guò)40min。動(dòng)車(chē)組回庫(kù)后下載相應(yīng)時(shí)間段的TCMS數(shù)據(jù)記錄,發(fā)現(xiàn)在同一時(shí)間段存在電制動(dòng)失效故障。同時(shí),通過(guò)車(chē)載EBCU數(shù)據(jù)記錄裝置對(duì)同一時(shí)間段的制動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè),監(jiān)測(cè)結(jié)果見(jiàn)圖5。從圖5可以看出,在常用制動(dòng)時(shí)動(dòng)車(chē)均出現(xiàn)電制動(dòng)不可用的情況,同時(shí)動(dòng)車(chē)的動(dòng)軸和拖軸制動(dòng)缸均出現(xiàn)了壓力上升,以補(bǔ)充缺少的電制動(dòng)。2.4制動(dòng)盤(pán)溫度仿真計(jì)算調(diào)查發(fā)現(xiàn),蘭州西—嘉峪關(guān)南區(qū)段線路超過(guò)9‰的坡道共計(jì)有29個(gè),其中從軍馬場(chǎng)站—民樂(lè)站53km的線路為全程下坡,存在8個(gè)接近或超過(guò)20‰的下坡道,并且在民樂(lè)站下坡進(jìn)站停車(chē);而蘭州西—嘉峪關(guān)南區(qū)段較多的出現(xiàn)接觸網(wǎng)網(wǎng)壓大于29kV現(xiàn)象,同時(shí)存在電制動(dòng)失效故障。中車(chē)長(zhǎng)客股份公司聯(lián)合中國(guó)鐵道科學(xué)院對(duì)蘭州西—嘉峪關(guān)南區(qū)段線路運(yùn)行工況下的制動(dòng)盤(pán)溫度進(jìn)行了仿真計(jì)算,每站都采用純空氣最大常用制動(dòng)停車(chē),并且考慮列車(chē)在下坡過(guò)程中保持車(chē)速施加制動(dòng)的情況。動(dòng)車(chē)動(dòng)軸制動(dòng)盤(pán)溫度計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖6。由圖6可知,全程動(dòng)車(chē)動(dòng)軸制動(dòng)盤(pán)盤(pán)面溫度大致維持在330℃左右,但隨著坡道調(diào)速制動(dòng)的加入,盤(pán)面最高溫度會(huì)受到顯著影響。特別是在軍馬場(chǎng)—民樂(lè)站區(qū)段(約45km)和民樂(lè)—張掖西區(qū)段,較大長(zhǎng)度的連續(xù)下坡使盤(pán)面一直維持在較高溫度,同時(shí)在民樂(lè)站下坡進(jìn)站停車(chē)制動(dòng)功率較大,盤(pán)面溫度瞬間有較大上升,最高溫度升至623℃。長(zhǎng)大坡道導(dǎo)致制動(dòng)盤(pán)摩擦副長(zhǎng)時(shí)間處于較高溫度下工作,閘片及制動(dòng)盤(pán)摩擦副的磨耗量增大。長(zhǎng)時(shí)間高溫、高壓下運(yùn)行,可能引起閘片物理結(jié)構(gòu)發(fā)生改變,從而影響閘片與制動(dòng)盤(pán)的制動(dòng)性能和使用壽命。采取降速模擬運(yùn)營(yíng)計(jì)算,在軍馬場(chǎng)—張掖南區(qū)段列車(chē)限速120km/h,其余區(qū)段最高速度仍為180km/h。降速后動(dòng)車(chē)動(dòng)軸制動(dòng)盤(pán)溫度計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖7。由圖7可知,線路上大部分區(qū)段溫升曲線與之前一致,在軍馬場(chǎng)—張掖南區(qū)段,由于列車(chē)采用限速120km/h方式運(yùn)行,盤(pán)面最高溫度下降至437℃,在摩擦塊允許溫度范圍之內(nèi)。2.5線路運(yùn)行模擬試驗(yàn)為驗(yàn)證CRH5型動(dòng)車(chē)組在蘭新線網(wǎng)壓異常區(qū)段運(yùn)行閘片的真實(shí)溫度,中車(chē)長(zhǎng)客股份公司聯(lián)合中車(chē)青島四方車(chē)輛研究所有限公司選取CRH5A—5053號(hào)車(chē)組在蘭州西—嘉峪關(guān)南區(qū)段進(jìn)行了電制動(dòng)故障模擬試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明,在電制動(dòng)故障條件下軍馬場(chǎng)—民樂(lè)區(qū)間動(dòng)軸閘片最高溫度超過(guò)580℃,動(dòng)軸制動(dòng)缸壓力約212kPa。3線路運(yùn)用調(diào)查綜上分析,送檢的摩擦體裂損的閘片,其硬度、密度、微觀形貌和化學(xué)成分、剪切強(qiáng)度等各項(xiàng)指標(biāo)均與其他批次檢驗(yàn)合格的閘片基本相似,不存在閘片批次質(zhì)量問(wèn)題。蘭新線蘭州西—嘉峪關(guān)南間部分區(qū)段接觸網(wǎng)網(wǎng)壓長(zhǎng)時(shí)間大于29kV,導(dǎo)致電制動(dòng)失效,整個(gè)長(zhǎng)大坡道的調(diào)速完全由空氣制動(dòng)完成,使動(dòng)軸閘片承受了更大的制動(dòng)力,造成閘片溫升過(guò)高,并且承受了長(zhǎng)時(shí)間