crh5型动车组闸片摩擦体裂损检测

crh5型动车组闸片摩擦体裂损检测

2014年末，兰新高铁正式开通，采用crh5列车。兰新高铁是中国在高海拔地区修建的首条高速铁路,全长1777km,最高海拔3640m,因此CRH5型动车组成为国内穿行海拔最高的动车组。CRH5型动车组在兰新线正式投入运用后,其制动系统运用良好,但在运用一段时间后个别车陆续出现了闸片摩擦体裂损情况。1闸片裂损情况2015年2月3日,CRH5G—5143号车组首次出现闸片摩擦体裂损情况。截至同年3月中旬,CRH5型动车组共有91副闸片出现了不同程度的闸片摩擦体裂损问题,其中CRH5G型动车组67副,CRH5A型动车组24副。闸片摩擦体裂损情况见图1。2原因分析2.1实际检测结果根据统计,闸片摩擦体裂损现象出现的时间与车组比较集中。为排查闸片是否存在批次的质量问题,中车长春轨道客车股份有限公司联合西南交通大学对存在摩擦体裂损的闸片摩擦块的硬度、密度和化学成分进行了检测,检测结果如下:(1)硬度。采用HB—3000C型电子布氏硬度计,对送检闸片与其他批次合格闸片的硬度进行检测。检测时使用10mm球形压头,1000kg载荷,保载时间30s,测试结果见表1。可见,送检闸片硬度分布均匀,平均硬度(HBW)为33.1。(2)密度。对2副闸片进行取样,制成20×12×5mm立方体试样,对其表面进行研磨。采用DX—100E型电子密度计对送检闸片与其他批次合格闸片的密度进行检测,测试结果见表2。可见,送检闸片与其他批次合格闸片的密度相当。(3)化学成分。使用HITACHIJSM—6490L型扫描电镜(SEM)和GENESS2000XMS型X射线能谱仪(EDS)对闸片表面进行了微观形貌与化学成分检测。在低倍放大视场下,送检闸片的微观形貌与其他批次完好闸片的微观形貌基本相似(图2),化学成分也基本相似。同时,还对闸片各成分组元进行了分析,2副闸片基本都由石墨、含Cr相、含Fe相与Cu基体组成,并无太大差异。(4)剪切强度。使用强度试验设备对送检闸片摩擦体自身剪切强度进行了检验,实际测量的3次检测结果见表3,均满足检验标准要求。从硬度、密度、微观形貌、化学成分和剪切强度的对比结果来看,出现摩擦体裂损的闸片与其他批次合格闸片的各项指标基本相似,未发现异常情况。2.2制动盘安装情况针对配属兰新线出现闸片摩擦体裂损的动车组运行区段进行了调查,发现虽然由于各车组运行交路和运行时间存在差异,但是出现闸片摩擦体裂损较多的CRH5G—5143、CRH5G—5153、CRH5A—5052号车组大部分时间在兰州—嘉峪关区段频繁运用,详见表4。同时,对上述以及其他出现裂损闸片动车组的摩擦体裂损情况进行了统计,发现出现摩擦体裂损的闸片以动车动轴闸片为主,其中动轴摩擦体裂损的闸片为68副,拖轴的为23副,且拖轴闸片摩擦体裂损也是以动车的拖轴为主。观察这些车组的制动盘表面,发现制动盘表面已出现过热痕迹,并且动轴制动盘稍明显。CRH5型动车组的动、拖轴配置见图3,图中实心圆表示动轴,空心圆表示拖轴。针对上述现象,对CRH5动车组常用制动力的分配逻辑进行分析。(1)电制动正常工作时,常用制动优先施加电制动。电制动不足时,在所有车的拖轴均匀施加空气制动,正常常用制动工况下动轴空气制动被电制动互锁阀隔离,不施加任何空气制动,只有在速度低于10km/h时互锁阀被释放,动车的动轴和拖轴才同时施加空气制动用以接管电制动。在电制动正常工况下,动车组在20‰下坡道匀速运行时电制动即可满足制动力需求。(2)当某个动车电制动失效时,常用制动时优先在该动车的动轴和拖轴上同时施加空气制动以补充损失的电制动力。动车动轴安装2个制动盘,而拖轴安装3个制动盘,动轴闸片压力约为拖轴闸片压力的1.5倍。因此,运用中动车组在电制动正常的情况下,其动轴基本不会施加空气制动,不应该出现比拖轴更严重的闸片裂损,而目前动车组动轴闸片短期就出现摩擦体裂损问题,可以推测该动车组出现了电制动失效情况。2.3回库测试结果为调查动车组电制动失效情况,中车长客股份公司在西宁—嘉峪关南区段进行了多次线路测试和调查分析。测试结果表明,在西宁—嘉峪关区段出现多次网压持续超高的情况,时间累计超过1h,同时出现TCMS报电制动故障而动车动轴和拖轴同时施加空气制动的情况。现选取其中一次的测试情况描述如下:2015年5月24日该区段网压测试结果见图4,可见11:17:44—11:58:00时间段内(军马场站附近)接触网网压持续大于29kV,持续时间超过40min。动车组回库后下载相应时间段的TCMS数据记录,发现在同一时间段存在电制动失效故障。同时,通过车载EBCU数据记录装置对同一时间段的制动状态进行监测,监测结果见图5。从图5可以看出,在常用制动时动车均出现电制动不可用的情况,同时动车的动轴和拖轴制动缸均出现了压力上升,以补充缺少的电制动。2.4制动盘温度仿真计算调查发现,兰州西—嘉峪关南区段线路超过9‰的坡道共计有29个,其中从军马场站—民乐站53km的线路为全程下坡,存在8个接近或超过20‰的下坡道,并且在民乐站下坡进站停车;而兰州西—嘉峪关南区段较多的出现接触网网压大于29kV现象,同时存在电制动失效故障。中车长客股份公司联合中国铁道科学院对兰州西—嘉峪关南区段线路运行工况下的制动盘温度进行了仿真计算,每站都采用纯空气最大常用制动停车,并且考虑列车在下坡过程中保持车速施加制动的情况。动车动轴制动盘温度计算结果见图6。由图6可知,全程动车动轴制动盘盘面温度大致维持在330℃左右,但随着坡道调速制动的加入,盘面最高温度会受到显著影响。特别是在军马场—民乐站区段(约45km)和民乐—张掖西区段,较大长度的连续下坡使盘面一直维持在较高温度,同时在民乐站下坡进站停车制动功率较大,盘面温度瞬间有较大上升,最高温度升至623℃。长大坡道导致制动盘摩擦副长时间处于较高温度下工作,闸片及制动盘摩擦副的磨耗量增大。长时间高温、高压下运行,可能引起闸片物理结构发生改变,从而影响闸片与制动盘的制动性能和使用寿命。采取降速模拟运营计算,在军马场—张掖南区段列车限速120km/h,其余区段最高速度仍为180km/h。降速后动车动轴制动盘温度计算结果见图7。由图7可知,线路上大部分区段温升曲线与之前一致,在军马场—张掖南区段,由于列车采用限速120km/h方式运行,盘面最高温度下降至437℃,在摩擦块允许温度范围之内。2.5线路运行模拟试验为验证CRH5型动车组在兰新线网压异常区段运行闸片的真实温度,中车长客股份公司联合中车青岛四方车辆研究所有限公司选取CRH5A—5053号车组在兰州西—嘉峪关南区段进行了电制动故障模拟试验。试验结果表明,在电制动故障条件下军马场—民乐区间动轴闸片最高温度超过580℃,动轴制动缸压力约212kPa。3线路运用调查综上分析,送检的摩擦体裂损的闸片,其硬度、密度、微观形貌和化学成分、剪切强度等各项指标均与其他批次检验合格的闸片基本相似,不存在闸片批次质量问题。兰新线兰州西—嘉峪关南间部分区段接触网网压长时间大于29kV,导致电制动失效,整个长大坡道的调速完全由空气制动完成,使动轴闸片承受了更大的制动力,造成闸片温升过高,并且承受了长时间