350 km／h高速動車組制動夾鉗單元設計*

2016-02-02 03:10:29李業明

鐵道機車車輛 2016年6期

關鍵詞：設計

李業明

（1 中國鐵道科學研究院機車車輛研究所，北京100081；2 北京縱橫機電技術開發公司，北京100094）

綜合技術研究

350 km／h高速動車組制動夾鉗單元設計*

李業明1，2

（1 中國鐵道科學研究院機車車輛研究所，北京100081；2 北京縱橫機電技術開發公司，北京100094）

在其他制動型式失效的情況下，基礎制動裝置是唯一的安全保障，故其性能和功能直接影響到制動系統狀態。而制動夾鉗單元作為基礎制動裝置關鍵部件，對列車運行的安全性尤為重要。本文主要介紹國內首次裝車運用的速度350 km／h高速動車組自主知識產權制動夾鉗單元的設計研制及主要結構特點。

動車組；制動夾鉗單元；基礎制動裝置；制動缸

隨著列車提速及高速動車組的大量運用，保障列車安全的制動系統至關重要，高速動車組制動系統的自主研發工作刻不容緩。制動夾鉗單元作為制動系統的關鍵部件，其性能和功能直接影響到制動系統狀態。目前我國速度350 km／h高速動車組制動系統中采用的制動夾鉗單元基本是國外技術，增加了高鐵運營成本，實現其自主化勢在必行。

通過對速度350 km／h高速動車組制動夾鉗單元進行了深入研究，以速度350 km／h高速動車組制動系統的實際需求作為設計輸入，實現了具有完全自主知識產權的速度350 km／h高速動車組制動夾鉗單元的研制。試驗驗證也表明，制動夾鉗單元各項技術指標均滿足技術要求。速度350 km／h高速動車組制動夾鉗單元的研制成功，有效降低制動夾鉗單元運營成本，提高經濟效益。

1 制動夾鉗單元的性能要求

速度350 km／h高速動車組制動夾鉗單元由于速度高，對制動夾鉗單元的性能提出了更高的要求。考慮我國的地域環境特點以及運營成本，速度350 km／h高速動車組制動夾鉗單元須具備以下條件：

（1）能夠滿足－40℃～＋40℃的環境要求。－40℃高寒環境對制動夾鉗單元的靈活性、低溫調整性能、橡膠密封性以及結構強度有顯著的影響。在其他制動型式失效的情況下，基礎制動裝置作為唯一的安全保障，必須保證制動夾鉗單元在低溫下各項功能正常。

（2）帶停放制動夾鉗單元，應具有較大的停放制動力。帶停放制動夾鉗單元結構復雜，采購成本高，設計具有較大停放制動力的帶停放制動夾鉗單元，在滿足速度350 km／h高速動車組一定坡道的停放需求時，可降低整列動車組帶停放制動夾鉗單元的數量，因而降低動車組的采購運營成本。

（3）具有單向間隙自動調整功能，能夠補償制動過程中閘片與制動盤的磨耗。

（4）能靈活適應速度350 km／h高速動車組動力車和非動力車制動系統的性能要求。

2 速度350 km／h高速動車組制動夾鉗單元的配置

速度350 km／h高速動車組，依據轉向架的安裝空間以及制動系統對制動夾鉗單元性能的具體要求，可以進行靈活配置。以和諧號動車組CRH3C型車為例，每根非動力軸上安裝3套制動夾鉗單元，其中軸的1位、3位安裝φ203 mm不帶停放制動夾鉗單元，車軸的2位安裝φ203 mm帶停放制動夾鉗單元。動力軸上，因安裝有齒輪箱和電機牽引設備，安裝空間非常有限，同時為了保證制動性能，每根軸上安裝兩個φ254 mm不帶停放制動夾鉗單元。

3 制動夾鉗單元的結構設計

針對速度350 km／h高速動車組制動系統對制動夾鉗單元性能的要求，自主知識產權的制動夾鉗單元主要由制動夾鉗和制動缸兩部分組成。根據制動系統的需求，速度350 km／h高速動車組制動夾鉗單元主要有3種型號，分別是：φ203 mm不帶停放制動夾鉗單元、φ203 mm帶停放制動夾鉗單元和φ254 mm不帶停放制動夾鉗單元。制動夾鉗單元的結構示意圖見圖1～圖3。制動夾鉗單元的具體結構特點如3.1～3.4所述。

圖1 φ203 mm不帶停放制動夾鉗單元

圖2 φ203 mm帶停放制動夾鉗單元

圖3 φ254 mm不帶停放制動夾鉗單元

3.1 單向間隙自動調整機構及作用行程A

在制動夾鉗單元制動缸內部設計有間隙調整裝置，能夠自動補償制動盤和閘片在制動過程中的磨耗。

制動夾鉗單元簡化模型見圖4所示。在高寒環境下（－40℃），下雪時及雪后列車運行中卷起的積雪會將制動盤、夾鉗、閘片以及轉向架包裹。不潔凈的積雪中會夾雜一些沙粒等硬質粒子，混入閘片與制動盤之間。列車制動時進而磨削了制動盤，金屬磨屑與制動盤相比，它的熱容量小得多，所以在制動時這些小塊金屬溫度比制動盤溫度高得多，在下雪天氣時，它們的冷卻速度比制動盤快得多，因而硬度比制動盤要高。金屬磨削被積雪包裹殘留在閘片表面或摩擦塊縫隙中，制動摩擦時金屬就容易從較軟的制動盤向較硬的小塊金屬轉移，促使金屬鑲嵌物長大，使制動盤產生環形異狀磨耗。金屬切屑堆積熔融在閘片與制動盤之間，成為大塊金屬鑲嵌物，金屬鑲嵌物見圖5所示。

圖4 制動夾鉗單元簡化模型

圖5 閘片表面的金屬鑲嵌物

為了更好的適應高寒環境下（－40℃）的上述運用工況，對制動缸設置大的作用行程A值，從而增大閘片與制動盤的間隙，積雪中夾雜的一些沙粒等硬質粒子能夠通過閘片與制動盤的間隙，掉落到軌道上，有效防止硬質粒子劃傷制動盤（目前高寒環境下（－40℃）硬物劃傷制動盤現象較多）。自主知識產權制動夾鉗單元能夠實現閘片與制動盤的雙側間隙3～6 mm。

另外此結構單元制動缸組裝方便，作用行程A由定位塊6和推筒支持套7的結構尺寸保證，在制動缸組裝完成后，無需調整作用行程A值，能夠實現現場更換波紋管14，無需重新對制動缸進行性能驗證，方便現場檢修和維護。具體結構見圖6。

圖6 制動缸結構

3.2 實現較大的停放制動力

帶停放制動夾鉗單元，可同時實現施加停放制動和常用制動的功能。在實際使用中，對停放制動力和常用制動力的要求互相矛盾。實際中要求停放制動力盡可能大，以盡量減小帶停放制動夾鉗單元的數量，減小使用成本；同時要求常用制動力適中，不應太大，以防在運行中車輛制動時因超黏著導致擦輪。自主知識產權的制動夾鉗單元，通過在制動缸內部設計停放制動力獨立的楔塊放大機構，放大彈簧力，從而保證帶停放制動夾鉗單元具備較大的停放制動力且不影響常用制動功能，帶停放制動缸結構見圖7。

3.3 φ203 mm和φ254 mm制動缸

為滿足制動系統性能的要求并適應動力車和非動力車轉向架安裝空間，設計φ203 mm和φ254 mm兩種制動缸，其內部結構和作用原理完全相同，僅為了適應制動系統性能要求，將制動缸的內部活塞直徑設計為φ203 mm和φ254 mm。為適應－40℃高寒環境的需求，在采用適應高寒環境的橡膠、潤滑脂以及金屬材料的同時，設計了波紋管保護閥，意在防止制動缸在結冰時呼吸堵被封堵而導致的波紋管漲裂這一現象。波紋管保護閥能夠在呼吸堵被封堵時通過膨脹的壓力空氣自動開啟，此時制動缸內部與大氣連通，保障制動缸正常動作。φ203 mm和φ254 mm制動缸見圖8和圖9。

圖7 帶停放制動缸結構

圖8 φ203 mm制動缸結構示意圖

圖9 φ254 mm制動缸結構示意圖

3.4 高寒結構設計

自主知識產權的制動夾鉗單元，在結構強度設計時考慮－40℃的高寒環境運用工況，在進行制動夾鉗部件的受力分析時，制動缸的最大工作壓力600 k Pa，根據GB／T 21563－2008的要求，考慮垂向、橫向沖擊為5g，縱向沖擊都為3g，同時制動夾鉗單元各部件考慮懸掛5 kg的冰雪工況。制動夾鉗單元主要受力部分的應力云圖見圖10～圖16。主要受力部件材料選用Q600－7，屈服強度為370 MPa，因此，由計算結果可以得出結構部件滿足強度要求。