磁浮列車制動(dòng)夾鉗結(jié)構(gòu)分析及優(yōu)化

張旦旦 劉洋 吳沫

摘 要：首先介紹現(xiàn)有中低速磁浮列車制動(dòng)夾鉗的結(jié)構(gòu)，然后針對(duì)夾鉗結(jié)構(gòu)存在的回位彈簧過(guò)壓縮、閘片偏磨、防塵罩相互擠壓等問題進(jìn)行分析，并提出優(yōu)化方案。

關(guān)鍵詞：磁浮列車;制動(dòng)夾鉗;回位卡滯;偏磨;漏油;優(yōu)化

中圖分類號(hào)：U237

隨著國(guó)內(nèi)城市的快速發(fā)展，國(guó)民經(jīng)濟(jì)和人員流動(dòng)的加速，人們對(duì)交通“綠色、低碳、高效、環(huán)保”的要求也越來(lái)越強(qiáng)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(qiáng)、轉(zhuǎn)彎半徑小、適應(yīng)性強(qiáng)、維護(hù)成本低、安全環(huán)保等突出優(yōu)點(diǎn)，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(píng)價(jià)磁浮列車系統(tǒng)好壞的最重要因素，制動(dòng)系統(tǒng)的性能則直接決定其安全性。制動(dòng)夾鉗是磁浮列車制動(dòng)系統(tǒng)的執(zhí)行部件，電子制動(dòng)控制單元（EBCU）根據(jù)列車指令控制液壓制動(dòng)控制單元（HBCU）為制動(dòng)夾鉗提供壓力油，制動(dòng)夾鉗上的活塞桿在壓力油作用下推動(dòng)閘片夾緊F軌，對(duì)列車實(shí)施制動(dòng)，制動(dòng)夾鉗的性能可靠與否直接關(guān)系列車的運(yùn)行安全，因此設(shè)計(jì)一款性能穩(wěn)定可靠的制動(dòng)夾鉗尤為重要。

1 制動(dòng)夾鉗結(jié)構(gòu)組成

制動(dòng)夾鉗由主動(dòng)夾塊組件、從動(dòng)夾塊、減震墊組件、閘片組件、閘片連桿、排氣測(cè)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(dòng)夾塊組件

主動(dòng)夾塊組件主要由主動(dòng)夾塊、活塞、U形密封圈、導(dǎo)向環(huán)等零件組成。由于磁浮列車的輕量化要求，主動(dòng)夾塊為鋁合金鑄造件，核心結(jié)構(gòu)相當(dāng)于液壓油缸的缸筒，當(dāng)主動(dòng)夾塊組件充入液壓油后，液壓油推動(dòng)活塞從而帶動(dòng)閘片夾緊軌道，進(jìn)行摩擦制動(dòng)。

1.2 從動(dòng)夾塊

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

1.3 閘片連桿

閘片連桿與閘片通過(guò)銷軸連接，另外一端通過(guò)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(dòng)時(shí)夾鉗與F軌之間產(chǎn)生的制動(dòng)摩擦力，制動(dòng)反力通過(guò)閘片連桿傳遞到橫向滑橇座上。由于密封材料不能承受過(guò)大的徑向載荷，制動(dòng)力的傳遞基本消除了對(duì)主動(dòng)夾塊內(nèi)腔密封件的損壞。通常，閘片連桿由空心不銹鋼無(wú)縫鋼管焊接而成，在保證強(qiáng)度的同時(shí)還進(jìn)行了減重設(shè)計(jì)，從而在一定程度上減少了閘片緩解不良現(xiàn)象的發(fā)生。

1.4 閘片組件

閘片由鋼背和摩擦片組成。其中，鋼背材質(zhì)為不銹鋼，是摩擦片的載體;摩擦片材質(zhì)為粉末冶金材料，動(dòng)態(tài)摩擦系數(shù)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(huán)可在上吊桿的帶動(dòng)下上下浮動(dòng)，當(dāng)磁浮列車懸浮時(shí)，浮起高度為8mm左右。減震墊的作用是當(dāng)閘片夾緊F軌時(shí)列車落車或者懸浮不至于拉彎上吊桿而損壞制動(dòng)夾鉗。

1.6 安裝板

制動(dòng)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(gè)腰型孔，專門安裝2個(gè)減震墊，從而將制動(dòng)夾鉗通過(guò)2個(gè)上吊桿固定。

1.7 排氣測(cè)壓接頭

排氣測(cè)壓接頭與主動(dòng)夾塊內(nèi)腔相通，用于排出油路中的氣體，同時(shí)在此處接1 個(gè)壓力表可以檢測(cè)夾鉗內(nèi)部的油壓。為保證油壓系統(tǒng)的穩(wěn)定性，安裝完制動(dòng)夾鉗必須進(jìn)行排氣。

1.8 防塵罩

防塵罩安裝于主動(dòng)夾塊油缸腔體外部，其主要作用是防止粉塵進(jìn)入活塞桿。粉塵一旦進(jìn)入，密封圈和活塞桿將會(huì)加速磨損，最終導(dǎo)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(xiàn)有磁浮制動(dòng)夾鉗結(jié)構(gòu)分析及優(yōu)化

2.1 回位彈簧過(guò)壓縮問題分析及優(yōu)化

現(xiàn)有磁浮制動(dòng)夾鉗主動(dòng)夾塊組件中的活塞桿靠油壓推出，活塞桿推動(dòng)閘片組件夾緊F軌進(jìn)行摩擦制動(dòng)，制動(dòng)的緩解（活塞桿縮回）通過(guò)2根壓縮彈簧實(shí)現(xiàn)，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(dǎo)向桿尺寸也較小，為了保證回復(fù)力，回位彈簧經(jīng)常處于過(guò)壓縮狀態(tài)，還要經(jīng)受粉塵和雨水的腐蝕，彈簧壽命大大減小。導(dǎo)向桿由于受到制動(dòng)反力作用也極易彎曲，導(dǎo)致活塞回位卡滯，使得閘片在非制動(dòng)狀態(tài)下仍受到磨損，存在較大的安全隱患。

由圖4可以看出，試驗(yàn)中在制動(dòng)夾鉗處于夾緊狀態(tài)下時(shí)，回位彈簧嚴(yán)重過(guò)壓縮，且已經(jīng)彎曲，導(dǎo)向桿局部已經(jīng)出現(xiàn)磨損。

優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)將回位彈簧安裝在主動(dòng)夾塊腔體內(nèi)部，如圖5所示。左右腔體各1個(gè)，杜絕了彈簧與粉塵和雨水的接觸;同時(shí)加大了彈簧的線徑和中徑，彈簧剛度增強(qiáng)，解決了彈簧過(guò)壓縮的問題，彈簧壽命增加。彈簧利用活塞桿進(jìn)行導(dǎo)向，制動(dòng)反力無(wú)法使活塞桿彎曲，制動(dòng)夾鉗制動(dòng)、緩解動(dòng)作靈活，回位卡滯問題得以解決。2種方案參數(shù)對(duì)比如表1所示。

2.2 閘片偏磨問題分析及優(yōu)化

現(xiàn)有磁浮制動(dòng)夾鉗閘片與背板的連接為燕尾槽形式（圖6），制動(dòng)時(shí)活塞桿推動(dòng)背板帶動(dòng)閘片夾緊F軌，閘片上的制動(dòng)反力通過(guò)燕尾槽結(jié)構(gòu)傳遞到閘片連桿上。由于F軌有一個(gè)7°的偏角，因此制動(dòng)夾鉗閘片部分的結(jié)構(gòu)也要設(shè)計(jì)一個(gè)角度，使閘片與F軌平行，這樣制動(dòng)時(shí)就能完全貼合F軌進(jìn)行摩擦制動(dòng)。這種設(shè)計(jì)對(duì)機(jī)械加工要求較高，且燕尾槽加工難度較大，批量生產(chǎn)質(zhì)量難以保證，廢品率較高，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)閘片與F軌不平行而導(dǎo)致閘片偏磨情況發(fā)生。

優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)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(gè)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(gè)半孔，與半軸配合，中間留出1 mm隨動(dòng)間隙，在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行模擬。該間隙能夠保證閘片順時(shí)針或者逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)2.5°，還可使閘片在與F軌接觸后配合F軌的角度轉(zhuǎn)動(dòng)，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(shí)也降低了生產(chǎn)加工成本。

2.3 防塵罩相互擠壓?jiǎn)栴}分析及優(yōu)化

由于主動(dòng)夾塊上2個(gè)油腔距離較近，現(xiàn)有防塵罩之間存在相互擠壓的現(xiàn)象，如圖8所示。當(dāng)制動(dòng)夾鉗制動(dòng)或緩解時(shí)，2個(gè)防塵罩一直相互摩擦，隨著時(shí)間的積累，防塵罩會(huì)被磨破。由于2個(gè)防塵罩相互擠壓重合，破損處短時(shí)間內(nèi)難以發(fā)現(xiàn)，直到最終粉塵進(jìn)入活塞桿、密封圈和活塞桿磨損漏油后才會(huì)被發(fā)現(xiàn)。漏油將導(dǎo)致磁浮列車制動(dòng)失效，這在城市軌道交通車輛上是不允許的。

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

優(yōu)化后的制動(dòng)夾鉗結(jié)構(gòu)如圖10所示，不僅解決了回位彈簧過(guò)壓縮、閘片偏磨、防塵罩相互擠壓等問題，而且結(jié)構(gòu)上看起來(lái)更加簡(jiǎn)潔，可靠性也更高，在應(yīng)用方面更容易被業(yè)主接受。

3 結(jié)語(yǔ)

制動(dòng)夾鉗的性能穩(wěn)定性、可靠性一直是磁浮領(lǐng)域的研究課題，本文通過(guò)對(duì)現(xiàn)有制動(dòng)夾鉗結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，針對(duì)其存在的回位彈簧過(guò)壓縮、閘片偏磨、防塵罩相互擠壓等問題，提出了相應(yīng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，基本上解決了已經(jīng)裝車運(yùn)營(yíng)的制動(dòng)夾鉗問題。今后，磁浮列車制動(dòng)夾鉗的研究方向?qū)?huì)是新材料的應(yīng)用，這將有助于實(shí)現(xiàn)列車輕量化。

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收稿日期2019-12-04

責(zé)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