中低速磁浮車輛制動(dòng)夾鉗單元 設(shè)計(jì)研究

徐少亭 孔德鵬 王震 刁有彬 黃士偉

摘 要：中低速磁浮車輛因其具有的懸浮特性，其機(jī)械制動(dòng)形式與一般的城市軌道交通車輛不同。文章介紹 2 種國內(nèi)中低速磁浮車輛用制動(dòng)夾鉗單元的結(jié)構(gòu)和工作原理，并根據(jù)中低速磁浮車輛的特點(diǎn)及使用工況，對制動(dòng)夾鉗單元在運(yùn)用過程中可能存在的風(fēng)險(xiǎn)及原因進(jìn)行分析，從而提出制動(dòng)夾鉗單元的設(shè)計(jì)建議，為制動(dòng)夾鉗單元的設(shè)計(jì)與制造提供參考。

關(guān)鍵詞：城市軌道交通;中低速磁浮車輛;制動(dòng)夾鉗單元;設(shè)計(jì)研究

中圖分類號(hào)：U237

中低速磁浮交通采用常導(dǎo)電磁懸浮技術(shù)實(shí)現(xiàn)懸浮導(dǎo)向，通過直線感應(yīng)電機(jī)實(shí)現(xiàn)牽引和電制動(dòng)，最高運(yùn)行速度為120km/h。相對于地鐵車輛，中低速磁浮車輛具有轉(zhuǎn)彎半徑小、爬坡能力強(qiáng)、舒適平穩(wěn)、安全（不會(huì)脫軌）等優(yōu)勢。目前國內(nèi)已開通載客運(yùn)營的中低速磁浮線只有北京中低速磁浮交通示范線（S1線）和長沙磁浮快線2條線路，其磁浮車輛采用不同結(jié)構(gòu)的液壓制動(dòng)夾鉗單元。與機(jī)械制動(dòng)采用踏面制動(dòng)或盤形制動(dòng)形式的輪軌式軌道交通車輛不同，中低速磁浮車輛的機(jī)械制動(dòng)采用閘片夾緊軌道的形式施加摩擦制動(dòng)，兩者的摩擦副形式差異較大，同時(shí)制動(dòng)夾鉗單元的運(yùn)用工況和使用環(huán)境發(fā)生較大變化，因此故障模式和風(fēng)險(xiǎn)也不同，制動(dòng)夾鉗單元設(shè)計(jì)時(shí)的關(guān)注點(diǎn)也會(huì)有所不同。

1 基本結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 基本結(jié)構(gòu)

目前，北京S1線磁浮車輛采用的制動(dòng)夾鉗單元為杠桿式，采用單油缸提供壓力，而長沙磁浮快線車輛采用直推式，由雙油缸提供壓力，這2種制動(dòng)夾鉗單元均采用單向充油的制動(dòng)油缸。2種制動(dòng)夾鉗單元的結(jié)構(gòu)分別如圖1和圖2所示，主要由制動(dòng)杠桿、制動(dòng)油缸、拉桿、支撐座、閘片托、傳力桿、閘片等部件組成。

2種制動(dòng)夾鉗單元均為浮動(dòng)式結(jié)構(gòu)，內(nèi)側(cè)制動(dòng)杠桿和外側(cè)制動(dòng)杠桿由穿過支撐座的拉桿相連，制動(dòng)夾鉗單元整體懸掛安裝在車輛構(gòu)架上。制動(dòng)油缸產(chǎn)生的推力使閘片壓緊F型鋼軌（簡稱“F軌”）的制動(dòng)面，傳力桿可將閘片與F軌摩擦產(chǎn)生的制動(dòng)力傳遞至車輛構(gòu)架上。

雖然2種制動(dòng)夾鉗單元的結(jié)構(gòu)差異較大，但其零部件實(shí)現(xiàn)的功能基本相同。杠桿式制動(dòng)夾鉗單元各零部件之間主要通過銷軸連接，閘片托與制動(dòng)杠桿通過銷軸連接;直推式制動(dòng)夾鉗單元各零部件之間主要通過螺紋連接，閘片托與制動(dòng)杠桿通過燕尾槽滑動(dòng)配合，與制動(dòng)油缸的活塞桿采用固定連接。

1.2 工作原理

1.2.1 杠桿式制動(dòng)夾鉗單元工作原理

杠桿式制動(dòng)夾鉗單元的制動(dòng)油缸位于底部，制動(dòng)油缸充油后活塞桿伸長，活塞桿推動(dòng)內(nèi)、外側(cè)制動(dòng)杠桿同時(shí)動(dòng)作并向外擴(kuò)張，內(nèi)、外側(cè)制動(dòng)杠桿同時(shí)繞其與拉桿鉸接的銷軸轉(zhuǎn)動(dòng)，并推動(dòng)閘片托運(yùn)動(dòng)，使閘片壓緊F軌。該動(dòng)作過程中，油壓轉(zhuǎn)換成制動(dòng)油缸的活塞桿推力，通過內(nèi)、外側(cè)制動(dòng)杠桿傳遞并放大形成閘片壓力，使閘片與F軌之間產(chǎn)生摩擦力，即制動(dòng)力。

1.2.2直推式制動(dòng)夾鉗單元工作原理

直推式制動(dòng)夾鉗單元的制動(dòng)油缸位于頂部外側(cè)，與主動(dòng)杠桿集成一體。制動(dòng)油缸充油后活塞桿伸長，使外側(cè)閘片先貼靠F軌，同時(shí)主動(dòng)杠桿繞其底部與連接桿鉸接的銷軸轉(zhuǎn)動(dòng);當(dāng)外側(cè)閘片貼合F軌后，隨著活塞桿繼續(xù)伸長，主動(dòng)杠桿通過拉桿拖動(dòng)從動(dòng)杠桿向外運(yùn)動(dòng)，即帶動(dòng)內(nèi)側(cè)閘片貼靠F軌，兩側(cè)閘片均壓緊F軌后產(chǎn)生摩擦力，即制動(dòng)力。

2 設(shè)計(jì)建議

根據(jù)中低速磁浮車輛的運(yùn)用工況以及制動(dòng)夾鉗單元的特點(diǎn)，分析制動(dòng)夾鉗單元在運(yùn)用過程中可能存在的問題，并對其設(shè)計(jì)提出針對性的建議。

2.1 制動(dòng)油缸滲漏及設(shè)計(jì)建議

制動(dòng)油缸為車輛提供液壓動(dòng)力，若制動(dòng)油缸發(fā)生泄漏，容易造成缸爬行、研傷、環(huán)境污染以及不安全隱患等問題，因此其密封性能對制動(dòng)力影響較大。分析認(rèn)為，影響制動(dòng)油缸密封性能的因素主要有密封方案及零部件質(zhì)量控制、密封圈運(yùn)動(dòng)導(dǎo)向性、防護(hù)性能和液壓油清潔度。

2.1.1 密封方案及零部件質(zhì)量控制

制動(dòng)油缸工作時(shí)，隨著密封圈的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，部分液壓油以油膜的形式從充油腔逐漸積累至無油腔，從活塞桿端或換氣裝置處外滲。

制動(dòng)油缸設(shè)計(jì)時(shí)需考慮增加輔助密封圈。在選擇主、輔密封結(jié)構(gòu)時(shí)，建議主密封圈選擇類似U形圈等密封唇口可反向回流的密封件，保證滲漏至主、輔密封圈之間的液壓油可順利返回充油腔，避免在其之間形成中間壓力。制動(dòng)油缸設(shè)計(jì)時(shí)還需綜合考慮外部環(huán)境、工作壓力、工作行程、油缸尺寸、動(dòng)作速度等因素，選擇活塞密封或活塞桿密封的形式，同時(shí)需對密封圈配合的溝槽結(jié)構(gòu)尺寸以及缸體內(nèi)壁的尺寸、粗糙度、圓柱度、硬度等項(xiàng)點(diǎn)進(jìn)行嚴(yán)格控制。

2.1.2 密封圈運(yùn)動(dòng)導(dǎo)向性

車輛制動(dòng)時(shí)，閘片與F軌摩擦產(chǎn)生制動(dòng)力，閘片與閘片托之間存在較大的正壓力，閘片受摩擦力后會(huì)使閘片托產(chǎn)生沿F軌方向的摩擦力和微小的位移量（傳力桿與閘片托連接，會(huì)限制閘片托的運(yùn)動(dòng)位移量），此位移量對制動(dòng)油缸的密封性能可能產(chǎn)生較大的影響。直推式制動(dòng)夾鉗單元的閘片托與制動(dòng)油缸活塞桿直接固定連接，密封圈會(huì)受到側(cè)向力，從而導(dǎo)致密封圈圓周方向受力不均，使密封圈單側(cè)磨損，增大了滲漏的風(fēng)險(xiǎn)。杠桿式制動(dòng)夾鉗單元的閘片托與杠桿通過銷軸連接，杠桿受側(cè)向力帶動(dòng)拉桿擠壓支撐座內(nèi)的彈簧，使制動(dòng)夾鉗單元整體微傾斜，但不會(huì)將側(cè)向力傳遞至制動(dòng)油缸的活塞桿。

制動(dòng)油缸設(shè)計(jì)時(shí)，建議在活塞桿工作行程內(nèi)間隔設(shè)計(jì)至少2個(gè)導(dǎo)向耐磨環(huán)，為密封圈的運(yùn)動(dòng)提供良好的支撐，避免密封圈受力不均勻。

2.1.3 防護(hù)性能

制動(dòng)油缸距離閘片較近，閘片磨損產(chǎn)生的磨屑會(huì)積落在制動(dòng)油缸上，車輛運(yùn)用環(huán)境中的灰塵、雨水等也會(huì)積落在其上，這些異物進(jìn)入制動(dòng)油缸會(huì)磨損密封圈和缸體內(nèi)壁，從而造成滲油故障。

制動(dòng)油缸設(shè)計(jì)時(shí)，需重點(diǎn)考慮防塵、防水結(jié)構(gòu)，將換氣裝置置于相對隱蔽的部位，且換氣通道采用曲折結(jié)構(gòu)，既能確保制動(dòng)油缸的無油腔與大氣換氣順暢，又能保證灰塵、雨水等雜質(zhì)不能進(jìn)入制動(dòng)油缸內(nèi)部;建議制動(dòng)油缸的防塵、防水性能滿足GB/T 4208-2017/IEC 60529：2013《外殼防護(hù)等級(jí)（P代碼）》標(biāo)準(zhǔn)中的IP65S等級(jí)要求。

2.1.4 液壓油清潔度

隨著制動(dòng)次數(shù)的增加及液壓系統(tǒng)中零部件的磨損，液壓油的清潔度會(huì)逐漸下降，從而影響制動(dòng)油缸的密封性能。

根據(jù)中低速磁浮車輛運(yùn)用工況，建議每年更換1次液壓油（可根據(jù)實(shí)際運(yùn)營里程和液壓油狀態(tài)適當(dāng)延長），儲(chǔ)油容器需設(shè)置合理的過濾裝置及防護(hù)措施，避免注油過程或車輛運(yùn)用過程中雜質(zhì)進(jìn)入液壓油，建議新加注的液壓油清潔度等級(jí)不低于GB/T 14039-2002《液壓傳動(dòng) 油液 固體顆粒污染等級(jí)代號(hào)》標(biāo)準(zhǔn)中的15/12級(jí)。

2.2 閘片偏磨及設(shè)計(jì)建議

F軌內(nèi)、外側(cè)的制動(dòng)面與垂面設(shè)有7°夾角，閘片與F軌制動(dòng)面摩擦產(chǎn)生制動(dòng)力。理論上，制動(dòng)夾鉗單元處于緩解狀態(tài)時(shí)，閘片摩擦面應(yīng)與F軌制動(dòng)面平行。

2.2.1 杠桿式制動(dòng)夾鉗單元

閘片托與杠桿和傳力桿均通過銷軸連接，傳力桿的另一端與車體安裝座也通過銷軸連接，兩端的連接銷軸與銷孔之間均存在間隙，且傳力桿與車體安裝座的安裝槽存在垂向間隙，因此制動(dòng)夾鉗單元在緩解狀態(tài)時(shí)，閘片在重力作用下向下轉(zhuǎn)動(dòng)呈現(xiàn)“低頭”狀態(tài)，傳力桿無法約束閘片摩擦面，使其與F軌制動(dòng)面完全平行。閘片以“低頭”狀態(tài)貼靠F軌時(shí)，閘片摩擦面與F軌制動(dòng)面始終保持一個(gè)微小的夾角，因而閘片上側(cè)先與F軌接觸，造成初始偏磨。在閘片壓力建立后，閘片逐步與F軌完全貼合，隨著磨耗的加劇，偏磨趨勢逐步增大。

2.2.2 直推式制動(dòng)夾鉗單元

主動(dòng)杠桿和從動(dòng)杠桿繞其與連接桿鉸接的銷軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，閘片與F軌制動(dòng)面也會(huì)產(chǎn)生微小的夾角，兩者不再平行，尤其是主動(dòng)杠桿較從動(dòng)杠桿擺動(dòng)角度大，外側(cè)閘片與F軌制動(dòng)面的夾角更大。隨著閘片的磨耗，兩側(cè)制動(dòng)杠桿的擺動(dòng)量加大，夾角也會(huì)逐步增大。閘片在貼合F軌制動(dòng)面時(shí)，閘片上側(cè)先與F軌接觸，從而造成初始偏磨，隨著磨耗的加劇，偏磨趨勢逐步增大。

制動(dòng)夾鉗單元設(shè)計(jì)時(shí)，需合理設(shè)計(jì)傳力桿兩端的安裝接口結(jié)構(gòu)，盡量減小接口尺寸的公差范圍，確保傳力桿只能垂向和橫向擺動(dòng)而不能轉(zhuǎn)動(dòng)。制動(dòng)夾鉗單元隨車輛懸浮和降落時(shí)垂向發(fā)生位移變化，閘片托將帶動(dòng)傳力桿垂向擺動(dòng);在閘片貼合F軌的過程中，閘片托會(huì)帶動(dòng)傳力桿橫向擺動(dòng)，但由于傳力桿的接口結(jié)構(gòu)限制，傳力桿在橫向擺動(dòng)過程中無法轉(zhuǎn)動(dòng)，因此保證了閘片不會(huì)偏轉(zhuǎn)，閘片與F軌制動(dòng)面保持平行，從而消除閘片的偏磨風(fēng)險(xiǎn)或減輕偏磨程度。

2.3 閘片磨損快及設(shè)計(jì)建議

中低速磁浮車輛采用閘片與F軌線性摩擦的機(jī)械制動(dòng)形式，因此制動(dòng)時(shí)閘片與F軌為間斷摩擦。車輛在正常運(yùn)營進(jìn)站時(shí)的一次制動(dòng)過程中，由于機(jī)械制動(dòng)距離較短，F(xiàn)軌制動(dòng)面同一位置最多與先后2片閘片發(fā)生摩擦，因此制動(dòng)過程中閘片與F軌摩擦產(chǎn)生的熱量不易積聚，對閘片和F軌的熱負(fù)荷要求較低。造成閘片磨損快即影響閘片使用壽命的因素主要有閘片摩擦體材料、摩擦副匹配、F軌制動(dòng)面狀態(tài)和閘片摩擦體體積等。

2.3.1 閘片摩擦體材料

閘片摩擦體的材料及配方會(huì)直接影響閘片的使用壽命，根據(jù)城市軌道交通車輛的運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)可知，在使用工況相同的前提下，建議選用銅基粉末冶金材料，因其具有良好的導(dǎo)熱性、耐蝕性、耐磨性和高溫力學(xué)性能。具體配方需根據(jù)實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證，因閘片與F軌的熱負(fù)荷小，從經(jīng)濟(jì)角度考慮，無須選擇成本較高的碳陶等材料的閘片。

2.3.2 摩擦副匹配

中低速磁浮車輛的F軌采用Q235冷軋成型，相對車輪踏面及制動(dòng)盤，Q235材料的硬度較低，且在盤形制動(dòng)中無應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)。建議通過模擬1 ： 1臺(tái)架試驗(yàn)充分研究Q235材質(zhì)與閘片匹配的摩擦磨損性能，既需保證穩(wěn)定的摩擦系數(shù)，又需具有良好的耐磨性，使摩擦副表面狀態(tài)光滑平整。

2.3.3 F 軌制動(dòng)面狀態(tài)

F軌制動(dòng)面為非機(jī)加工面，表面粗糙，平面度相對較差，軌排之間設(shè)有不同型號(hào)的伸縮接頭，不同型號(hào)接頭的間距也不同，最大者為20～40 mm。中低速磁浮車輛F軌的標(biāo)準(zhǔn)軌距為1 860 mm，由于寬度較寬，現(xiàn)場安裝后相鄰兩軌排的制動(dòng)面存在錯(cuò)位差，軌排制動(dòng)面的不良狀態(tài)以及接縫處的結(jié)構(gòu)，會(huì)對高速通過軌排及接縫的閘片造成異常磨損和異常沖擊。因此，在軌排設(shè)計(jì)時(shí)，需提高制動(dòng)面的表面質(zhì)量，建議按制動(dòng)盤表面的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，同時(shí)提高軌排安裝精度，減小相鄰軌排縫隙和制動(dòng)面錯(cuò)位高度，高度差不超過0.3 mm。

2.3.4 閘片摩擦體體積

車輛日常維護(hù)時(shí)，一般通過檢查摩擦體的殘余厚度來判定閘片是否使用到限，閘片使用壽命與摩擦體允許磨耗的體積成正比。在相同運(yùn)用工況及制動(dòng)壓力下，閘片摩擦面的面積越大，允許磨耗的厚度越大，其使用壽命則越長。建議車輛轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，充分考慮制動(dòng)夾鉗單元的安裝空間及閘片更換的操作空間，盡可能增大閘片的摩擦面積和允許的磨耗厚度，以提高使用壽命。

2.4 其他建議

中低速磁浮車輛的牽引、制動(dòng)等關(guān)鍵系統(tǒng)與其他城市軌道交通車輛有較大差異，其制動(dòng)夾鉗單元設(shè)計(jì)時(shí)還需考慮在特殊運(yùn)用工況中可能受到的影響。

2.4.1 降低磁場力的影響

中低速磁浮車輛依靠電磁力實(shí)現(xiàn)車輛懸浮承載、驅(qū)動(dòng)前移及導(dǎo)向，制動(dòng)夾鉗單元安裝在直線電機(jī)附近，周圍環(huán)境中存在一定的電磁場力，因此，制動(dòng)夾鉗單元零部件設(shè)計(jì)選材時(shí)，建議選用不銹鋼、鋁合金等不易被電磁場磁化的材料。

2.4.2 輕量化設(shè)計(jì)

（1）制動(dòng)夾鉗單元設(shè)計(jì)時(shí)，需盡可能降低零部件的質(zhì)量。這既可降低產(chǎn)品質(zhì)量對整車懸浮控制精度的影響，又符合城市軌道交通車輛輕量化設(shè)計(jì)的要求。

（2）傳力桿結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，在保證強(qiáng)度的前提下設(shè)計(jì)為空心結(jié)構(gòu)，盡可能降低其自身質(zhì)量，減小自身重力對閘片的影響，避免造成閘片受壓下沉及異常磨耗。

（3）制動(dòng)杠桿設(shè)計(jì)時(shí)，盡可能縮小兩側(cè)杠桿的質(zhì)量差，避免制動(dòng)夾鉗單元偏重造成閘片偏磨。

2.4.3 防腐蝕設(shè)計(jì)

部分零部件在無法避免使用可導(dǎo)磁材料時(shí)，需根據(jù)零部件的使用工況選擇合適的防腐處理，降低電磁場對零部件防腐層的影響。

中低速磁浮車輛與負(fù)極軌之間需設(shè)置可靠的接地裝置，避免電流流經(jīng)制動(dòng)夾鉗單元，防止電流對金屬零部件和閘片的腐蝕損壞。

2.4.4 模塊化設(shè)計(jì)

為提高產(chǎn)品的可維護(hù)性，降低維護(hù)成本，提高維護(hù)效率，建議制動(dòng)夾鉗單元進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，具體如下。

（1）部件之間采用銷軸結(jié)構(gòu)連接，便于拆裝操作。

（2）零部件防脫結(jié)構(gòu)盡量少采用螺紋連接，便于拆裝操作。

（3）制動(dòng)油缸端增加用于檢測或?qū)崟r(shí)監(jiān)測油壓的接口，便于故障檢測。

3 結(jié)語

本文介紹了2種中低速磁浮車輛用制動(dòng)夾鉗單元的基本結(jié)構(gòu)和工作原理，結(jié)合車輛的運(yùn)用工況和特點(diǎn)，提出了制動(dòng)夾鉗單元在運(yùn)用過程中可能出現(xiàn)的制動(dòng)油缸滲漏、閘片偏磨、閘片磨損快等問題，分析了它們出現(xiàn)的原因并針對性地提出設(shè)計(jì)建議;同時(shí)考慮到中低速磁浮車輛的特殊運(yùn)用工況，針對制動(dòng)夾鉗單元在降低磁場力影響、輕量化、防腐蝕、模塊化等方面提出了設(shè)計(jì)建議，為制動(dòng)夾鉗單元運(yùn)用問題的解決、產(chǎn)品優(yōu)化以及新產(chǎn)品設(shè)計(jì)提供參考。

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收稿日期 2019-10-28

責(zé)任編輯 黨選麗

Research on design of brake clamp unit of medium and low speed maglev vehicle

Xu Shaoting， Kong Depeng， Wang Zhen， et al.

Abstract： Due to suspension characteristics of medium and low speed maglev， its mechanical braking mode is different from that of general urban rail transit vehicles. This paper introduces the structure and working principle of the two different brake clamp units for medium and low speed maglev vehicles in China. With the characteristics and working conditions of the medium and low speed maglev vehicles， it analyzes the potential risks and causes in the use of the brake clamp units， and puts forward the design suggestions， providing a reference for the design and manufacture of the brake clamp unit.

Keywords： urban rail transit， medium and low speed maglev vehicle， brake clamp unit， design research