地铁车辆合成闸瓦产生裂纹的原因及其解决措施

孔德鹏 王超恒 李国庆 尚小菲 宋传云

(1.中车青岛四方车辆研究所有限公司， 266031， 青岛； 2.中车长客股份有限公司， 130052, 长春∥第一作者， 高级工程师)

某A型地铁车辆采用了进口JURID J2338合成闸瓦，在使用过程中闸瓦容易出现裂纹。本文从JURID J2338合成闸瓦与车轮踏面匹配、闸瓦应力集中等方面对引起闸瓦裂纹的原因进行分析，并提出解决的建议措施。

1 JURID合成闸瓦简介

JURID J2338合成闸瓦由德国JURID公司制造，符合UIC 541-4标准[1]，主要应用于采用单侧单瓦踏面制动形式的A型地铁车辆上。每辆车通常配置8块JURID J2338合成闸瓦。该A型地铁车辆的部分参数及制动要求如表1所示。

表1 某A型地铁车辆的部分参数及制动要求

JURID J2338合成闸瓦采用多内弧设计，即新闸瓦的摩擦面是由5个平面构成的组合轮廓，保证无论与新轮还是与旧轮匹配，均能在较短的磨合时间内使闸瓦与踏面的有效接触面积达到80%以上。JURID J2338合成闸瓦的物理性能如表2所示。

表2 JURID J2338合成闸瓦的物理力学性能

2 JURID J2338合成闸瓦的裂纹情况

在地铁车辆的使用过程中，发现JURID J2338合成闸瓦易产生裂纹。闸瓦产生裂纹后需要更换，造成闸瓦提前报废，增加了使用及维护成本。如果闸瓦产生裂纹后未能及时更换，可能进一步导致闸瓦掉块、磨托等，进而影响列车的运行安全。通过对JURID J2338合成闸瓦裂纹的进一步调查，发现具有如下特点：

1) 产生裂纹的闸瓦多为刚刚更换的新闸瓦，且更换了闸瓦后的列车往往施加过较大级别(包括紧急制动)的纯空气制动。裂纹多数表现为沿闸瓦摩擦体宽度方向的横向裂纹，如图1 a)所示，有一定深度，甚至贯穿了整个摩擦体的厚度方向，如图1 b)、图1 c)所示。裂纹的位置主要集中在闸瓦摩擦面组合平面结合区域。

a) 横向贯穿裂纹的位置及宽度

b) 横向贯穿裂纹的位置及深度

c) 磨合初期横向贯穿裂纹的位置及深度

2) 车辆更换闸瓦后，如果先施加小级别的纯空气制动进行闸瓦磨合，闸瓦一般不会产生裂纹。即使有些闸瓦产生了裂纹，其裂纹的深度往往较浅，且随着闸瓦进一步磨合，裂纹通常会自动消失。裂纹位置主要集中在闸瓦摩擦面组合平面结合区域或摩擦面局部接触面附近区域，如图2所示。

a) 闸瓦磨合初期摩擦面形态

b) 闸瓦磨合初期摩擦面局部裂纹形态

3) 经过磨合且未产生裂纹的闸瓦，在其全寿命周期内一般均不产生裂纹，磨合后的闸瓦摩擦面状态良好。

3 JURID J2338合成闸瓦产生裂纹原因分析

通常情况下合成闸瓦产生裂纹是由以下原因引起：①闸瓦质量问题导致的裂纹，如闸瓦的强度不足、材料缺陷等；②热损伤造成的热裂纹；③应力集中引起的裂纹；④使用原因引起的裂纹；⑤其他原因引起的裂纹。

由于JURID J2338合成闸瓦裂纹的产生与“新闸瓦”、“大级别纯空气制动”、“磨合状态”等高度相关，且闸瓦裂纹位置较为集中，本文重点从闸瓦结构及应力方面进行分析。

3.1 闸瓦与车轮踏面匹配分析

3.1.1 闸瓦与车轮踏面的理论匹配关系

新JURID J2338合成闸瓦的摩擦面由5个平面组合而成，相邻平面间无圆角过渡。列车的车轮踏面为磨耗型踏面。新闸瓦与新轮/全磨耗轮在踏面滚动圆处的配合关系分别如图3～4所示。

从图3可以看出，新闸瓦与新轮匹配时，理论上闸瓦的平面1、平面5与踏面接触，闸瓦的平面2、平面3、平面4呈悬空状态。由于新闸瓦的摩擦面为平面，而车轮为磨耗型踏面，两者只能局部接触。

图3 新闸瓦与新轮在踏面滚动圆处的配合示意图

图4 新闸瓦与全磨耗轮在踏面滚动圆处的配合示意图

从图4可以看出，新闸瓦与全磨耗轮匹配时，理论上闸瓦的平面2、平面4与踏面接触，闸瓦的平面1、平面3、平面5呈悬空状态，局部接触。

3.1.2 闸瓦与车轮踏面的实际匹配关系

如图5所示，新闸瓦与新轮踏面样板进行实物匹配，可以看出靠近闸瓦中部的2个平面与踏面接触，其余均呈悬空状态。

图5 新闸瓦与新轮踏面样板的配合示意图

3.2 闸瓦压缩强度校核

新闸瓦在接触面上局部压应力的计算式为：

σ=K/(S×5%)

(1)

式中：

σ——新闸瓦在接触面上的局部压应力，MPa；

K——闸瓦压力，kN；

S——闸瓦与车轮踏面接触面积，m2。

式(1)中，新闸瓦与踏面的有效接触面积约占闸瓦摩擦面面积的5%，K取40 kN，S取32×10-6m2，可得到闸瓦压力为40 kN时新闸瓦接触面上的局部压应力为25 MPa。该局部压应力已略微超出闸瓦的压缩强度极限(23.5 MPa)，容易在接触面及四周产生局部裂纹。

3.3 闸瓦弯曲试验

闸瓦摩擦体为有机合成材料，其材料特性与刚体、连续弹性体等有显著的不同，难以通过计算的方法求解出制动时施加的闸瓦压力与闸瓦应力的对应关系。为了模拟新闸瓦与踏面的接触关系，本文对JURID J2338合成闸瓦进行了半瓦弯曲试验，图6为半瓦弯曲试验压力位移曲线。

图6 闸瓦弯曲试验加载曲线

半瓦弯曲试验当施加的压力达到36 kN时，闸瓦摩擦体产生贯穿裂纹，裂纹的位置及形态与图1 a)、图1 b)所示实际运用中产生的裂纹吻合。

由上文的分析可知，未经磨合的新闸瓦装车后，新闸瓦与车轮踏面局部接触。列车施加较大级别(包括紧急制动)的纯空气制动，在闸瓦与踏面的局部接触面和四周，以及闸瓦摩擦面平面结合处出现应力集中。应力超过闸瓦的抗压和抗拉强度极限，闸瓦产生裂纹。

4 解决措施及列车制动试验验证

针对闸瓦产生裂纹的具体原因，有两种解决措施：一是通过优化闸瓦的摩擦面形状，消除闸瓦摩擦体的局部应力集中；二是采用小级别纯空气制动磨合闸瓦，消除闸瓦摩擦体的局部应力集中。而在实际应用中则是通过对装用新闸瓦的A型地铁车辆先施加数次的小级别纯空气制动，磨合闸瓦，直至闸瓦与踏面的有效接触面积达到80%以上[2]。对于因应力集中导致的闸瓦裂纹，该措施起到了非常好的效果。

某A型地铁车辆的制动试验情况表明：装用新闸瓦后立即进行较大级别(包括紧急制动)的纯空气制动，1列车上的48块闸瓦中最多有8块闸瓦产生了裂纹，裂纹产生的比例为1/6；而装用新闸瓦后先进行小级别的纯空气制动，待闸瓦与踏面的有效接触面积达到80%以上后再进行较大级别(包括紧急制动)的纯空气制动，1列车48块闸瓦中仅有1块闸瓦产生了裂纹，裂纹产生比例为1/48，且该裂纹的深度较浅，无需更换闸瓦。

5 结论

1) 应力集中是引起地铁列车新的JURID J2338合成闸瓦产生裂纹的主要原因。

2) 新的JURID J2338合成闸瓦安装后，地铁列车不宜立即施加较大级别的纯空气制动，闸瓦压力不宜超过36 kN。建议先采用小级别(闸瓦压力30 kN以下)的纯空气制动进行闸瓦磨合，使闸瓦与踏面有效接触面积达到80%以上。

3) 新的JURID J2338合成闸瓦安装后，应做好闸瓦运用状态的检查工作。如发现闸瓦出现裂纹，尤其是贯穿型裂纹，应立即予以更换，保证地铁列车的运行安全。