GCY-307重型軌道車制動裝置結構優化

丁 喬，張 飛，秦曉波，李海洋

（中國人民解放軍63607部隊）

0 引言

GCY-307重型軌道車是我單位管內鐵路設備維修、沿線生活物資發放的主要運輸工具，其制動系統的性能好壞直接關系軌道車運行安全。目前軌道車多使用摩擦制動方式，利用閘瓦與車輪踏面之間的摩擦力來產生制動力。實際運行過程遇到夜間行車、風沙埋道等緊急情況時，常出現機車不能在安全距離內停車、閘瓦磨損嚴重的問題，帶來一定的安全隱患。為縮短制動距離、提高該車的運行安全性，本文分析了現有基礎制動裝置的結構原理，提出了雙側制動改造方案，通過對兩種不同制動方式的制動力和制動距離對比，證明改進后的結構能夠有效提高制動性能。

1 現有制動裝置

1.1 制動原理

GCY-307重型軌道車制動裝置主要由空氣制動機和基礎制動裝置組成。空氣制動機以壓力空氣作為動力來源，通過一系列的傳遞和控制使風壓發生變化。基礎制動裝置主要由單側閘瓦和閘瓦間隙調整期組成，其基本作用是將壓力空氣作用到制動缸活塞上傳出的力，擴大適當倍數后傳遞給閘瓦，使閘瓦壓緊車輪踏面產生機械摩擦，將機車的動能轉變為熱能，從而產生制動力；緩解時則使閘瓦離開車輪踏面并保持6～8 mm間隙，防止閘瓦貼靠車輪磨耗或產生抱閘，其作用原理如圖1所示[1]。

圖1 基礎制動裝置原理

當機車實行制動時，壓縮空氣由總風缸進入制動缸，推動橫桿AB以C點為支點逆時針旋轉。B點又推動叉桿BD將力傳遞到豎桿DF上，使DF以E為支點逆時針旋轉，將D點的力傳到閘瓦間隙調節器FG、F點的力通過閘瓦壓到車輪上，使機車制動。

1.2 制動力的形成

制動工況時，列車依靠慣性惰行。施行制動時，制動缸中的空氣壓力通過基礎制動裝置的傳遞和放大，使得閘瓦以垂直壓力作用于車輪踏面，引起與車輪的反向摩擦力。該摩擦力為輪對內力，不能使車輪停止運動，但由于車輪與鋼軌的粘著狀態的存在，使得鋼軌產生了反作用力作用于車輪上，使車輪減速以至停止轉動，這才是真正阻礙列車運行的制動力。每塊閘瓦的制動力為：

其中ψK是閘瓦的踏面磨擦系數。上式說明在一定范圍內，制動力大小由K和ψK這兩個數值來決定[2]。

1.3 制動力的限制

對于GCY-307重型軌道車，制動力大小要受到輪軌間粘著力的限制，不能出現車輪被閘瓦抱緊而導致在軌面上滑行的情況，如圖2所示。

圖2 閘瓦制動力示意圖

設每軸作用在鋼軌上的垂直載荷為Q，輪軌件粘著系數為μZ，軸上的閘瓦總壓力為∑K，必須使得：

《鐵路技術管理規程》中用軸制動率δ來判別，其值通常在0.25～2之間。

2 結構設計優化

現有單側制動方式是在車輪一側配置一塊合成閘瓦，通過制動缸的控制來實施制動和緩解。其優點是閘瓦間隙可調，結構簡單、檢修方便，缺點是單側受力容易使得軸承發熱、閘瓦壽命短，同時由于閘瓦面積和壓強有限，機車載重和行駛速度也會受到一定限制。

增大制動力的方法有兩種，其一是通過改變各吊桿尺寸來增大制動倍率。要改變制動倍率，則各個吊桿長度都要進行改造，過程較為復雜且費時。其二可通過增加閘瓦與車輪間的摩擦系數來增大制動力。閘瓦壓力一定時，制動力的大小決定于摩擦系數的大小，要求閘瓦摩擦系數數值要高且穩定。摩擦系數與閘瓦接觸面積有關，閘瓦對車輪單位面積上的壓力越大，摩擦產生的熱量越多，閘瓦溫度升高使得接觸面變軟，降低了摩擦系數；反之則摩擦系數越大。

采用雙側閘瓦制動能增加閘瓦摩擦面積，減小單位面積壓力，制動時溫度較低，引起的閘瓦變形也變小，使閘瓦與車輪有較好的接觸狀態，提高了摩擦系數。且安裝過程也相對簡單，只需加裝與原來一樣的閘瓦即可實現[3]。管內0279軌道車就是采用雙側閘瓦制動，該車在運用過程中有效地解決了制動力不足的問題，運行安全性能良好。

圖3 雙側閘瓦制動示意圖

雙側制動裝置結構如圖3所示。機車實施制動時，壓縮空氣進入制動缸推動活塞桿伸出，制動杠桿BCD繞A點右移，首先在支點C處壓上車輪，待左側閘瓦壓緊后，制動杠桿開始繞支點C順時針轉動，制動拉桿DE左移，此時制動杠桿GFE繞支點G順時針轉動，右側閘瓦壓緊車輪。

3 制動力計算

（1）制動力的計算公式（3）所示。

式中∑K——一個輪對的閘瓦壓力；ψK——閘瓦磨擦系數。

（2）機車車輛單塊閘瓦壓力為：

式中d——制動缸內徑；pb——作用在制動缸活塞的空氣壓力（KPa）；nk——制動缸個數；γb——制動倍率；ηb——傳動效率；nb——閘瓦塊數。

（3）機車閘瓦的摩擦系數跟閘瓦具體材質有關，目前國內機車多以高磷鑄鐵閘瓦為主，其磨擦系數及計算公式如下[4]：

式中K——閘瓦壓力，v0——制動初始速度，v——制動運行速度。

本文僅對GCY-307重型軌道車單機運行時，當實施緊急制動和常規制動時，基礎制動裝置裝配單側閘瓦和雙側閘瓦時制動力的計算（計算過程中各量通過角標來表示，如K單緊表示單側閘瓦緊急制動時的閘瓦壓力，其他依此類推）。計算過程中所需的技術參數如表1所示。

表1 ZTY420牽引機車技術參數

查表，代入數值，計算結果見表2。

表2 ZTY420牽引機車制動力數據

可以看出，雙側制動時的制動力要大于單側制動25%左右。

4 制動距離計算

列車制動距離指施行制動開始到列車停車或達到所要求的速度為止所行走的全部距離，包括列車制動有效距離和制動空走距離。《技規》規定：列車以不超過120 km/h速度，在任何線路坡道上的緊急制動距離為800 m左右。為了利用貨物列車動能闖坡，在接近上坡道以前提高列車運行速度，可根據線路狀況適當延長制動距離，但最大不得超過1 100 m。我處鐵路線路軌道機車最高限速為70 km/h，在任何線路坡道上的非常制動距離為400 m左右，最大不得超過500 m。

制動閥手把置于制動位置后而列車并不能立即發生制動作用，在列車制動后未發生制動力的這一段時間，稱為制動空走時間（tK），制動空走時間內所走的距離稱為制動空走距離（SK）。在列車制動后產生制動力的一段距離，則稱為有效制動距離（Se）[5]。列車全制動距離（簡稱制動距離）以Sb表示，有：

（1）制動空走距離：

緊急制動時tK=（1.5+0.18n）（1-0.05ij）

常規制動時tK=（2.8+0.014rn）（1-0.01ij）

式中：

n——軌道車牽引車輛數；

r——列車管減壓量（kPa）；

ij——制動地點的加算坡道的坡度（‰）；

v0——制動初始速度（km/h）。

（2）有效制動距離：

式中：

v0——制動初始速度（km/h）；

vz——制動運行速度（km/h）；

θh——換算制動率；

ψhdx——距離等效換算磨擦系數（查表得值0.17）；

w0dx——距離等效列車惰行單位基本阻力。

表3是ZTY420牽引機車常規制動和緊急制動情況下的制動距離數據。

表3 ZTY420牽引機車制動距離數據

通過以上計算可知，機車制動系統由單側閘瓦改為雙側閘瓦，自閥手把在常用制動區減壓量在70 kPa時，單機制動距離由原來220 m縮短為186 m，自閥手把在非常制動位時，單機制動由原來的116 m縮短為98 m。機車制動力明顯增強，制動距離明顯縮短，且符合粘著定律，因而單側閘瓦改為雙側閘瓦是可行的，能夠有效提高機車運行安全性。

5 效果

上述措施改進前，每臺軌道車年均閘瓦消耗量在300塊左右，自2015年起如上述改進以后，閘瓦偏磨現象得到一定程度改善。統計數據顯示，2016年為264塊，2017年為272塊，2018年為268塊，說明采取的改進措施是切實可行的。