軌道交通盤式制動專利技術分析

靳宇 汪煜婷 王成

摘要：本文從軌道交通盤式制動作用方式、分類、重點專利以及關鍵技術問題出發，分析了現有盤式制動的類型以及重點技術問題。關鍵詞：盤式制動;專利;關鍵技術問題

前言

盤式制動，指的是將制動盤裝于輪對車軸上或車輪內外側，制動時使閘片壓緊制動盤，列車動能通過閘片與制動盤的摩擦轉化為熱能，從而實現制動。該系統由制動磨塊、制動盤、夾鉗以及制動缸等組成。

一、盤式制動分類

根據制動盤的安裝位置，可將盤式制動分為：軸盤式以及輪盤式。圖3-8示出了軸盤式與輪盤式兩個分支全球以及在華的申請量，由上圖可知，目前廣泛應用的制動方式為軸盤式，輪盤式僅在軌道機車底盤空間狹小的場景下應用較為廣泛。

二、盤式制動關鍵技術問題

盤式制動需解決的關鍵技術問題有幾個方面：一是如何克服制動時產生的熱能沖擊，二是如何降低制動過程中的振顫。

1）如何克服制動時的熱能沖擊，提高制動裝置熱穩定性。

目前，提高制動盤與制動閘片熱穩定性主要采取以下措施：

1、選擇耐熱制動盤材料，目前，國內外已研發出的制動盤包括：鑄鐵制動盤、鍛鑄鋼制動盤、鋁基復合材料制動盤、C/C復合材料制動盤。鑄鐵制動盤由于其材料自身性能的局限，難以用于快速貨車和高速動車組列車。C/C復合材料由于其成本過高、摩擦系數隨環境變化而產生較大波動，目前在國內外尚未見到用于軌道車輛的任何報道。鋼質制動盤具有技術成熟度高、成本低、適用速度范圍廣的特點，在發達國家的快速和高速動車組列車已得到廣泛的應用。鋁基復合材料制動盤具有重量輕、耐磨性好的特點。例如，北京縱橫機電技術開發公司于2009年的專利CN101519754A中利用合金鋼制造制動盤，該發明提供的合金鋼是一種鑄造用鋼，具有較高的機械強度和抗熱疲勞性能，同時還具有較好的抗熱裂性、穩定的摩擦性能和良好的導熱性，尤其適合用于制造供軌道交通車輛，例如城市軌道交通車輛、鐵道機車車輛、動車及高速列車等使用的制動盤”。

克諾爾集團于2008年公開的專利DE102007020891A1中通過在制動盤上涂覆摩擦涂層以提高制動盤的使用壽命，其中涂層為含有嵌入的陶瓷顆粒的凝固熔融金屬。

2、優化閘片、摩擦塊結構。專利CN101865223A公開了一種軸裝式結構的約束釋放型鐵道車輛制動盤，采用分體式結構，包括完全相同的四個分體盤。分體盤間通過八個定位銷定位。六個螺栓穿過第二壓圈、第三第四分體盤、盤轂、第二第一分體盤、第一壓圈、三個防松墊片。螺母與螺栓連接使分體盤和盤轂軸向固定。分體盤的不同半徑上周向均布十七個第一柱狀散熱筋、二個第二柱狀散熱筋、三個Y形散熱筋、六個第一板狀散熱筋、兩個第二板狀散熱筋、六個第三板狀散熱筋、兩個第四板狀散熱筋。圖2-1示出了上述摩擦盤結構改進。

專利CN205745031U公開了一種軌道車輛用制動閘片，圖2-2示出了上述專利的摩擦塊改進結構。該專利摩擦塊2采用圓柱體，不容易聚集磨屑，保證閘片與制動盤的磨屑可及時排出，有效避免磨屑夾雜在制動盤與制動閘片的摩擦面之間劃傷制動盤和閘片表面。

2）如何降低制動過程中的振顫。

高速列車在制動過程中會產生劇烈的振動和噪聲，嘈雜的噪聲同時會對乘客以及鐵路周邊群眾的健康造成損害，所以，降低以及消除列車制動狀態下的噪聲和振顫現象，成為了世界各國亟需解決的技術問題[1]。

目前，改善制動系統振動主要采取以下措施：

1、優化制動系統結構。例如福特公司在2007年申請的專利US11/653905中通過提供具有至少一個凹口的制動塊襯片，該至少一個凹口位于制動塊襯片內的至少一個波傳播峰值區域處或其附近。本發明還提供制造可降低制動低頻噪聲和制動低頻振顫噪聲之一的制動塊的方法，該方法包括在制動塊襯片中形成至少一個凹口，該至少一個凹口位于制動塊襯片內的至少一個波傳播峰值區域處或其附近。圖2-3示出了制動塊在具有凹口與不具有凹口兩者之間頻域上的噪聲區別。

2、通過振動的檢測以得出制動力與振動頻率關系。

克諾爾軌道車輛系統有限公司在2018年的在華專利CN111032460A中提及了一種用于軌道車輛的制動執行器，其中，其公開了制動片，被壓靠在制動盤上，通過制動片不僅能夠檢測到制動力，而且能夠簡單地在每個制動執行器中檢測通過按壓到制動盤上產生的振動。傳感器例如抵抗制動力將制動力生成器支撐在制動執行器的制動鉗內，從而能夠通過該傳感器同時檢測制動力和振動，所述振動例如由擠壓件在制動盤上的摩擦或由制動盤的不平衡引起。由此減少構造部件數量并且由此降低成本。圖2-4示出具有制動執行器的軌道車輛的示意圖。其中，標記1為制動執行器，3為用于檢測制動力的傳感器，4為用于檢測振動的傳感器，7為制動盤，8為制動鉗。

通過以上分析可知，現有的盤式制動裝置主要存在熱穩定性以及制動振顫等問題，通過對制動主體材料的選型以及制動盤、閘片、制動塊等組成結構的改進能夠有效降低制動振顫的產生、提高熱穩定性。

三、盤式制動分類

1.軸盤式

軸盤式是將制動盤安裝在車軸上，列車行駛時，制動閘片與制動盤存在一定間隙，實施制動后，制動閘片與制動盤相互擠壓，實現制動目的。

目前，軸盤式專利在華主要申請人集中于中車集團、常州鐵馬、北京縱橫機電，國外主要集中于克諾爾、西屋氣動剎車集團、德國法爾曼、龐巴迪等企業公司。目前，軸盤式申請量明顯高于輪盤式，其應用范圍較廣，高鐵、動車、輕軌、地鐵以及軌道貨車均有涉及。

2.輪盤式

輪盤式是將制動盤安裝在車輪輻板上，由于轉向架空間限制，制動盤安裝于車輪的輻板上，相比于軸盤制動，相同制動效率下，由于其溫度會急劇升高，容易產生裂紋現象。

結語

本文通過盤式制動器的需要解決的主要技術問題，從盤式制動的熱穩定性、振顫著手提出了改進措施，同時盤式制動器從作用原理上分為軸盤式、輪盤式，本文從以上分類角度列舉了相關典型專利，并結合其優缺點進行了分析。

參考文獻：

[1]樊琦.鐵道車輛盤形制動顫振的動力學分析[D].蘭州交通大學，

2015.