謝建平，陳治亞，楊坤，王玨

JDYZ-5緊湊型單元制動(dòng)器閘瓦偏磨分析及改進(jìn)措施

謝建平1，陳治亞1，楊坤2，王玨2

(1. 中南大學(xué) 交通運(yùn)輸工程學(xué)院，湖南 長沙 410075；2. 長沙市軌道交通運(yùn)營有限公司，湖南 長沙 410000)

基于單元制動(dòng)器閘瓦的結(jié)構(gòu)特性，結(jié)合閘瓦質(zhì)量評(píng)估、單元制動(dòng)器安裝座強(qiáng)度建模以及安裝位置測(cè)量等手段，對(duì)JDYZ-5緊湊型單元制動(dòng)器閘瓦偏磨原因進(jìn)行分析，通過制定改進(jìn)措施，檢驗(yàn)閘瓦偏磨的改善效果。研究發(fā)現(xiàn)：單元制動(dòng)器安裝座位置存在超差是造成閘瓦偏磨的主要原因，通過在單元制動(dòng)器和制動(dòng)缸座之間加調(diào)整墊片的方式，對(duì)超差進(jìn)行調(diào)整，可以有效改善閘瓦偏磨的現(xiàn)象，提高閘瓦的使用壽命。

單元制動(dòng)器；閘瓦偏磨；改進(jìn)措施

JDYZ-5緊湊型單元制動(dòng)器集成了空氣制動(dòng)和彈簧蓄能停放制動(dòng)的功能，它既為行車提供緊急制動(dòng)力，又可以蓄能提供停放制動(dòng)力。DGY470型軌道車主要擔(dān)當(dāng)牽引任務(wù)，使用次數(shù)多、制動(dòng)頻繁，加之地鐵線路情況復(fù)雜,導(dǎo)致閘瓦偏磨現(xiàn)象多發(fā)，而且多次更換閘瓦后依舊存在閘瓦偏磨包邊的情況，這將大大降低閘瓦和輪對(duì)的使用壽命，嚴(yán)重情況下會(huì)影響車輛的制動(dòng)性能，影響車輛運(yùn)行安全。國內(nèi)針對(duì)閘瓦偏磨現(xiàn)象開展了很多研究，取得了相對(duì)可觀的研究成果。王業(yè)鵬[1]針對(duì)DF7G型機(jī)車閘瓦偏磨問題進(jìn)行研究；劉小利[2]通過對(duì)東風(fēng)4機(jī)車閘瓦制動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)原理分析閘瓦偏磨的成因，并提出改進(jìn)措施；馮中立[3]從機(jī)構(gòu)學(xué)角度分析車輛工程轉(zhuǎn)向架制動(dòng)裝置閘瓦的偏磨問題；盧碧紅等[4]對(duì)閘瓦制動(dòng)單元的力學(xué)模型進(jìn)行理論分析，采用仿真技術(shù)RecurDyn理論[5]研究閘瓦偏磨及改善效果的問題，發(fā)現(xiàn)對(duì)稱性結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是閘瓦偏磨的主要原因；孫可心等[6]運(yùn)用解析法求得瞬時(shí)閘瓦上下壓力比與閘瓦上下端磨耗量的關(guān)系；羅迎等[7-8]通過磨損面積擴(kuò)散率針對(duì)閘瓦磨損壽命的影響進(jìn)行研究；上述研究主要集中在閘瓦的材料和設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，并未對(duì)實(shí)際應(yīng)用中的缺陷整改給出有效解決措施。為此，本文結(jié)合某地鐵實(shí)際情況，尋找閘瓦偏磨的成因，并提出控制措施，通過對(duì)比試驗(yàn)，檢驗(yàn)改造效果。

1 JDYZ-5緊湊型單元制動(dòng)器的結(jié)構(gòu)及安裝

JDYZ-5緊湊型單元制動(dòng)器是用于機(jī)車及車輛的基礎(chǔ)單元制動(dòng)裝置，主要由閘瓦及閘瓦托、間隙調(diào)整器、箱體組件以及制動(dòng)缸組件4部分組成，如圖1所示。

1—閘瓦及閘瓦托；2—閘瓦間隙調(diào)整器；3—箱體組件；4—制動(dòng)缸組件；5—彈簧蓄能停車制動(dòng)缸組件。

2 JDYZ-5緊湊型單元制動(dòng)器閘瓦偏磨主要成因分析

2.1 閘瓦幾何尺寸及材料分析

優(yōu)良的閘瓦產(chǎn)品需同時(shí)滿足強(qiáng)度、高能、耐磨和尺寸波動(dòng)小的要求。閘瓦偏磨主要分為上下偏磨、左右偏磨和內(nèi)外偏磨3種[9]。經(jīng)檢查DGY470型軌道車閘瓦偏磨均為左右偏磨，故考核不同批次相同型號(hào)的閘瓦寬度，可避免因制造而引起的尺寸偏差。現(xiàn)隨機(jī)抽取庫存中的不同批次相同型號(hào)的閘瓦與發(fā)生偏磨的閘瓦進(jìn)行寬度測(cè)量，1~3為偏磨閘瓦，4和5為隨機(jī)閘瓦，作為本次閘瓦幾何制造指標(biāo)考核。

表1 閘瓦寬度測(cè)量結(jié)果

從表1可以看出，5個(gè)閘瓦的總寬度誤差僅在0.2 mm以內(nèi)，尺寸基本一致，反映出閘瓦幾何制造尺寸偏差較小，由于閘瓦包邊的尺寸經(jīng)測(cè)量為2~6 mm，因此，推斷閘瓦偏磨并非閘瓦的制造尺寸問題造成。

閘瓦磨損是多種因素綜合作用的結(jié)果，閘瓦摩擦材料的性能也對(duì)閘瓦磨損有很大影響。該閘瓦選用高磷閘瓦，標(biāo)準(zhǔn)TB/T1661中要求其含磷量為2%~2.5%，平均靜摩擦因數(shù)為0.45。為排查閘瓦材料不合格因素的影響，對(duì)閘瓦材料參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果顯示其閘瓦含磷量達(dá)到2.45%，平均靜摩擦因數(shù)為0.45，達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求，排除材料不合格因素造成的閘瓦偏磨現(xiàn)象。

2.2 單元制動(dòng)器安裝座強(qiáng)度分析

單元制動(dòng)器垂直安裝在安裝座上，分析單元制動(dòng)器安裝座是否產(chǎn)生的變形從而引起閘瓦偏磨。為此，本文對(duì)單元制動(dòng)器強(qiáng)度進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，驗(yàn)證單元制動(dòng)器的強(qiáng)度。轉(zhuǎn)向架構(gòu)架采用低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼板，側(cè)梁中間設(shè)置有隔板，以保證側(cè)梁的抗彎抗扭能力。側(cè)梁端部有垂向減振器安裝座、橫梁上設(shè)有中心銷牽引裝置安裝座、單元制動(dòng)器安裝座等復(fù)雜結(jié)構(gòu)，但當(dāng)壓力加載時(shí)候，橫梁上復(fù)雜結(jié)構(gòu)變化情況不明顯，因此對(duì)計(jì)算模型進(jìn)行簡化，為保證計(jì)算相對(duì)準(zhǔn)確，進(jìn)行1:1數(shù)值仿真，掛質(zhì)量點(diǎn)進(jìn)行加載計(jì)算(單個(gè)75 kg)。對(duì)構(gòu)架計(jì)算模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格以四面體單元為主，網(wǎng)格單元大小為10 mm，在單元制動(dòng)器近壁面進(jìn)行密網(wǎng)格劃分，最小網(wǎng)格單元邊長為0.8 mm；網(wǎng)格單元數(shù)為394 740；節(jié)點(diǎn)數(shù)為736 924，網(wǎng)格信息及單元質(zhì)量如圖2所示。

圖2 網(wǎng)格劃分

為滿足車輛在35‰大坡道上的駐車要求，單元制動(dòng)器最大制動(dòng)倍率=4.5。單元制動(dòng)器制動(dòng)缸直徑=178 mm，單元制動(dòng)器制動(dòng)缸活塞面積= 0.024 885 m2，單元制動(dòng)器在緊急制動(dòng)時(shí)最大制動(dòng)壓力=450 kPa，制動(dòng)效率=0.9，對(duì)構(gòu)架約束及單元制動(dòng)器座板閘瓦壓力加載，閘瓦壓力=(·? 0.25)··?0.65(kN)=44 kN，壓力加載方向如圖3所示，為單元制動(dòng)器制動(dòng)時(shí)閘瓦對(duì)于輪對(duì)踏面的制動(dòng)力，即安裝座所承受的力。為車軸拉桿的約束力,包括軸箱拉桿節(jié)點(diǎn)，前后和左右相對(duì)的力的變化應(yīng)力結(jié)果如圖3所示，應(yīng)力主要出現(xiàn)在單元制動(dòng)器安裝底座與構(gòu)架主體的連接部位，應(yīng)力范圍在0.11~178.56 MPa之間，而本車的構(gòu)架材料為Q345 (16Mn)，TB1335評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)中的許用應(yīng)力為 183 MPa，實(shí)際測(cè)量的最大制動(dòng)壓力的反作用力作用下的最大應(yīng)力178.56 MPa小于評(píng)定值183 MPa，因此實(shí)際應(yīng)力在合理范圍以內(nèi)。

當(dāng)應(yīng)力加載后，安裝底座的應(yīng)變量主要發(fā)生在單元制動(dòng)器座板下方位置，單元制動(dòng)器座板在最大制動(dòng)壓力的反作用力作用下的最大應(yīng)變位移為0.296 mm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于閘瓦包邊的最小寬度2 mm，不會(huì)對(duì)單元制動(dòng)器的工作構(gòu)成影響，排除單元制動(dòng)器座板變形的可能性。

2.3 單元制動(dòng)器尺寸及安裝位置分析

單元制動(dòng)器采用橫向安裝方式，通過3顆螺栓固定在安裝座上，當(dāng)單元制動(dòng)器安裝位置發(fā)生偏移，將會(huì)導(dǎo)致閘瓦位置發(fā)生偏移從而引起偏磨，而單元制動(dòng)器安裝位置發(fā)生變化可能是由于單元制動(dòng)器安裝座尺寸制造偏差、單元制動(dòng)器安裝座尺寸偏差、單元制動(dòng)器與其安裝座的貼合面磨損引起[10?11]。

(a) 應(yīng)力結(jié)果；(b) 應(yīng)變結(jié)果

首先對(duì)單元制動(dòng)器安裝座尺寸偏差分析，單元制動(dòng)器安裝座的設(shè)計(jì)尺寸為22 mm，若其實(shí)際尺寸過大或過小，則將導(dǎo)致單元制動(dòng)器的位置發(fā)生變化，從而引起偏磨現(xiàn)象。為此對(duì)單元制動(dòng)器1~6的安裝底座尺寸進(jìn)行測(cè)量，如表2所示，6個(gè)安裝座的寬度與設(shè)計(jì)尺寸基本一致，誤差僅在0.4 mm以內(nèi)，不存在制造偏差，且遠(yuǎn)小于閘瓦包邊最小寬度2 mm，因此閘瓦偏磨并非安裝座的尺寸原因造成。

表2 安裝座尺寸

其次，在制動(dòng)過程中單元制動(dòng)器受到頻繁反作用力，長時(shí)間后可能導(dǎo)致單元制動(dòng)器晃動(dòng)與安裝座發(fā)生摩擦，當(dāng)應(yīng)力和摩擦力過于集中，則會(huì)對(duì)應(yīng)力集中的部位形成較大的磨損，使貼合面的薄弱部位快速嚴(yán)重磨損，導(dǎo)致單元制動(dòng)器的位置出現(xiàn)橫向外移。因此對(duì)單元制動(dòng)器與其安裝座的貼合面磨損情況進(jìn)行觀察，未發(fā)現(xiàn)嚴(yán)重磨損情況，故排除貼合面磨損導(dǎo)致偏磨的可能。

再次，對(duì)單元制動(dòng)器安裝座位置偏差進(jìn)行分析。若單元制動(dòng)器安裝座位置存在超差現(xiàn)象，例如當(dāng)安裝座位置向內(nèi)側(cè)偏移，將使整個(gè)制動(dòng)裝置向內(nèi)側(cè)偏移，使整個(gè)閘瓦與輪對(duì)踏面接觸位置發(fā)生變化，導(dǎo)致閘瓦出現(xiàn)偏磨現(xiàn)象。為驗(yàn)證是否存在超差現(xiàn)象，對(duì)4組同軸的2個(gè)單元制動(dòng)器安裝座位置進(jìn)行測(cè)量，通過2個(gè)安裝座之間的實(shí)際距離與設(shè)計(jì)值相比得出偏移量。左右2個(gè)單元制動(dòng)器設(shè)計(jì)距離為1 728 mm，而實(shí)際測(cè)量結(jié)果見表3。

表3 單元制動(dòng)器之間的實(shí)際距離

從表3可以看出，閘瓦1和閘瓦2對(duì)應(yīng)的第1組單元制動(dòng)器之間距離已經(jīng)超過設(shè)計(jì)尺寸12.2 mm，閘瓦3和閘瓦4對(duì)應(yīng)的第2組單元制動(dòng)器之間距離已經(jīng)超過設(shè)計(jì)尺寸6 mm，閘瓦5和閘瓦6對(duì)應(yīng)的第3組單元制動(dòng)器之間距離超過設(shè)計(jì)尺寸0.5 mm，閘瓦7和閘瓦8對(duì)應(yīng)的第4組單元制動(dòng)器之間距離與設(shè)計(jì)尺寸一致。為驗(yàn)證閘瓦包邊與2個(gè)單元制動(dòng)器安裝位置的關(guān)聯(lián)，對(duì)8個(gè)閘瓦包邊寬度同步做了測(cè)量，將結(jié)果與上表中的偏差值進(jìn)行對(duì)比，見表4。

表4 閘瓦包邊寬度

從表4可以看出，第1組單元制動(dòng)器安裝位置超差距離與閘瓦1和閘瓦2包邊總和數(shù)值基本一致，第2組、第3組、第4組安裝位置超差距離與對(duì)應(yīng)的2個(gè)閘瓦包邊寬度數(shù)值完全一致，因此，推斷單元制動(dòng)器安裝座位置超差是造成閘瓦偏磨的主要原因(見圖4)。

圖4 閘瓦偏磨圖

3 方案制定與結(jié)果分析

由于單元制動(dòng)器是通過3顆螺栓固定在安裝制動(dòng)缸座上的，可理解為3點(diǎn)接觸，而運(yùn)動(dòng)和力的傳遞是通過約束和接觸實(shí)現(xiàn)的[12]。為保證閘瓦與車輪接觸面力的傳遞不發(fā)生改變，通過對(duì)每顆螺栓處增加相同數(shù)量、相同厚度的墊片，使得單元制動(dòng)器的僅橫向位置發(fā)生變化，閘瓦發(fā)生橫向水平偏移，不改變閘瓦與車輪的受力接觸方向，因此閘瓦的受力將不會(huì)發(fā)生改變。從而保證增加墊片后單元制動(dòng)器及閘瓦的穩(wěn)定性。故對(duì)閘瓦包邊寬度在2~3 mm之間的，在單元制動(dòng)器和制動(dòng)缸座之間共加3個(gè)調(diào)整墊(每個(gè)固定螺栓處增加1個(gè))，每個(gè)墊片厚度3 mm，進(jìn)行調(diào)整并更換長螺栓進(jìn)行固定。閘瓦包邊寬度在5~6 mm之間的，在單元制動(dòng)器和制動(dòng)缸座之間共加6個(gè)調(diào)整墊(每個(gè)固定螺栓處增加2個(gè))每個(gè)墊片厚度3 mm，進(jìn)行調(diào)整并更換螺栓，如圖5所示。

內(nèi)燃機(jī)車上線運(yùn)行，并在3個(gè)月、6個(gè)月后均進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果顯示閘瓦均無偏磨包邊現(xiàn)象、單元制動(dòng)器無位置偏移現(xiàn)象、固定螺栓無松動(dòng)，因此驗(yàn)證了此前發(fā)生的閘瓦皮偏磨包邊是由單元制動(dòng)器安裝座位置存在超差引起，而通過在單元制動(dòng)器和制動(dòng)缸座之間加調(diào)整墊片的方式進(jìn)行調(diào)整，可以有效的改善閘瓦偏磨的現(xiàn)象(見圖6)。

圖5 調(diào)整墊片安裝圖

圖6 閘瓦整改前后

4 結(jié)論

1) 對(duì)閘瓦寬度幾何尺寸進(jìn)行詳細(xì)的闡述和測(cè)量比較，結(jié)果符合設(shè)計(jì)尺寸，因此，閘瓦幾何尺寸不是引起閘瓦偏磨包邊的因素。

2) 對(duì)單元制動(dòng)器安裝座強(qiáng)度采用數(shù)值模擬方法，驗(yàn)證單元制動(dòng)器的強(qiáng)度，結(jié)果顯示單元制動(dòng)器座板在最大制動(dòng)壓力的反作用力作用下的最大應(yīng)變位移為0.296 mm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于閘瓦包邊的最小寬度2 mm。

3) 基于安裝座尺寸無偏差，單元制動(dòng)器晃動(dòng)與安裝座無嚴(yán)重磨損，針對(duì)單元制動(dòng)器安裝座位置超差數(shù)值與閘瓦偏磨數(shù)值基本一致的情況，研究安裝底座位置超差與閘瓦偏磨的關(guān)系，通過在單元制動(dòng)器和制動(dòng)缸座之間加調(diào)整墊片進(jìn)行調(diào)整，有效地改善了閘瓦偏磨現(xiàn)象，從而驗(yàn)證了安裝底座位置超差是引起閘瓦偏磨的直接原因。

[1] 王業(yè)鵬. DF7G型機(jī)車閘瓦偏磨問題淺析[J]. 科技咨訊, 2014(5):18. WANG Yepeng. Analysis on deviation wear of brake shoe of DF7G Locomotives[J]. Science & Technology Information, 2014(5): 18.

[2] 劉小利. 東風(fēng)4型機(jī)車閘瓦偏磨的原因及改善措施[J].鐵道機(jī)車車輛, 2006, 26(5): 15. LIU Xiaoli. Fault reason analysis and improvement on DF4 locomotive brake shoe wearing[J]. Railway Locomotive & Car, 2006, 26(5): 15.

[3] 馮中立. C64K型貨車基礎(chǔ)制動(dòng)裝置傳動(dòng)規(guī)律研究[D].北京: 北京交通大學(xué), 2016.FENG Zhongli. Study on driving law of foundation brake device of C64K freight car[D]. Beijing: Beijing Jiaotong University, 2016.

[4] 盧碧紅, 朱建寧, 曲寶章, 等. 鐵路貨車閘瓦上下偏磨機(jī)理研究[J]. 大連交通大學(xué)學(xué)報(bào), 2018, 39(1): 56?60. LU Bihong, ZHU Jianning, QU Baozhang, et al. Research on eccentric wear improvement and simulation experiment of brake shoe in railway wagon[J]. Journal of Dalian Jiaotong University, 2018, 39(1): 56?60.

[5] LU Bihong, CHEN Xiaoyuan, QU Baozhang, et a1. Research on wheel—shoe wear for high friction composite brake shoes based foundation brake rigging in railway wagon[J]. Key Engineering Materials, 2015, 667: 530?535.

[6] 孫可心, 盧碧紅, 朱建寧, 等. 鐵路貨車閘瓦上下偏磨機(jī)理研究[J]. 大連交通大學(xué)學(xué)報(bào), 2018(1): 11.SUN Kexin, LU Bihong, ZHU Jianning, et al. Mechanism study of eccentric wear of brake shoe upper and lower end in railway wagon[J]. Journal of Dalian Jiaotong University, 2018(1): 11.

[7] 羅迎, 楊兆建. 磨損面積擴(kuò)散率對(duì)閘瓦磨損壽命的影響[J]. 機(jī)械設(shè)計(jì)與制造, 2018(11): 10?13. LUO Ying, YANG Zhaojian. Effect of wear area diffusion rate on braking-shoe wear[J].Life Machinery Design & Manufacture, 2018(11): 10?13.

[8] Straffelini G, Pellizzari M, Molinari A. Influence of load and temperature on the dry sliding behaviour of Al-based metal-matrix-composites against friction material[J]. Wear: An International Journal on the Science and Technology of Friction, Lubrication and Wear, 2004, 7/8(7/8): 754?763.

[9] 王剛強(qiáng). GK1C型機(jī)車閘瓦偏磨的原因分析及處理[J]. 鐵道機(jī)車與動(dòng)車, 2015(2): 45?46. WANG Gangqiang. Cause analysis and treatment of bias wear of GK1C locomotive brake shoe[J]. Railway Locomotive and Motor Car, 2015(2): 45?46.

[10] 劉啟宇. SS4機(jī)車單元制動(dòng)器閘瓦偏磨問題及解決辦法[J]. 科技創(chuàng)業(yè)家, 2012(21): 51?52. LIU Qiyu. Solutions to deviation wear of brake shoe of SS4 locomotive unit Brake[J]. Technological Pioneers, 2012(21): 51?52.

[11] 張騰. 東風(fēng)4DD型內(nèi)燃機(jī)車閘瓦偏磨問題淺析[J]. 散文百家(下), 2015(1): 169. ZHANG Teng. Preliminary analysis on partial wear of brake shoe of Dongfeng 4DD diesel locomotive[J]. Sanwen Baijia (II), 2015(1): 169.

[12] LU Bihong, ZHANG Yu, QU Baozhang, et al. Research on recurdyn based simulation method for the brake shoe eccentric wear in railway freight cars[J]. Key Engineering Materials, 2012, 522: 467?471.

Analysis and improvement measures of JDYZ-5 compact unit brake shoe

XIE Jianping1, CHEN Zhiya1, YANG Kun2, WANGjue2

(1. School of Traffic & Transportation Engineering, Central South University, Changsha 410075, China; 2. Changsha Metro Operation Co., Ltd, Changsha 410000, China)

Based on the structural characteristics of brake shoe of unit brake, combined with quality evaluation of brake shoe, strength modeling of brake pedestal and installation position measurement, the causes of eccentric wear of JDYZ-5 compact unit brake shoe were analyzed, and the improvement effect of eccentric wear of brake shoe was tested by formulating improvement measures. It is found that the overshoot in the installation seat of unit brake is the main cause of brake shoe eccentric wear. By adjusting the overshoot between unit brake and brake cylinder seat, the phenomenon of brake shoe eccentric wear can be effectively improved and the service life of brake shoe can be increased.

unit brake; partial wear of brake shoe; improvement measures

U270

A

1672 ? 7029(2019)09? 2312 ? 05

10.19713/j.cnki.43?1423/u.2019.09.024

2019?04?12

湖南省科技計(jì)劃項(xiàng)目(2011RS4062)

謝建平(1980?)，男，湖南邵陽人，博士研究生，從事地鐵車輛研究；E?mail：531285741@qq.com

(編輯 陽麗霞)