李業(yè)明

（1 中國(guó)鐵道科學(xué)研究院機(jī)車(chē)車(chē)輛研究所，北京100081；2 北京縱橫機(jī)電技術(shù)開(kāi)發(fā)公司，北京100094）

綜合技術(shù)研究

350 km／h高速動(dòng)車(chē)組制動(dòng)夾鉗單元設(shè)計(jì)*

李業(yè)明1，2

（1 中國(guó)鐵道科學(xué)研究院機(jī)車(chē)車(chē)輛研究所，北京100081；2 北京縱橫機(jī)電技術(shù)開(kāi)發(fā)公司，北京100094）

在其他制動(dòng)型式失效的情況下，基礎(chǔ)制動(dòng)裝置是唯一的安全保障，故其性能和功能直接影響到制動(dòng)系統(tǒng)狀態(tài)。而制動(dòng)夾鉗單元作為基礎(chǔ)制動(dòng)裝置關(guān)鍵部件，對(duì)列車(chē)運(yùn)行的安全性尤為重要。本文主要介紹國(guó)內(nèi)首次裝車(chē)運(yùn)用的速度350 km／h高速動(dòng)車(chē)組自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)制動(dòng)夾鉗單元的設(shè)計(jì)研制及主要結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。

動(dòng)車(chē)組；制動(dòng)夾鉗單元；基礎(chǔ)制動(dòng)裝置；制動(dòng)缸

隨著列車(chē)提速及高速動(dòng)車(chē)組的大量運(yùn)用，保障列車(chē)安全的制動(dòng)系統(tǒng)至關(guān)重要，高速動(dòng)車(chē)組制動(dòng)系統(tǒng)的自主研發(fā)工作刻不容緩。制動(dòng)夾鉗單元作為制動(dòng)系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，其性能和功能直接影響到制動(dòng)系統(tǒng)狀態(tài)。目前我國(guó)速度350 km／h高速動(dòng)車(chē)組制動(dòng)系統(tǒng)中采用的制動(dòng)夾鉗單元基本是國(guó)外技術(shù)，增加了高鐵運(yùn)營(yíng)成本，實(shí)現(xiàn)其自主化勢(shì)在必行。

通過(guò)對(duì)速度350 km／h高速動(dòng)車(chē)組制動(dòng)夾鉗單元進(jìn)行了深入研究，以速度350 km／h高速動(dòng)車(chē)組制動(dòng)系統(tǒng)的實(shí)際需求作為設(shè)計(jì)輸入，實(shí)現(xiàn)了具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的速度350 km／h高速動(dòng)車(chē)組制動(dòng)夾鉗單元的研制。試驗(yàn)驗(yàn)證也表明，制動(dòng)夾鉗單元各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均滿足技術(shù)要求。速度350 km／h高速動(dòng)車(chē)組制動(dòng)夾鉗單元的研制成功，有效降低制動(dòng)夾鉗單元運(yùn)營(yíng)成本，提高經(jīng)濟(jì)效益。

1 制動(dòng)夾鉗單元的性能要求

速度350 km／h高速動(dòng)車(chē)組制動(dòng)夾鉗單元由于速度高，對(duì)制動(dòng)夾鉗單元的性能提出了更高的要求。考慮我國(guó)的地域環(huán)境特點(diǎn)以及運(yùn)營(yíng)成本，速度350 km／h高速動(dòng)車(chē)組制動(dòng)夾鉗單元須具備以下條件：

（1）能夠滿足－40℃～＋40℃的環(huán)境要求。－40℃高寒環(huán)境對(duì)制動(dòng)夾鉗單元的靈活性、低溫調(diào)整性能、橡膠密封性以及結(jié)構(gòu)強(qiáng)度有顯著的影響。在其他制動(dòng)型式失效的情況下，基礎(chǔ)制動(dòng)裝置作為唯一的安全保障，必須保證制動(dòng)夾鉗單元在低溫下各項(xiàng)功能正常。

（2）帶停放制動(dòng)夾鉗單元，應(yīng)具有較大的停放制動(dòng)力。帶停放制動(dòng)夾鉗單元結(jié)構(gòu)復(fù)雜，采購(gòu)成本高，設(shè)計(jì)具有較大停放制動(dòng)力的帶停放制動(dòng)夾鉗單元，在滿足速度350 km／h高速動(dòng)車(chē)組一定坡道的停放需求時(shí)，可降低整列動(dòng)車(chē)組帶停放制動(dòng)夾鉗單元的數(shù)量，因而降低動(dòng)車(chē)組的采購(gòu)運(yùn)營(yíng)成本。

（3）具有單向間隙自動(dòng)調(diào)整功能，能夠補(bǔ)償制動(dòng)過(guò)程中閘片與制動(dòng)盤(pán)的磨耗。

（4）能靈活適應(yīng)速度350 km／h高速動(dòng)車(chē)組動(dòng)力車(chē)和非動(dòng)力車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)的性能要求。

2 速度350 km／h高速動(dòng)車(chē)組制動(dòng)夾鉗單元的配置

速度350 km／h高速動(dòng)車(chē)組，依據(jù)轉(zhuǎn)向架的安裝空間以及制動(dòng)系統(tǒng)對(duì)制動(dòng)夾鉗單元性能的具體要求，可以進(jìn)行靈活配置。以和諧號(hào)動(dòng)車(chē)組CRH3C型車(chē)為例，每根非動(dòng)力軸上安裝3套制動(dòng)夾鉗單元，其中軸的1位、3位安裝φ203 mm不帶停放制動(dòng)夾鉗單元，車(chē)軸的2位安裝φ203 mm帶停放制動(dòng)夾鉗單元。動(dòng)力軸上，因安裝有齒輪箱和電機(jī)牽引設(shè)備，安裝空間非常有限，同時(shí)為了保證制動(dòng)性能，每根軸上安裝兩個(gè)φ254 mm不帶停放制動(dòng)夾鉗單元。

3 制動(dòng)夾鉗單元的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

針對(duì)速度350 km／h高速動(dòng)車(chē)組制動(dòng)系統(tǒng)對(duì)制動(dòng)夾鉗單元性能的要求，自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的制動(dòng)夾鉗單元主要由制動(dòng)夾鉗和制動(dòng)缸兩部分組成。根據(jù)制動(dòng)系統(tǒng)的需求，速度350 km／h高速動(dòng)車(chē)組制動(dòng)夾鉗單元主要有3種型號(hào)，分別是：φ203 mm不帶停放制動(dòng)夾鉗單元、φ203 mm帶停放制動(dòng)夾鉗單元和φ254 mm不帶停放制動(dòng)夾鉗單元。制動(dòng)夾鉗單元的結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖1～圖3。制動(dòng)夾鉗單元的具體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)如3.1～3.4所述。

圖1 φ203 mm不帶停放制動(dòng)夾鉗單元

圖2 φ203 mm帶停放制動(dòng)夾鉗單元

圖3 φ254 mm不帶停放制動(dòng)夾鉗單元

3.1 單向間隙自動(dòng)調(diào)整機(jī)構(gòu)及作用行程A

在制動(dòng)夾鉗單元制動(dòng)缸內(nèi)部設(shè)計(jì)有間隙調(diào)整裝置，能夠自動(dòng)補(bǔ)償制動(dòng)盤(pán)和閘片在制動(dòng)過(guò)程中的磨耗。

制動(dòng)夾鉗單元簡(jiǎn)化模型見(jiàn)圖4所示。在高寒環(huán)境下（－40℃），下雪時(shí)及雪后列車(chē)運(yùn)行中卷起的積雪會(huì)將制動(dòng)盤(pán)、夾鉗、閘片以及轉(zhuǎn)向架包裹。不潔凈的積雪中會(huì)夾雜一些沙粒等硬質(zhì)粒子，混入閘片與制動(dòng)盤(pán)之間。列車(chē)制動(dòng)時(shí)進(jìn)而磨削了制動(dòng)盤(pán)，金屬磨屑與制動(dòng)盤(pán)相比，它的熱容量小得多，所以在制動(dòng)時(shí)這些小塊金屬溫度比制動(dòng)盤(pán)溫度高得多，在下雪天氣時(shí)，它們的冷卻速度比制動(dòng)盤(pán)快得多，因而硬度比制動(dòng)盤(pán)要高。金屬磨削被積雪包裹殘留在閘片表面或摩擦塊縫隙中，制動(dòng)摩擦?xí)r金屬就容易從較軟的制動(dòng)盤(pán)向較硬的小塊金屬轉(zhuǎn)移，促使金屬鑲嵌物長(zhǎng)大，使制動(dòng)盤(pán)產(chǎn)生環(huán)形異狀磨耗。金屬切屑堆積熔融在閘片與制動(dòng)盤(pán)之間，成為大塊金屬鑲嵌物，金屬鑲嵌物見(jiàn)圖5所示。

圖4 制動(dòng)夾鉗單元簡(jiǎn)化模型

圖5 閘片表面的金屬鑲嵌物

為了更好的適應(yīng)高寒環(huán)境下（－40℃）的上述運(yùn)用工況，對(duì)制動(dòng)缸設(shè)置大的作用行程A值，從而增大閘片與制動(dòng)盤(pán)的間隙，積雪中夾雜的一些沙粒等硬質(zhì)粒子能夠通過(guò)閘片與制動(dòng)盤(pán)的間隙，掉落到軌道上，有效防止硬質(zhì)粒子劃傷制動(dòng)盤(pán)（目前高寒環(huán)境下（－40℃）硬物劃傷制動(dòng)盤(pán)現(xiàn)象較多）。自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)制動(dòng)夾鉗單元能夠?qū)崿F(xiàn)閘片與制動(dòng)盤(pán)的雙側(cè)間隙3～6 mm。

另外此結(jié)構(gòu)單元制動(dòng)缸組裝方便，作用行程A由定位塊6和推筒支持套7的結(jié)構(gòu)尺寸保證，在制動(dòng)缸組裝完成后，無(wú)需調(diào)整作用行程A值，能夠?qū)崿F(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)更換波紋管14，無(wú)需重新對(duì)制動(dòng)缸進(jìn)行性能驗(yàn)證，方便現(xiàn)場(chǎng)檢修和維護(hù)。具體結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖6。

圖6 制動(dòng)缸結(jié)構(gòu)

3.2 實(shí)現(xiàn)較大的停放制動(dòng)力

帶停放制動(dòng)夾鉗單元，可同時(shí)實(shí)現(xiàn)施加停放制動(dòng)和常用制動(dòng)的功能。在實(shí)際使用中，對(duì)停放制動(dòng)力和常用制動(dòng)力的要求互相矛盾。實(shí)際中要求停放制動(dòng)力盡可能大，以盡量減小帶停放制動(dòng)夾鉗單元的數(shù)量，減小使用成本；同時(shí)要求常用制動(dòng)力適中，不應(yīng)太大，以防在運(yùn)行中車(chē)輛制動(dòng)時(shí)因超黏著導(dǎo)致擦輪。自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的制動(dòng)夾鉗單元，通過(guò)在制動(dòng)缸內(nèi)部設(shè)計(jì)停放制動(dòng)力獨(dú)立的楔塊放大機(jī)構(gòu)，放大彈簧力，從而保證帶停放制動(dòng)夾鉗單元具備較大的停放制動(dòng)力且不影響常用制動(dòng)功能，帶停放制動(dòng)缸結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖7。

3.3 φ203 mm和φ254 mm制動(dòng)缸

為滿足制動(dòng)系統(tǒng)性能的要求并適應(yīng)動(dòng)力車(chē)和非動(dòng)力車(chē)轉(zhuǎn)向架安裝空間，設(shè)計(jì)φ203 mm和φ254 mm兩種制動(dòng)缸，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)和作用原理完全相同，僅為了適應(yīng)制動(dòng)系統(tǒng)性能要求，將制動(dòng)缸的內(nèi)部活塞直徑設(shè)計(jì)為φ203 mm和φ254 mm。為適應(yīng)－40℃高寒環(huán)境的需求，在采用適應(yīng)高寒環(huán)境的橡膠、潤(rùn)滑脂以及金屬材料的同時(shí)，設(shè)計(jì)了波紋管保護(hù)閥，意在防止制動(dòng)缸在結(jié)冰時(shí)呼吸堵被封堵而導(dǎo)致的波紋管漲裂這一現(xiàn)象。波紋管保護(hù)閥能夠在呼吸堵被封堵時(shí)通過(guò)膨脹的壓力空氣自動(dòng)開(kāi)啟，此時(shí)制動(dòng)缸內(nèi)部與大氣連通，保障制動(dòng)缸正常動(dòng)作。φ203 mm和φ254 mm制動(dòng)缸見(jiàn)圖8和圖9。

圖7 帶停放制動(dòng)缸結(jié)構(gòu)

圖8 φ203 mm制動(dòng)缸結(jié)構(gòu)示意圖

圖9 φ254 mm制動(dòng)缸結(jié)構(gòu)示意圖

3.4 高寒結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的制動(dòng)夾鉗單元，在結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)時(shí)考慮－40℃的高寒環(huán)境運(yùn)用工況，在進(jìn)行制動(dòng)夾鉗部件的受力分析時(shí)，制動(dòng)缸的最大工作壓力600 k Pa，根據(jù)GB／T 21563－2008的要求，考慮垂向、橫向沖擊為5g，縱向沖擊都為3g，同時(shí)制動(dòng)夾鉗單元各部件考慮懸掛5 kg的冰雪工況。制動(dòng)夾鉗單元主要受力部分的應(yīng)力云圖見(jiàn)圖10～圖16。主要受力部件材料選用Q600－7，屈服強(qiáng)度為370 MPa，因此，由計(jì)算結(jié)果可以得出結(jié)構(gòu)部件滿足強(qiáng)度要求。

圖10 制動(dòng)杠桿有限元模型

圖11 制動(dòng)杠桿應(yīng)力云圖

圖12 吊架有限元模型

4 與進(jìn)口制動(dòng)夾鉗單元的性能對(duì)比

速度50 km／h自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的制動(dòng)夾鉗單元，業(yè)已完成例行出廠檢驗(yàn)、低溫試驗(yàn)、振動(dòng)試驗(yàn)、IP防護(hù)等級(jí)試驗(yàn)以及疲勞試驗(yàn)等相關(guān)試驗(yàn)，并在速度350 km／h動(dòng)車(chē)組上進(jìn)行裝車(chē)運(yùn)用。速度350 km／h自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的制動(dòng)夾鉗單元與目前動(dòng)車(chē)組上使用的進(jìn)口制動(dòng)夾鉗單元的主要性能對(duì)比見(jiàn)表1。

圖13 吊架應(yīng)力云圖

圖14 閘片托和吊桿有限元模型

圖15 閘片托應(yīng)力云圖

圖16 吊桿應(yīng)力云圖

5 結(jié) 論

計(jì)算及試驗(yàn)結(jié)果表明，速度350 km／h自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的制動(dòng)夾鉗單元，滿足－40℃～＋40℃時(shí)高速動(dòng)車(chē)組制動(dòng)系統(tǒng)對(duì)制動(dòng)夾鉗單元的性能要求。相關(guān)制動(dòng)夾鉗單元通過(guò)出廠驗(yàn)證、型式試驗(yàn)驗(yàn)證和疲勞試驗(yàn)驗(yàn)證，其性能符合設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。目前，已在速度350 km／h高速動(dòng)車(chē)組上進(jìn)行裝車(chē)運(yùn)用。

U290，91＋4

A

10.3969／j.issn.1008－7842.2016.06.01

1008－7842（2016）06－0001－04

*中國(guó)鐵路總公司科技研究技術(shù)開(kāi)發(fā)項(xiàng)目（2014J004－G）；中國(guó)鐵道科學(xué)研究院科技研究開(kāi)發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2014YJ046）

2—）男，助理研究員（

2016－06－18）