跨坐式單軌車輛用氣轉液制動夾鉗單元的研究*

王　振，韓曉輝，2，樊貴新，2, 李和平，2, 李繼山，2

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

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地鐵與輕軌

跨坐式單軌車輛用氣轉液制動夾鉗單元的研究*

王振1，韓曉輝1，2，樊貴新1，2, 李和平1，2, 李繼山1，2

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

從跨坐式單軌車輛轉向架特殊布置的結構特點出發，研究分析單軌車輛對基礎制動的要求，總結出單軌車輛采用氣體轉液壓的必然性。介紹了氣轉液制動夾鉗單元產品分類，并以帶停車制動的制動夾鉗單元為例，詳盡介紹制動夾鉗單元的結構特征和原理設計計算，并結合空氣轉液壓的增壓原理以及液壓執行機構對車輛的制動機理，深入的分析氣轉液制動夾鉗單元在運營過程中常用制動和停車制動等各項制動功能的實現過程。最后研究總結用于產品檢驗的關鍵試驗項目，為產品的質量控制提供參考。

跨坐式單軌車輛； 空氣轉液壓； 制動夾鉗單元

單軌交通是指城市中修建的采用電力牽引列車在一條軌道梁上運行的中運量軌道交通系統，根據車輛與軌道之間的位置關系，單軌交通又分為跨坐式單軌交通和懸掛式單軌交通。在國內重慶2號線、3號線以及深圳華僑城的觀光單軌都屬于跨坐式單軌交通，而德國烏帕塔、東京上野動物園運行的屬于懸掛式單軌交通。

單軌交通除了在軌道上與地鐵以及其他普通鐵路不同，單軌交通所使用的車輛以及作為車輛核心部件的轉向架結構差別也是非常大。由于轉向架的差異，造成用于車輛的制動部件也具有了不同于常用制動單元的獨特之處，將重點對跨坐式單軌交通車輛中使用的基礎制動夾鉗單元進行深入的研究和說明。

1　單軌用基礎制動單元

1.1氣壓轉液壓(氣轉液)夾鉗單元的需求

在常用的軌道交通的制動控制(低地板車除外)系統中，基礎制動中的夾鉗單元主要運用的是壓縮空氣推動活塞作用到制動盤上產生制動力，壓縮空氣的來源是通過車載的空氣壓縮機提供，而目前處于運行安全考慮，車載的空氣壓縮機能夠提供的最大空氣壓力約為0.9～1 MPa。跨坐式單軌車輛由于軌道采用的單條鋼筋混凝土梁軌道且無輪緣限位，所以設置了走行輪、導向輪和穩定輪，由于單軌車輛轉向架需要布置眾多的橡膠輪胎(如圖1所示)，再加上車輛的電機、齒輪箱、控制模塊、懸掛裝置以及管路，造成轉向架布置基礎制動夾鉗單元的空間非常有限，不能像普通地鐵車輛一樣每個軸上布置2個基礎制動夾鉗單元，而單軌車輛的基礎制動單元只能縮減成一軸一個基礎制動夾鉗單元。如此一來，在有限的空壓機提供的1 MPa壓縮空氣壓力下，目前常使用的純空氣基礎制動夾鉗單元將無法滿足單軌車輛制動性能的需求。針對上述轉向架的改變，基礎制動夾鉗單元必須能夠提供足夠高的壓力才能滿足車輛的制動需求，由于車載空壓機壓力上限的局限性，最后采取的方案是通過增壓機構將空氣壓力轉化成高壓液壓油輸出到制動夾鉗機構，實現車輛的停車制動的要求。

1-走行輪; 2-導向輪; 3-穩定輪。圖1　跨坐式單軌車輛轉向架模型圖

1.2結構介紹

由于車輛運營工況需求，氣轉液型制動夾鉗單元按照功能分為不帶停車制動氣轉液制動夾鉗單元和帶停車制動氣轉液制動夾鉗單元(見圖2)，兩者之間的區別在于帶停車制動夾鉗單元增加了停放制動缸和遠程手動緩解機構，用來滿足入庫停車和停車制動緩解的功能，其余結構基本一致。在單軌車輛中每輛車的一臺轉向架上(2軸)安裝2套帶停放制動夾鉗單元，另一臺轉向架安裝2套不帶停放制動夾鉗單元，就整車而言，帶停車的制動夾鉗單元和不帶停車的制動夾鉗單元各占一半，下面將重點介紹帶停車制動夾鉗單元。

圖2　氣轉液制動夾鉗單元

氣轉液制動夾鉗單元主要是由氣液轉化器、連接安裝座和閘片托3大部分組成(如圖3)，其中氣液轉化器將車輛空氣管路中輸入的低壓空氣壓力或者彈簧壓力經過增壓缸轉化成高壓液體油輸出到夾鉗的裝置，主要是由常用制動缸部分、停放制動缸部分以及手動遠程緩解部分組成；連接安裝座的主要功能一方面是將整個夾鉗制動單元固定到轉向架上，通過螺栓將夾鉗單元與轉向架連接，另一方面連接安裝座還是液壓缸內活塞作用行程的一部分，整個制動行程以及最大行程都是在連接安裝座運動；閘片托組成是制動力的輸出機構，高壓液壓油經過連接基座，到達制動夾鉗閘片托部分，并推動閘片托油缸內的活塞運動，進而帶動閘片運動，作用在制動盤上，實現對車輛的制動要求。

1-氣液轉化器; 2-連接安裝座; 3-閘片托。

1.3原理分析

從圖4可以看出，氣液轉化器部分是整個制動夾鉗的核心組成部分，主要是由常用制動部分(A區域)、停放制動部分(B區域)和手動遠程緩解和油缸區域(D區域)3部分組成，其中常用制動部分主要完成車輛行駛過程中的7級制動以及緊急制動過程；停放制動主要完成車輛的入庫停車或者突發緊急情況的停車制動；手動遠程緩解部分主要用于車輛施加停車制動后，車輛需要再次啟動進行的操作，一般用于車輛故障停車后需要將車輛拖走進行手動緩解的操作。在車輛運行過程中，需要3部分共同配合完成車輛在行駛過程中的各個制動狀態。

1-活塞桿; 2-復原簧; 3-常用制動活塞; 4-儲能大彈簧;5-彈簧制動活塞; 6-手動遠程緩解機構; 7-閘片托活塞; 8-閘片; 9-制動盤。圖4　各功能區域

1.4設計計算

1.4.1氣轉液增壓比

氣轉液制動夾鉗單元的核心部件-氣液轉化器，見圖4中的區域I部分，該部分的主要功能就是實現增壓比，將空油轉化器簡化力學模型如圖5，簡化模型兩端分別代表了空油轉化器的A區域(氣壓缸)和C區域(液壓缸)，其增壓比的計算如下：

圖5　氣液增壓原理示意圖

(1)

式(1)中i為增壓比；Sp為氣室活塞面積；SH為油室活塞有效面積。

增壓比類似于其他夾鉗單元的制動倍率，對制動夾鉗單元的輸出力的大小起到了決定作用，根據公式可知，在其他條件不變的情況下，空氣活塞面積越大，增壓比越大；液壓活塞面積越小，增壓比越大，反之則增壓比變小。在實際中，利用該公式調整制動夾鉗的輸出力，進而滿足整車的制動力要求。

1.4.2常用制動輸出力

根據制動夾鉗單元的結構原理，常用制動輸出力的計算主要是計算在特定的風壓下，通過作用在氣室活塞上的壓力克服復原彈簧力傳遞到增壓缸，將空氣壓力轉化成油壓，作用到閘片托油缸活塞上，最終作用到制動盤上形成制動力，由此可得，制動夾鉗單元制動輸出力計算如式(2)：

(2)

式(2)中FB為空氣制動力；PC為制動缸內空氣壓力；FS為復位彈簧力；SP為氣室活塞面積；i氣液增壓比；SO為閘片托油缸活塞面積；η為機構總效率。

在計算式(2)中，復位彈簧力FS為圖4中復原簧2阻止活塞運動的反作用力，閘片托油缸活塞面積SO為圖4中閘片托活塞7的有效作用面積，機構總效率η根據各零件摩擦阻力進行折算求得。通過上述計算可以確定產品各級制動級位下的制動輸出力。

需要說明的是制動力是滿足車輛的行駛中的各種制動性能的需求，對于制動夾鉗單元來講，設計計算要考慮車輛的極限工況，即車輛在最大質量(AW3)以及最大速度下計算所需的制動力夾鉗單元必須滿足使用要求。

1.4.3停放制動計算

停放制動的原理是將停放缸中的彈簧勢能在需要時，通過增壓機構作用于閘片托油缸活塞上能夠轉化成停放制動輸出力。可知停放缸輸出力計算如式(3)：

(3)

式(3)中FTC為停放制動輸出力；N為停放缸內儲能彈簧力；η1為停放制動總效率。

在計算式(3)中，停放缸內儲能彈簧力N為圖4中儲能大彈簧4推動彈簧制動活塞5作用于活塞桿1產生的推動作用力，通過C區域液壓缸作用到閘片托油缸活塞7上，最終推動閘片托產生停放制動輸出力，停放總效率η根據摩擦損耗進行折算求得。通過上述計算可以確定產品停放制動輸出力。

停放制動的用途主要是滿足車輛在坡道停車制動的需求，對于帶停放的制動夾鉗單元來講，設計計算主要考慮的是車輛在最大質量(AW3)、最大坡道上(60%)以及最大風速下計算所需的停車制動力需求，所以主要是驗證夾鉗單元的輸出力是否滿足整車停車制動力計算的要求。該結果的計算值要大于等于整車停放制動力計算即可，說明制動夾鉗單元能夠滿足車輛在極限條件下的停車制動性能的要求。

2　氣轉液夾鉗功能模式

2.1停放制動模式(見圖6)

車輛運營結束后，車輛入庫，電氣路系統關閉，總風管壓縮空氣壓力喪失，彈簧制動活塞 5在儲能大彈簧4的作用下，帶動活塞桿1向右運動，油口c被關閉，從而推動C區域的液壓油運動，然后作用到閘片托活塞7，最終帶動閘片8作用到制動盤9上，實現車輛的靜態制動。

圖6　常用制動處于緩解狀態，停放制動施加(車輛入庫停車狀態)

2.2停放緩解模式(見圖7)

車輛需要進行上線運營時，車輛電空系統啟動，空壓機開始運行，總風管的壓縮空氣通過進氣口b進入到停放制動缸中，然后推動彈簧制動活塞5向左運動，直至緩解到限位處，常用制動活塞3在緩解彈簧2的作用下帶動活塞桿1向左運動，這時油口c開啟，區域C液壓缸部分與油箱聯通，液壓油回流到油箱，隨著常用制動活塞3復原到位，閘片托活塞7帶動閘片8復原到位，停放制動徹底緩解，同時該過程還實現了彈簧缸的儲能和上車前的準備工作。

2.3運營制動模式(見圖8)

車輛在行駛過程中，車輛需要在進站的過程中施加常用制動，實現車輛的入站停車，具體過程如下：常用制動風管中的壓縮空氣在接到制動指令后，壓縮空氣通過進氣口a進入到常用制動缸A中，從而推動常用制動活塞 3向右運動，同時推動活塞桿 1向右運動，這時油口c關閉，液壓油在活塞桿1的作用下推動閘片托活塞7做出伸出動作，從而實現閘片8對制動盤9的制動作用，最終實現車輛的停車。

圖7　常用制動和停放制動均處于緩解狀態(行車狀態)

圖8　停放制動均處于緩解狀態，常用制動施加(車輛正常制動狀態)

2.4手動遠程緩解模式(見圖9)

車輛停放制動的遠程緩解功能主要應用于車輛發生突發的緊急情況后，車輛被拖走時進行的全列車的緩解，以及在日常的檢修過程中需要對車輛停放制動的局部緩解使用，具體的作用原理：車輛施加停放制動后，拉動手動遠程緩解機構6，該機構通過杠桿作用將油口d強制打開，區域C中的高壓液壓油通過油口d返回到液壓油箱D中，油壓被卸載，閘片8在閘片托活塞7的帶動下復原到緩解位置，這樣停放制動模式被徹底緩解。

圖9　常用制動緩解，停放制動處于手動緩解

2.5遠程緩解后常用制動施加模式(見圖10)

遠程緩解后施加常用制動的過程如下：常用制動風管中的壓縮空氣在接到制動指令后，壓縮空氣通過進氣口a進入到常用制動缸A中，從而推動常用制動活塞3向右運動，同時推動活塞桿1向右運動，這時油口c關閉，液壓油在活塞桿1的作用下推動閘片托活塞7做出伸出動作，從而實現閘片8對制動盤9的制動作用，最終實現車輛的停車。

圖10　停放手動緩解后常用制動進行施加

3　試驗研究

為了深入的研究氣轉液夾鉗單元的各項機械性能，根據車輛運營需求，我們進行了設計性的試驗，對氣轉液夾鉗單元的關鍵特性進行了研究并對數據進行了記錄，總結出氣轉液制動夾鉗單元主要關鍵性試驗有靈敏度試驗、靜態輸出力試驗(含效率)、制動行程試驗以及停放性能試驗。

3.1靈敏度試驗

靈敏度是指制動夾鉗單元能夠克服制動夾鉗單元自身內部各項阻力所需的最小空氣壓力，其試驗的實際意義在于車輛在一級制動低氣壓下，氣轉液制動夾鉗單元所產生的制動力是否能夠滿足車輛停車制動的需求。由于車輛在運營過程中高速階段采用電制動，制動夾鉗單元參與的多是低氣壓低速階段，所以制動夾鉗單元的靈敏度至關重要。為了驗證制動夾鉗單元的靈敏度，將從液壓壓力P、制動輸出力F以及閘片的位移量L3項參數綜合對夾鉗的靈敏度進行評價，試驗結果如表1。

表1　靈敏度數據記錄

考慮到在產品設計時，制動夾鉗單元的閘片與制動盤的間隙設計理論范圍為0.4～1.7 mm，所以制動夾鉗單元靈敏度必須滿足如下條件：①閘片位移量L≥1.7 mm；②輸出液壓P≥113 kPa，輸出力F≥0 kN；分析表1的P、F、L數據，滿足上述幾項參數的氣壓最小值即為靈敏度數值，綜合分析可以得出氣轉液制動夾鉗單元的靈敏度約在40 kPa。

3.2靜態輸出力試驗

靜態輸出力試驗是車輛制動非常關鍵的參數，主要是考察制動夾鉗單元在特定的空氣壓力下是否能夠輸出足夠的油壓壓力P和制動力F，這樣才能保證車輛的制動距離。該試驗先計算各級氣壓下理論的輸出油壓P和制動力F，并繪制成曲線，然后在相同的氣壓下進行實際的制動油壓和制動力試驗，記錄試驗數據并在表格上繪制成曲線，通過比較理論輸出油壓、制動力曲線與實際油壓、制動力曲線吻合度，確認制動夾鉗單元的性能是否滿足設計要求。

綜合分析圖11的制動油壓曲線和圖12的制動力曲線試驗數據可以看出，制動夾鉗單元在各級空氣壓力下，制動夾鉗單元的制動油壓曲線和制動力曲線與理論設計的油壓曲線和制動力曲線吻合度好，驗證出制動夾鉗單元滿足設計要求。

3.3制動行程試驗

制動行程試驗主要是考察制動夾鉗單元一次伸長量、一次調整量、緩解間隙以及總伸長量等各項參數，而這幾項參數在制動夾鉗單元的動態磨耗以及運營工況適當變化時的適應能力，對運營過程的安全起著非常重要的作用。具體體現是：緩解間隙的作用是保證制動夾鉗單元在緩解狀態下，制動盤與閘片之間有足夠的空間防止閘片產生磨耗；一次伸長量的作用是要求在一次極限的制動中能夠滿足閘片的最大磨耗，保證具有足夠的制動力；一次調整量的作用是要求在一次制動磨耗之后，夾鉗單元能在下次制動前調整到正常間隙。具體試驗數據如表2。

圖11　各級空氣壓力下油壓曲線(兩次試驗結果)

圖12　各級空氣壓力下制動輸出力曲線(兩次試驗結果)

表2　樣品氣轉液制動夾鉗單元試驗數據

根據車輛在運行中的工況條件，經過車輛的運行參數計算，對制動夾鉗單元的一次伸長量、一次調整量和緩解間隙進行了設計計算求得標準值。通過對樣品的相關參數的試驗驗證，證實產品的各項性能滿足設計要求。

3.4停放性能試驗

停放性能試驗主要是考察帶停放制動夾鉗單元的停放制動力和最小緩解壓力，停放制動力的作用前面已有說明，不再贅述；而最小緩解壓力主要考察在制動系統設計時要求保證在某一個氣壓下，所有的停放制動能夠緩解的能力，試驗數據如表3。

表3　停放性能試驗數據

停放制動力標準值經過計算車輛在最大坡道和最大風力下，車輛在AW3載重下條件下求得；而最小緩解壓力主要是經過計算停放制動輸出力在某一壓力下，能夠克服彈簧停車大彈簧的作用力以及各種零件產生摩擦阻力，緩解間隙恢復到正常間隙即0.4～1.7 mm時所需要的最小空氣壓力。通過表3實測數據可知，制動夾鉗單元的停放性能滿足設計要求。

4　結束語

氣轉液制動夾鉗單元作為適應跨坐式單軌車輛用獨特的基礎制動產品，該產品結構相對比較簡單，性能安全穩定，空氣轉液壓的增壓結構設計巧妙的解決了純空氣壓力不能滿足車輛制動要求的問題，同時也能夠滿足車輛在不同的運行工況下的對制動系統的各項要求，使車輛能夠安全運營。

[1]重慶市建設委員會.GB50458-2008跨坐式單軌交通設計規范[M].北京：中國建筑工業出版社，2009.

[2]劉紹勇.重慶跨坐式單軌車輛轉向架[J].現代城市軌道交通,2006,(1):5-9.

[3]仲建華.重慶跨坐式單軌交通[J].都市快軌交通,2004,17(5):17-22.

[4]李紅軍.長春輕軌車輛的液壓制動設計原理[J].城市軌道交通研究，2008，(5):57-59.

Research of Pneumatic-hydraulic Braking Clamp Unit Used in Straddle Type Monorail Vehicle

WANG Zhen1, HAN Xiaohui1，2, FAN Guixin1，2， LI Heping1,2, LI Jishan1,2

(1Brake Development Department, Beijing Zongheng Electro-Mechanical Technology Development Company, Beijing 100094, China;2Locomotive & Car Researoh Institute, China Acaderny of Railway Sciences, beijing 100081, China)

According to the special arrangement of urban monorail vehicle bogie, the author illustrated the necessity of pneumatic-hydraulic converter by analyzing the foundation braking requirement of monorail vehicle. In this paper pneumatic-hydraulic braking clamp unit product classification is introduced, and as an example, the structure characteristics and principle of design and calculation of the brake clamp unit with parking brake is illustrated in detail. Furthermore, combined with the pneumatic-hydraulic turbo principle and the vehicle's braking mechanism of hydraulic actuator, the realization process of braking by pneumatic-hydraulic braking clamp unit is analyzed in-depth such as common braking in operation, and parking braking. At last, the critical test items for the product inspection are studied and summarized, to provide reference for the quality control of products.

straddle type monorail vehicle; pneumatic-hydraulic; braking clamp unit

1008-7842 (2016) 01-0108-06

?，工程師，(

2015-08-13)

U239.5

Adoi:10.3969/j.issn.1008-7842.2016.01.28

*中國鐵路總公司科技研究技術開發項目(2014J004-G)；中國鐵道科學研究院開發計劃項目(2014YJ046)