摘要：针对上海3号线车辆闸瓦出现的白霜异常情况，对相关车辆进行了紧急停车距离和噪声的测试，对闸瓦的摩擦性能、物理性能进行了分析，并咨询了闸瓦生产厂商，对白霜的成分进行了EDS分析，得出了白霜的存在并不影响列车正常运营的结论。
关键词：闸瓦；白霜；摩擦性能；制动噪音；SEM/EDS分析
2012年为了解决闸瓦与轮对匹配的问题，减少车轮踏面的热斑、热龟裂，剥落和沟槽等问题，我们司采用上海壬丰复合材料有限公司J132闸瓦替代进口闸瓦，但是在使用过程中测试发现，该闸瓦制动过程中在频率5kHz处的声压明显高于进口闸瓦，我司要求壬丰公司将降低5kHz处的声压作为降低闸瓦噪音的主要工作，同时在不改变闸瓦摩擦性能的前提条件下降低闸瓦及车轮磨耗。壬丰公司和我司经过大量实验和装车，改进后的J132闸瓦于2016年10月通过验收，现已正式供货装车。
2017年7月第1次接报，317车的多个转向架下面的J132闸瓦侧面有白霜样物质。为明确该物质是否影响地铁正常运营，确保运营安全。对该出现白霜的J132闸瓦（以下简称白霜闸瓦）和车辆进行了全方位的测试。
图1 闸瓦侧面白霜照片
1 紧急制动距离测试
对于行车安全来讲，首先必须测试紧急制动距离是最重要的标准[1]。如果紧急制动距离不达标，那么必须撤换所有闸瓦。我们选择白霜最为严重的317车，323车和325车做了紧急制动距离的测试，测试结果见表1-表3：
表1 20km 紧急制动距离
以上测试表明，317车，323车和325车的20km、60km和80km紧急制动距离均达标，没有因为白霜的出现而出现异常。
2 白霜闸瓦摩擦性能对比
2.1 定速式摩擦系数及物理机械性能分析
为了进一步测定闸瓦的性能，使用DM-S定速式试验机对白霜闸瓦取样进行摩擦测试。用库存的同型号新J132闸瓦（以下简称新闸瓦）与今次出现白霜的闸瓦进行比对。表4为定速式摩擦试验机对新闸瓦及白霜闸瓦进行测试的结果，白霜闸瓦摩擦系数与新闸瓦接近，可以满足制动要求。
表4 白霜闸瓦和新闸瓦定速式摩擦系数
2.2缩比台架试验
除了定速式摩擦实验，我方制定了闸瓦取样摩擦性能测试的MM-1000缩比台架试验大纲，根据缩比台架试验大纲测试的数据如表5。
表5 缩比台架试验数据对比
缩比台架试验曲线见图2：
白霜闸瓦压力20KN的综合试验曲线
满坐标分别对应：
最大扭矩=50N?M；最大压力=2MPa；最大摩擦系数=0.8；最大温度=1000℃
最大速度=10000r/min
白霜闸瓦压力39KN的综合试验曲线
满坐标分别对应：
最大扭矩=100N?M；最大压力=2MPa；最大摩擦系数=0.8；最大温度=1000℃
最大速度=10000r/min
速度为80km/h
新闸瓦压力20KN的综合试验曲线
满坐标分别对应：
最大扭矩=50N?M；最大压力=2MPa；最大摩擦系数=0.8；最大温度=1000℃
最大速度=10000r/min
速度80km/h
新闸瓦压力39KN的综合试验曲线
满坐标分别对应：
最大扭矩=100N?M；最大压力=2MPa；最大摩擦系数=0.8；最大温度=1000℃
最大速度=10000r/min
速度为80km/h
图2 白霜闸瓦与新闸瓦不同压力的综合试验曲线
通过DM-S定速式试验机与MM-1000缩比台试验可知，在相同压力下，白霜闸瓦与新闸瓦的摩擦性能基本一致，均符合制动要求。
3 闸瓦制动噪音
除了正常制动，闸瓦在制动时还应不产生过高的制动噪音，影响乘客乘车体验。
表6为2017年7月15日到2017年9月21日的正线运营的制动噪音和频率数据。
表6 白霜闸瓦车辆噪音测试
白霜闸瓦的车辆在整个测试过程中，其制动噪音最大声级基本上均低于85分贝，声强比较小，不会给乘客带来不愉快的体验。
4 白霜成分和潜在影响分析
仅仅确定白霜对车辆目前正常运行没有影响是不够的，还找寻白霜对车辆运营的潜在影响，所以还要对白霜的成分进行分析。向闸瓦供应商询问闸瓦配方，对方处于技术保密原因，只透露闸瓦含有钠盐成分。为了证实白霜的成分和钠盐成分之间的联系，在将闸瓦表面的白霜取样，并且送至第三方进行SEM/EDS[2]能谱分析，分析结果见图3。
图3 白霜样品能谱
从图3得到结果，样品内主要含钠，碳，氧元素，还有微量硅，铝，铁，钙等元素，没有氯元素。所以白霜的主要成分为钠盐，次要成分为闸瓦灰和空气中的灰尘等。
一般的来说，钢铁的腐蚀主要是电化腐蚀，电化腐蚀又分为析氢腐蚀和吸氧腐。吸氧腐蚀电化学腐蚀的一种形式。通常发生在中性或者碱性溶液中，以及溶液中有足够多的氧气中发生。此时，微电池中发生溶解的氧气被还原成氢氧根的反应。
以氧分子的还原反应为阴极过程的腐蚀，又称为氧的去极化或者耗氧腐蚀。吸氧腐蚀发生在海水、大气和土壤－自然环境介质中普遍存在，尤其是在在酸性环境中可能发生吸氧腐蚀和析氢腐蚀同时进行的情况。
而析氢腐蚀常发生在非氧化性的酸性介质中或者中性水膜中，这样氢还原电位足够高，热力学上可以发生反应，氢离子得到电子生成氢气。发生吸氧腐蚀的条件是中性或碱性介质中，H+浓度低，析氢平衡电位低。金属阳极溶解平衡电位高，阴极反应：不是析氢反应，而是吸氧反应。发生吸氧腐蚀的必要条件是金属的电位比氧还原反应的电位小，EFe<EO。发生析氢腐蚀的必要条件是金属的电位比氢离子还原反应的电位小，EFe<EH。
析氢反应平衡如下式：
式（1）中，Eo2是氧还原的平衡电位，式（2）中EH2是氢还原的平衡电位，可以看到，pH值越大，Eo2和Eh2越小，所以和铁进行氧化还原反应的趋势也越小。铁的平衡电位为-0.44V，在pH较大的溶液里，析氢腐蚀不发生。
上述内容也可以从化学平衡浓度的角度来理解。析氢反应的反应物是氢离子，如果pH增大，则氢离子浓度减小，反应速度减慢。而吸氧反应的产物是氢氧根离子，pH增大，则反应产物浓度增大，反应速度减慢。
故而通常的黑色金属防腐方法中，有将pH调整到9-13的方法。从闸瓦供应商那里要来的钠盐样品，其稀水溶液pH值也在12左右，理论上不但不会增加雨水天气对轮对和钢轨的腐蚀，反而能起到一定的防腐蚀作用。
为此，我们进行了化学实验对上述理论进行了验证。将两个同型号的铁钉分别放入大试管中，分别加入20ml自来水，20ml的10%的钠盐溶液，用记号笔在试管中标好水面高度。自来水的pH值在7左右，而钠盐溶液pH在12左右。每过一段时间用滴管补充自来水进入试管，使液体维持在原位不至于干涸。在3周左右的时间，自来水中有轻微铁锈，而钠盐中铁钉看不出锈蚀。到了9周的时间自来水中有明显铁锈，而钠盐中铁钉有轻微黑红色锈蚀。到了12周的时间自来水中有大量铁锈，只可部分观察到铁钉本体，而钠盐中铁钉轻微黑红色锈蚀略微增多。
故配方中的钠盐形成的白霜，既不会对磨擦性能有影响，也不会增加铁轨和轮对腐蚀，反而有减缓的作用。
参考文献
[1]饶忠.列车制动[M].北京：中国铁道出版社，2003.
[1]曹楚南.腐蚀电化学原理[M].北京：化学工业出版社，2008.
[3]翟青霞，黄海蛟，刘东，刘克敢.解析SEM/EDS分析原理及应用[J]，印制电路信息，2012，20（5）：66-69.
论文作者:潘顺
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2018年第5期
论文发表时间:2018/7/10
标签：闸瓦论文; 白霜论文; 钠盐论文; 电位论文; 摩擦系数论文; 测试论文; 摩擦论文; 《建筑学研究前沿》2018年第5期论文;