磁浮列車制動夾鉗結構分析及優化

張旦旦 劉洋 吳沫

摘 要：首先介紹現有中低速磁浮列車制動夾鉗的結構，然后針對夾鉗結構存在的回位彈簧過壓縮、閘片偏磨、防塵罩相互擠壓等問題進行分析，并提出優化方案。

關鍵詞：磁浮列車;制動夾鉗;回位卡滯;偏磨;漏油;優化

中圖分類號：U237

隨著國內城市的快速發展，國民經濟和人員流動的加速，人們對交通“綠色、低碳、高效、環保”的要求也越來越強烈。磁浮列車作為一種新型軌道交通工具，具有噪聲低、舒適性高、爬坡能力強、轉彎半徑小、適應性強、維護成本低、安全環保等突出優點，是解決城市交通擁堵問題的極佳綠色方案。安全可靠停車是評價磁浮列車系統好壞的最重要因素，制動系統的性能則直接決定其安全性。制動夾鉗是磁浮列車制動系統的執行部件，電子制動控制單元（EBCU）根據列車指令控制液壓制動控制單元（HBCU）為制動夾鉗提供壓力油，制動夾鉗上的活塞桿在壓力油作用下推動閘片夾緊F軌，對列車實施制動，制動夾鉗的性能可靠與否直接關系列車的運行安全，因此設計一款性能穩定可靠的制動夾鉗尤為重要。

1 制動夾鉗結構組成

制動夾鉗由主動夾塊組件、從動夾塊、減震墊組件、閘片組件、閘片連桿、排氣測壓接頭、上吊桿、下吊桿、壓塊、定位套管、防塵罩、彈簧等零部件組成，如圖1和圖2所示。

1.1 主動夾塊組件

主動夾塊組件主要由主動夾塊、活塞、U形密封圈、導向環等零件組成。由于磁浮列車的輕量化要求，主動夾塊為鋁合金鑄造件，核心結構相當于液壓油缸的缸筒，當主動夾塊組件充入液壓油后，液壓油推動活塞從而帶動閘片夾緊軌道，進行摩擦制動。

1.2 從動夾塊

為達到輕量化的要求，從動夾塊的材質同樣為鋁合金鑄件。主動夾塊夾緊F軌后，F軌給主動夾塊的反向作用力帶動上吊桿，上吊桿再帶動從動夾塊貼合F軌的另一面。隨著油壓的增大，從動夾塊與主動夾塊一起夾緊F軌，進行摩擦制動。

1.3 閘片連桿

閘片連桿與閘片通過銷軸連接，另外一端通過銷軸連接在橫向滑橇座上。閘片連桿用以傳遞磁浮列車制動時夾鉗與F軌之間產生的制動摩擦力，制動反力通過閘片連桿傳遞到橫向滑橇座上。由于密封材料不能承受過大的徑向載荷，制動力的傳遞基本消除了對主動夾塊內腔密封件的損壞。通常，閘片連桿由空心不銹鋼無縫鋼管焊接而成，在保證強度的同時還進行了減重設計，從而在一定程度上減少了閘片緩解不良現象的發生。

1.4 閘片組件

閘片由鋼背和摩擦片組成。其中，鋼背材質為不銹鋼，是摩擦片的載體;摩擦片材質為粉末冶金材料，動態摩擦系數為0.3，可耐350 ℃高溫。

1.5 減震墊組件

減震墊組件（圖3）由金屬材料和丁腈橡膠硫化而成，橡膠部分呈葫蘆狀，中心的金屬套環可在上吊桿的帶動下上下浮動，當磁浮列車懸浮時，浮起高度為8mm左右。減震墊的作用是當閘片夾緊F軌時列車落車或者懸浮不至于拉彎上吊桿而損壞制動夾鉗。

1.6 安裝板

制動夾鉗安裝在磁浮列車的極板上，因此極板就是安裝板。極板上有2個腰型孔，專門安裝2個減震墊，從而將制動夾鉗通過2個上吊桿固定。

1.7 排氣測壓接頭

排氣測壓接頭與主動夾塊內腔相通，用于排出油路中的氣體，同時在此處接1 個壓力表可以檢測夾鉗內部的油壓。為保證油壓系統的穩定性，安裝完制動夾鉗必須進行排氣。

1.8 防塵罩

防塵罩安裝于主動夾塊油缸腔體外部，其主要作用是防止粉塵進入活塞桿。粉塵一旦進入，密封圈和活塞桿將會加速磨損，最終導致漏油。因此，為保證防塵罩的壽命，一般使用抗老化的氯丁橡膠。

2現有磁浮制動夾鉗結構分析及優化

2.1 回位彈簧過壓縮問題分析及優化

現有磁浮制動夾鉗主動夾塊組件中的活塞桿靠油壓推出，活塞桿推動閘片組件夾緊F軌進行摩擦制動，制動的緩解（活塞桿縮回）通過2根壓縮彈簧實現，如圖 4所示。由于空間限制，2根回位彈簧中徑和線徑較小，導向桿尺寸也較小，為了保證回復力，回位彈簧經常處于過壓縮狀態，還要經受粉塵和雨水的腐蝕，彈簧壽命大大減小。導向桿由于受到制動反力作用也極易彎曲，導致活塞回位卡滯，使得閘片在非制動狀態下仍受到磨損，存在較大的安全隱患。

由圖4可以看出，試驗中在制動夾鉗處于夾緊狀態下時，回位彈簧嚴重過壓縮，且已經彎曲，導向桿局部已經出現磨損。

優化后的結構將回位彈簧安裝在主動夾塊腔體內部，如圖5所示。左右腔體各1個，杜絕了彈簧與粉塵和雨水的接觸;同時加大了彈簧的線徑和中徑，彈簧剛度增強，解決了彈簧過壓縮的問題，彈簧壽命增加。彈簧利用活塞桿進行導向，制動反力無法使活塞桿彎曲，制動夾鉗制動、緩解動作靈活，回位卡滯問題得以解決。2種方案參數對比如表1所示。

2.2 閘片偏磨問題分析及優化

現有磁浮制動夾鉗閘片與背板的連接為燕尾槽形式（圖6），制動時活塞桿推動背板帶動閘片夾緊F軌，閘片上的制動反力通過燕尾槽結構傳遞到閘片連桿上。由于F軌有一個7°的偏角，因此制動夾鉗閘片部分的結構也要設計一個角度，使閘片與F軌平行，這樣制動時就能完全貼合F軌進行摩擦制動。這種設計對機械加工要求較高，且燕尾槽加工難度較大，批量生產質量難以保證，廢品率較高，經常會出現閘片與F軌不平行而導致閘片偏磨情況發生。

優化后的結構將閘片安裝塊與閘片連接處的燕尾槽改為軸和孔的配合（圖7），軸為半軸，將棒料在銑床加工掉一部分，形成一個可以打孔的平面，半軸與閘片背板利用螺釘連接，閘片安裝塊上的燕尾加工成一個半孔，與半軸配合，中間留出1 mm隨動間隙，在計算機上進行模擬。該間隙能夠保證閘片順時針或者逆時針轉動2.5°，還可使閘片在與F軌接觸后配合F軌的角度轉動，從而保證閘片摩擦面與F軌平面完全接觸。這樣，不但解決了閘片的偏磨問題，同時也降低了生產加工成本。

2.3 防塵罩相互擠壓問題分析及優化

由于主動夾塊上2個油腔距離較近，現有防塵罩之間存在相互擠壓的現象，如圖8所示。當制動夾鉗制動或緩解時，2個防塵罩一直相互摩擦，隨著時間的積累，防塵罩會被磨破。由于2個防塵罩相互擠壓重合，破損處短時間內難以發現，直到最終粉塵進入活塞桿、密封圈和活塞桿磨損漏油后才會被發現。漏油將導致磁浮列車制動失效，這在城市軌道交通車輛上是不允許的。

為了避免2個防塵罩之間相互擠壓，優化方案中增大了主動夾塊2個油腔的距離（圖9），相互擠壓磨損的問題得以解決，同時防塵罩安裝喉箍的空間增加了，這對防塵罩的安裝和后期維護都有很大的幫助。

優化后的制動夾鉗結構如圖10所示，不僅解決了回位彈簧過壓縮、閘片偏磨、防塵罩相互擠壓等問題，而且結構上看起來更加簡潔，可靠性也更高，在應用方面更容易被業主接受。

3 結語

制動夾鉗的性能穩定性、可靠性一直是磁浮領域的研究課題，本文通過對現有制動夾鉗結構進行分析，針對其存在的回位彈簧過壓縮、閘片偏磨、防塵罩相互擠壓等問題，提出了相應的優化設計方案，基本上解決了已經裝車運營的制動夾鉗問題。今后，磁浮列車制動夾鉗的研究方向將會是新材料的應用，這將有助于實現列車輕量化。

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收稿日期2019-12-04

責任編輯黨選麗

Analysis and optimization of brake clamp for maglev train

Zhang Dandan， Liu Yang， Wu Mo

Abstract： This paper first introduces the structure of the existing brake clamp of the medium and low speed maglev train， then analyzes the existing problems such as over compression of return spring， unbalanced wear of brake disc and squash of dust covers， and puts forward the corresponding optimization scheme， basically solving the problem of the brake clamp that has been installed and operated at present.

Keywords： maglev train， brake clamp， return clamping stagnation， unbalanced wear， oil leakage， optimization