標(biāo)準(zhǔn)地鐵車輛單元制動器統(tǒng)型淺析

孔德鵬，張維坤，張 昕，王超恒，王 震，刁有彬

(1.中車青島四方車輛研究所有限公司 制動事業(yè)部，山東 青島 266031；2.中車青島四方車輛研究所有限公司 城鐵業(yè)務(wù)部，山東 青島 266031)

自20世紀(jì)90年代以來，德國、法國及日本等國家的單元制動器產(chǎn)品一直占據(jù)著國內(nèi)地鐵車輛市場，并形成了技術(shù)壟斷，由于技術(shù)來源和結(jié)構(gòu)原理等不同[1]，造成了國內(nèi)地鐵車輛單元制動器型號多樣的現(xiàn)狀，甚至同一城市的地鐵車輛單元制動器型號也各不相同，以國內(nèi)地鐵車輛標(biāo)準(zhǔn)化為契機(jī)，如能實現(xiàn)單元制動器安裝接口和性能參數(shù)統(tǒng)型，將為標(biāo)準(zhǔn)地鐵的使用和維護(hù)帶來許多便利。

1 國內(nèi)既有地鐵車輛單元制動器結(jié)構(gòu)原理及特點(diǎn)

單元制動器主要用于最高運(yùn)行速度在90 km/h及以下的地鐵車輛，是制動系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，受制動系統(tǒng)控制，實現(xiàn)制動、緩解、閘瓦間隙自動調(diào)整、停放制動、停放制動充風(fēng)緩解和手動緩解功能。國內(nèi)地鐵車輛常見單元制動器類型[2]包括克諾爾公司PEC7(F)系列、法維萊公司BFC(F)系列以及納博克公司TG180系列，中車青島四方車輛研究所有限公司UT7A(S)系列及中國鐵道科學(xué)研究院XFD系列等。

1.1 PEC7(F)單元制動器

PEC7(F)單元制動器常用制動缸采用皮碗式氣動活塞缸，通過漸開線圓盤凸輪機(jī)構(gòu)實現(xiàn)制動倍率的調(diào)節(jié)，通過非自鎖的梯形螺紋傳動機(jī)構(gòu)實現(xiàn)間隙自動調(diào)整補(bǔ)償及主軸手動調(diào)節(jié)復(fù)位，通過緩解彈簧實現(xiàn)單元制動器的緩解。相對獨(dú)立的停放制動缸通過螺栓連接在常用制動缸上，停放制動缸主軸直接作用在常用制動活塞上實現(xiàn)停放作用力和運(yùn)動的傳遞，停放制動缸采用皮碗式氣動活塞缸，內(nèi)置儲能彈簧及非自鎖的梯形螺紋傳動機(jī)構(gòu)，用空氣控制實現(xiàn)停放制動施加和緩解，設(shè)置棘輪鎖止機(jī)構(gòu)，采用外露的手拉緩解拉繩實現(xiàn)停放制動手動緩解[3]。

PEC7(F)單元制動器空間緊湊，可采用側(cè)面、立式等多種安裝形式，其內(nèi)置的漸開線圓盤凸輪機(jī)構(gòu)使單元制動器具有較大的制動倍率調(diào)節(jié)范圍，能夠方便地進(jìn)行系列化、模塊化配置。該單元制動器的適應(yīng)性廣泛，在國內(nèi)地鐵車輛上大量使用。

1.2 BFC(F)單元制動器

BFC(F)單元制動器常用制動缸采用皮碗式氣動活塞缸，通過斜楔移動凸輪機(jī)構(gòu)實現(xiàn)制動倍率的調(diào)節(jié)，通過非自鎖的梯形螺紋傳動機(jī)構(gòu)實現(xiàn)間隙自動調(diào)整補(bǔ)償及主軸手動調(diào)節(jié)復(fù)位，通過緩解彈簧實現(xiàn)單元制動器的緩解。相對獨(dú)立的停放制動缸采用皮碗式氣動活塞缸，內(nèi)置儲能彈簧及非自鎖的梯形螺紋傳動機(jī)構(gòu)，通過空氣控制實現(xiàn)停放制動施加和緩解，用于實現(xiàn)停放制動手動緩解的棘輪鎖止機(jī)構(gòu)位于停放制動缸和常用制動缸之間。

BFC(F)單元制動器空間也很緊湊，可采用側(cè)面、立式等多種安裝形式，其內(nèi)置的斜楔移動凸輪機(jī)構(gòu)使單元制動器具有較大的制動倍率調(diào)節(jié)范圍，可以方便地實現(xiàn)系列化、模塊化配置，該單元制動器在國內(nèi)地鐵車輛上使用廣泛。

1.3 TG180單元制動器

TG180單元制動器常用制動缸采用皮碗式氣動活塞缸，通過斜楔移動凸輪機(jī)構(gòu)實現(xiàn)制動倍率的調(diào)節(jié)，通過棘輪棘爪傳動機(jī)構(gòu)實現(xiàn)間隙自動調(diào)整補(bǔ)償及主軸手動調(diào)節(jié)復(fù)位，通過緩解彈簧實現(xiàn)單元制動器的緩解。相對獨(dú)立的停放制動缸采用皮碗式氣動活塞缸，內(nèi)置儲能彈簧及非自鎖的梯形螺紋傳動機(jī)構(gòu)，通過空氣控制實現(xiàn)停放制動施加和緩解，設(shè)置棘輪鎖止機(jī)構(gòu)，采用外露的手拉緩解拉繩實現(xiàn)停放制動手動緩解。

TG180單元制動器的空間緊湊，可采用側(cè)面、立式等多種安裝形式，但由于采用的棘輪棘爪機(jī)構(gòu)實現(xiàn)間隙自動調(diào)整的補(bǔ)償效率特別低，在國內(nèi)地鐵車輛上的應(yīng)用越來越少。

1.4 UT7A(S)單元制動器

UT7A(S)單元制動器常用制動缸采用皮碗式氣動活塞缸，通過斜楔移動凸輪機(jī)構(gòu)實現(xiàn)制動倍率的調(diào)節(jié)，通過非自鎖的梯形螺紋傳動機(jī)構(gòu)實現(xiàn)間隙自動調(diào)整補(bǔ)償及主軸手動調(diào)節(jié)復(fù)位，依靠緩解彈簧實現(xiàn)單元制動器的緩解。停放制動缸采用皮碗式氣動活塞缸，內(nèi)置儲能彈簧及非自鎖的梯形螺紋傳動機(jī)構(gòu)，通過空氣控制實現(xiàn)停放制動施加和緩解，設(shè)置棘輪鎖止機(jī)構(gòu)，采用外露的手拉緩解拉繩實現(xiàn)停放制動手動緩解。

UT7A(S)單元制動器可靈活采用側(cè)面、立式等多種安裝形式，具有空間緊湊、制動倍率調(diào)節(jié)范圍大、作用靈活、安全可靠等特點(diǎn)，已形成模塊化、系列化配置，近年來在國內(nèi)地鐵車輛上批量應(yīng)用。

1.5 XFD單元制動器

XFD單元制動器常用制動缸采用皮碗式氣動活塞缸，通過斜楔移動凸輪機(jī)構(gòu)實現(xiàn)制動倍率的調(diào)節(jié)，通過非自鎖的梯形螺紋傳動機(jī)構(gòu)實現(xiàn)間隙自動調(diào)整補(bǔ)償及主軸手動調(diào)節(jié)復(fù)位，通過緩解彈簧實現(xiàn)單元制動器的緩解。相對獨(dú)立的停放制動缸采用皮碗式氣動活塞缸，內(nèi)置儲能彈簧及非自鎖的梯形螺紋傳動機(jī)構(gòu)，通過空氣控制實現(xiàn)停放制動施加和緩解，設(shè)置棘輪鎖止機(jī)構(gòu)，采用外露的手拉緩解拉繩實現(xiàn)停放制動手動緩解。

XFD單元制動器可靈活采用側(cè)面、立式等安裝形式，方便進(jìn)行模塊化、系列化配置，近年來在國內(nèi)地鐵車輛上的應(yīng)用不斷增加。

2 地鐵車輛單元制動器接口情況

2.1 單元制動器機(jī)械接口

單元制動器安裝在轉(zhuǎn)向架構(gòu)架上并通過螺栓進(jìn)行連接，單元制動器制動缸、停放制動缸通過硬管或軟管與供風(fēng)(壓縮空氣)管路連接，單元制動器上還裝有閘瓦，通過閘瓦插銷及銷軸等實現(xiàn)鎖緊固定。

2.1.1 單元制動器與構(gòu)架連接

單元制動器與轉(zhuǎn)向架構(gòu)架安裝包括連接螺栓中心線呈水平的側(cè)面安裝形式和連接螺栓中心線呈垂直的垂向安裝形式。其中，A型地鐵全部采用側(cè)面安裝形式，有4種接口尺寸規(guī)格(圖1)。B型地鐵有3種側(cè)面安裝接口尺寸規(guī)格，1種垂向安裝接口尺寸規(guī)格(圖2)。

圖1 A型地鐵安裝接口形式

圖2 B型地鐵安裝接口形式

2.1.2 單元制動器與供風(fēng)管路連接

單元制動器常用制動缸、停放制動缸風(fēng)管安裝接口則相對統(tǒng)一，常用制動缸為符合ISO 228：2000《非螺紋密封的管螺紋》的G1/2螺紋，停放制動缸為符合ISO 228：2000的G1/4螺紋。

2.1.3 單元制動器閘瓦安裝

A型地鐵車輛的單元制動器一般裝用符合UIC 541-4：2010《制動裝置 合成閘瓦制動裝置 合成閘瓦認(rèn)可的通用條件》標(biāo)準(zhǔn)的雙閘瓦，B型地鐵車輛單元制動器一般裝用符合TB/T 2403—2010《鐵道貨車用合成閘瓦》或UIC 541-4：2010標(biāo)準(zhǔn)的單閘瓦，均通過閘瓦插銷和開口銷對閘瓦進(jìn)行鎖緊固定。

2.2 單元制動器功能及性能

地鐵車輛單元制動器實現(xiàn)的作用功能完全一致，但由于單元制動器結(jié)構(gòu)原理、所屬制動系統(tǒng)的差異等，其性能并不完全一致，表1為國內(nèi)地鐵車輛常見單元制動器主要性能參數(shù)。

表1 國內(nèi)地鐵車輛常見單元制動器主要性能參數(shù)

3 地鐵車輛單元制動器統(tǒng)型分析

地鐵車輛單元制動器統(tǒng)型包括機(jī)械接口和性能參數(shù)兩個方面。

3.1 單元制動器機(jī)械接口統(tǒng)型分析

無論A型還是B型地鐵，均是側(cè)面安裝為主，其中，又以4個M20螺紋孔為主要形式，建議在既有A型、B型地鐵接口形式中，各選取一種側(cè)面4個M20螺紋孔形式作為統(tǒng)型接口。

既有A型、B型地鐵單元制動器風(fēng)管接口均一致，可直接作為統(tǒng)型接口。

絕大多數(shù)的A型地鐵單元制動器裝用符合UIC 541-4：2010的雙閘瓦，可直接作為統(tǒng)型接口。絕大多數(shù)的B型地鐵單元制動器裝用符合TB/T 2403—2010或UIC 541-4：2010標(biāo)準(zhǔn)的單閘瓦，也有個別裝用符合UIC 541-4：2010的雙閘瓦，建議以裝用UIC 541-4：2010標(biāo)準(zhǔn)的單閘瓦作為標(biāo)準(zhǔn)，考慮到既有閘瓦摩擦性能存在一定差異，建議將閘瓦摩擦性能也統(tǒng)型至一定范圍，或制定新中車地鐵閘瓦標(biāo)準(zhǔn)，使閘瓦保證機(jī)械接口和摩擦磨損性能的互換。

3.2 單元制動器性能參數(shù)統(tǒng)型分析

單元制動器的作用功能均一致，無需統(tǒng)型，但因為實現(xiàn)原理和結(jié)構(gòu)形式的不同，不同單元制動器的性能參數(shù)存在一定的差異，為實現(xiàn)通用性及互換性，需要進(jìn)行制動性能參數(shù)相關(guān)的統(tǒng)型。

3.2.1 制動倍率

A型、B型地鐵緊急制動平均減速度要求基本一致，但由于A型地鐵的軸重大，緊急制動時需要的制動力更大，在閘瓦摩擦因數(shù)一致的前提下，A型地鐵需要更大的閘瓦壓力，如將A型、B型地鐵制動倍率統(tǒng)型，意味著緊急制動時A型地鐵的制動缸壓力將明顯高于B型地鐵，這對地鐵車輛的用風(fēng)、制動控制設(shè)計等將帶來諸多不便，因此，結(jié)合既有A型、B型地鐵單元制動器制動倍率情況，建議分別統(tǒng)型為4.1和3.0。

3.2.2 緩解間隙、一次調(diào)整量

由于緩解間隙和一次調(diào)整量之和約為絲杠一次最大行程(通常20 mm左右)，這兩個參數(shù)統(tǒng)型應(yīng)考慮車輛的使用要求，還相互限定。建議緩解間隙統(tǒng)型至12 mm，一次調(diào)整量統(tǒng)型至7 mm。

TG180-3單元制動器一次調(diào)整量為0.18 mm，是其采用的棘輪棘爪機(jī)構(gòu)調(diào)整補(bǔ)償效率低引起的，如發(fā)生列車運(yùn)行過程中因補(bǔ)償不到位而不產(chǎn)生閘瓦壓力的情況，將形成安全隱患，類似這樣的結(jié)構(gòu)不宜在標(biāo)準(zhǔn)地鐵車輛上繼續(xù)采用。

3.2.3 總調(diào)整量

地鐵輪徑磨耗量35 mm，閘瓦磨耗厚度50 mm，為保證閘瓦拆裝，初始安裝時閘瓦與踏面間隙一般應(yīng)比瓦鼻高度(25 mm)大，要求單元制動器的最大調(diào)整量不小于110 mm，建議總調(diào)整量統(tǒng)型至125 mm。

3.2.4 停放制動最小緩解壓力

停放制動緩解壓力是由停放儲能彈簧力和單元制動器內(nèi)部機(jī)械阻力的大小決定的，停放儲能彈簧力是關(guān)鍵決定因素。停放制動緩解壓力越小，意味著停放儲能彈簧力越小，停放制動閘瓦壓力就越小，車輛停放制動的安全系數(shù)越小甚至無法安全停放。

建議停放制動最小緩解壓力統(tǒng)型至500 kPa，為盡可能提高停放制動閘瓦壓力預(yù)留設(shè)計空間，也可以在此基礎(chǔ)上，對A型、B型地鐵的停放制動閘瓦壓力分別進(jìn)一步統(tǒng)型。

4 結(jié)論及建議

綜上所述，可得出以下結(jié)論：

(1) 標(biāo)準(zhǔn)地鐵車輛單元制動器機(jī)械安裝接口應(yīng)盡可能統(tǒng)一成一至兩種規(guī)格，便于實現(xiàn)不同類型產(chǎn)品的互換安裝，方便使用和維護(hù)。

(2) 標(biāo)準(zhǔn)地鐵車輛閘瓦宜采用符合UIC 541-4：2010的安裝接口，建議根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)地鐵車輛的實際情況，研究并制定閘瓦標(biāo)準(zhǔn)，實現(xiàn)閘瓦的互換。

(3) 按照A型、B型地鐵對單元制動器主要性能參數(shù)分別統(tǒng)型，實現(xiàn)性能互換。

(4) 單元制動器不宜采用棘輪棘爪機(jī)構(gòu)實現(xiàn)間隙自動調(diào)整功能，建議單元制動器統(tǒng)一采用停放制動雙側(cè)手動緩解，便于在車體一側(cè)實現(xiàn)對同一轉(zhuǎn)向架上的停放制動緩解。