一種帶橫移功能的踏面單元制動(dòng)器閘瓦托結(jié)構(gòu)的研制

(中車株洲電力機(jī)車有限公司，湖南 株洲 412001)

1 研制背景

相對(duì)于盤形制動(dòng)，采用踏面制動(dòng)的轉(zhuǎn)向架具有動(dòng)力學(xué)性能好、檢修維護(hù)成本低、具有踏面清掃及修復(fù)功能等優(yōu)勢(shì)，因此，出口埃塞俄比亞用電力機(jī)車(基于HXD1C機(jī)車平臺(tái)，采用三軸轉(zhuǎn)向架)采用踏面制動(dòng)。

輪對(duì)橫移量是三軸轉(zhuǎn)向架的重要參數(shù)。適當(dāng)?shù)亩⑽逦惠唽?duì)自由橫移量，有利于在不影響直線線路上運(yùn)行穩(wěn)定性的前提下有效改善機(jī)車曲線通過性能[1]。二、五位輪對(duì)設(shè)置較大的橫移量有利于增加其在曲線上參加導(dǎo)向的機(jī)會(huì)，分?jǐn)傄弧⑷⑺摹⒘鶎?dǎo)向輪對(duì)的導(dǎo)向力[2]，減少輪緣磨耗。對(duì)于二、五位的橫移量設(shè)計(jì)值，原直流機(jī)車為13.5 mm，和諧型交流機(jī)車為22～25 mm。由于閘瓦在輪踏面上的橫向空間有限，橫移量增加后，二、五位采用無橫移功能銷套鉸接式閘瓦托結(jié)構(gòu)的原直流機(jī)車踏面單元制動(dòng)器[3]，已無法避免制動(dòng)時(shí)閘瓦擦傷輪緣。

為滿足埃塞俄比亞機(jī)車的裝車要求，現(xiàn)需要研制能適應(yīng)二、五位輪對(duì)橫移量的踏面單元制動(dòng)器。該踏面單元制動(dòng)器是在傳統(tǒng)JZZ-2型踏面單元制動(dòng)器結(jié)構(gòu)、原理基礎(chǔ)上，對(duì)閘瓦托結(jié)構(gòu)進(jìn)行相關(guān)適應(yīng)性改進(jìn)。

2 需要實(shí)現(xiàn)的功能

踏面單元制動(dòng)器一般結(jié)構(gòu)為：箱體固定在構(gòu)架上，絲桿進(jìn)行水平運(yùn)動(dòng)，絲桿與閘瓦托連接點(diǎn)為鉸接點(diǎn)1，吊臂與箱體連接點(diǎn)為鉸接點(diǎn)2，吊臂與閘瓦托連接點(diǎn)為鉸接點(diǎn)3，如圖1所示。

圖1 閘瓦托基本原理(初始狀態(tài))

閘瓦托功能除了為閘瓦提供安裝基礎(chǔ)以傳遞制動(dòng)力以外，還具有的功能是：既要確保閘瓦托能在一定范圍內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)，防止不同載荷工況、振動(dòng)條件下(構(gòu)架與輪對(duì)發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)H，見圖2)制動(dòng)時(shí)局部接觸輪踏面；又要具有閘瓦托角度的鎖定功能，以保證其鎖定在最近一次制動(dòng)施加并緩解后所在的位置，不會(huì)因閘瓦磨耗、載荷變化而改變，即保證緩解時(shí)閘瓦間隙基本一致，防止在閘瓦托栽頭而出現(xiàn)閘瓦局部貼輪的現(xiàn)象。因此，鉸接點(diǎn)1設(shè)置有摩擦阻力，既具有轉(zhuǎn)動(dòng)功能(防止制動(dòng)時(shí)局部接觸輪踏面)，又具有在摩擦預(yù)緊力下鎖定閘瓦托的轉(zhuǎn)動(dòng)(保證緩解時(shí)閘瓦間隙一致)。

圖2 閘瓦托基本原理(不同載重及振動(dòng))

對(duì)于二、五位踏面單元制動(dòng)器的閘瓦托，還需要增加的功能是：制動(dòng)時(shí)閘瓦托結(jié)構(gòu)能夠隨輪對(duì)橫移，且不能將橫向力傳遞給制動(dòng)絲桿，避免常用缸內(nèi)部零件受損。

3 主要結(jié)構(gòu)

3.1 鉸接結(jié)構(gòu)

原JZZ-2型單元制動(dòng)的鉸接點(diǎn)1的結(jié)構(gòu)不能適應(yīng)橫移的要求，現(xiàn)重新進(jìn)行設(shè)計(jì)。

圖3為改進(jìn)后的鉸接點(diǎn)1的結(jié)構(gòu)，其主要零件包括固定在閘瓦托上的銷軸、扇形搖塊及絲桿(如圖3)。絲桿頭部的兩側(cè)固定2個(gè)摩擦塊，內(nèi)側(cè)帶齒的摩擦支架在彈簧力的作用下保持與摩擦塊頭部圓弧面始終接觸。絲桿可以繞銷軸中心轉(zhuǎn)動(dòng)，形成了銷套式鉸接結(jié)構(gòu)。

3.2 閘瓦托角度鎖定結(jié)構(gòu)

由于圖3彈簧提供的給鉸接點(diǎn)1的摩擦阻力有限，不能有效鎖定閘瓦角度，現(xiàn)在原JZZ-2型單元制動(dòng)器基礎(chǔ)上增加閘瓦托角度鎖定結(jié)構(gòu)，如圖4所示。

圖3 鉸接結(jié)構(gòu)

圖4 閘瓦托角度鎖定結(jié)構(gòu)

摩擦定位塊被套筒內(nèi)的預(yù)緊彈簧壓緊在兩吊臂上，套筒穿過閘瓦托的腰孔后被扭簧限位，拉簧將閘瓦托及吊臂拉緊。角度鎖定結(jié)構(gòu)基本原理如圖5、圖6所示。圖5為緩解狀態(tài)，閘瓦托基本結(jié)構(gòu)包含上文提到的鉸接點(diǎn)1，閘瓦托與常用缸的連接為鉸接點(diǎn)2，閘瓦托與吊臂的連接為鉸接點(diǎn)3。套筒在扭簧推動(dòng)下，左側(cè)與閘瓦托腰孔接觸。圖6為制動(dòng)狀態(tài)，制動(dòng)時(shí)，絲桿推動(dòng)閘瓦托前進(jìn)，鉸接點(diǎn)3順時(shí)針運(yùn)動(dòng)，α角變大，同時(shí)閘瓦托與吊臂的夾角β變小。由于摩擦定位塊被預(yù)緊彈簧緊壓在吊臂上，β角變小時(shí)，套筒克服扭簧的作用力，套筒右側(cè)與閘瓦托腰孔接觸。由于閘瓦托腰孔與套筒的間隙與閘瓦間隙對(duì)應(yīng)，再次緩解時(shí)，扭簧推動(dòng)套筒重新回到圖5的狀態(tài)，即α及β角重新回到緩解狀態(tài)，因此，閘瓦托角度鎖定不變。

圖5 角度鎖定結(jié)構(gòu)基本原理(緩解狀態(tài))

圖6 角度鎖定結(jié)構(gòu)基本原理(制動(dòng)狀態(tài))

如果機(jī)車軸重發(fā)生改變，即構(gòu)架與輪對(duì)垂向位置發(fā)生改變，一次制動(dòng)后，摩擦定位塊將在吊臂上發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)，因此，該結(jié)構(gòu)能適應(yīng)機(jī)車不同的載荷及振動(dòng)工況。

3.3 橫移適應(yīng)結(jié)構(gòu)

橫移適應(yīng)結(jié)構(gòu)如圖7所示，絲桿通過其頭部的圓柱面與扇形搖塊接觸，扇形搖塊圓弧面與閘瓦托通過軸連接，當(dāng)中間軸輪緣接觸閘瓦并開始推動(dòng)閘瓦托橫移時(shí)，將會(huì)帶動(dòng)扇形搖塊繞絲桿頭部轉(zhuǎn)動(dòng)，適應(yīng)輪對(duì)橫移運(yùn)動(dòng)。與此同時(shí)，吊臂承受橫向力，具有產(chǎn)生彈性變形，以適應(yīng)閘瓦托的橫向運(yùn)動(dòng)，如圖8。橫向力的傳遞路徑為：閘瓦→閘瓦托→吊臂(彈性變形)→常用制動(dòng)缸→構(gòu)架，橫向力不傳遞給絲桿。

圖7 橫移結(jié)構(gòu)(有橫移狀態(tài))

圖8 吊臂的彈性變形

4 設(shè)計(jì)驗(yàn)證

為降低開發(fā)成本、提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)質(zhì)量，利用多體分析軟件adams建立了閘瓦托結(jié)構(gòu)的虛擬樣機(jī)模型(見圖9)。經(jīng)過分析，閘瓦托的動(dòng)作及振動(dòng)沖擊下的性能符合設(shè)計(jì)要求。

圖9 虛擬樣機(jī)模型

圖10 疲勞試驗(yàn)臺(tái)

圖11 JZZ-2型踏面單元制動(dòng)器(帶橫移)樣機(jī)

為驗(yàn)證產(chǎn)品的疲勞壽命是否符合要求，開發(fā)了專用的大橫移量制動(dòng)器疲勞試驗(yàn)臺(tái)(見圖10)。經(jīng)過試驗(yàn)，閘瓦托結(jié)構(gòu)的疲勞壽命符合設(shè)計(jì)要求。

5 裝車業(yè)績(jī)

JZZ-2型踏面單元制動(dòng)器大橫移量試驗(yàn)適應(yīng)性改進(jìn)設(shè)計(jì)后，完成了樣機(jī)試制(如圖11)，經(jīng)過各項(xiàng)試驗(yàn)驗(yàn)證，其各項(xiàng)性能指標(biāo)符合要求。目前，裝備該型踏面單元的機(jī)車已經(jīng)從2016年開始，出口到埃塞俄比亞、馬來西亞等國(guó)，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。