高速變軌距動車組用制動夾鉗單元分析研究

刁有彬，王 震，徐少亭，孔德鵬，覃立偉，王令軍

（中車青島四方車輛研究所有限公司，山東青島 266031）

1 引言

目前，世界各國鐵路運輸一直保持多種軌距的現狀，嚴重阻礙跨國及跨地區間鐵路運輸及經濟貿易活動的發展。研制變軌距轉向架可有效解決軌距不同區間的直通運行問題，實現國內外軌道交通互聯互通，滿足國家“一帶一路”運輸的發展需求，促進跨國及跨地區間的鐵路運輸及經濟貿易活動的發展。

變軌距轉向架關鍵技術在于輪對經過地面變軌距過渡裝置后能夠自動實現軸向移動及限位鎖定，以適應2 種不同規格的軌距要求，由于動車轉向架空間限制，基礎制動裝置需采用結構緊湊的盤型制動，同時需跟隨車輪實現軸向移動，以實現不同軌距時的車輛制動需求。本文對速度400 km/h 變軌距（1 435/1 520 mm）動車組用制動夾鉗單元配置及方案進行介紹。

2 動車組基礎制動配置及技術要求

動車組采用8輛編組，包括4輛拖車和4輛動車，結構示意如圖1所示。轉向架輪對具備變軌距功能，可適應1 435/1 520 mm的軌距。

2.1 動車轉向架基礎制動裝置配置及要求

動車轉向架裝有牽引電機和齒輪箱，空間較小，每軸配置2套輪盤制動裝置，如圖2所示。輪盤制動裝置包括輪裝制動夾鉗單元、輪裝制動盤和閘片。輪裝制動盤安裝在車輪副板上，輪裝制動夾鉗單元按制動缸安裝方向不同分為左件和右件。在變軌距前后，由于車輪相對轉向架中心位置沿軸向發生變化，與輪裝制動盤配合使用的輪裝制動夾鉗單元應具備隨動變軌距功能，動車轉向架每軸需安裝2套具有隨動變軌距功能的輪裝制動夾鉗單元。

2.2 拖車轉向架基礎制動裝置配置及要求

拖車轉向架空間較大，經核算制動熱負荷能力，可得每軸需配置2套輪盤制動裝置和2套軸盤制動裝置，如圖3所示。輪盤制動裝置形式與動車的形式相同，僅與動車制動倍率不同。軸盤制動裝置包括軸裝制動夾鉗單元、軸裝制動盤和閘片，2套軸裝制動夾鉗單元中1套為軸裝停放制動夾鉗單元。

2.3 制動夾鉗單元技術性能要求

制動夾鉗單元作為高速變軌距動車組基礎制動裝置核心部件，應滿足以下性能要求：

（1）滿足-50～+50℃環境使用要求，能適應風、沙、雨、雪、霧霾天氣，及鹽霧、酸雨、沙塵暴等偶有現象；

（2）輪裝制動夾鉗單元應具備隨動變軌距功能，可自動識別車輪動作，保證在不同軌距時實現自動對中功能，并具備制動、緩解、間隙自動調整和手動復位等功能；

（3）受空間限制，軸裝制動夾鉗單元采用不同于輪裝制動夾鉗單元形式的緊湊型制動夾鉗單元，需具備制動、緩解、間隙自動調整和手動復位等功能，軸裝停放制動夾鉗單元還需具備停放制動、停放制動緩解和停放制動手動緩解等功能。

3 輪裝制動夾鉗單元技術方案

輪裝制動夾鉗單元主要由隨動裝置、制動夾鉗和制動缸3部分組成，采用模塊化設計，結構緊湊、體積小，能適應轉向架緊湊的安裝空間，外觀展示如圖4所示。

3.1 隨動裝置

3.1.1 隨動裝置結構組成

隨動裝置由安裝座、連接座、識別摩擦片、柔性滑動軸承、隨動銷軸及鋼球定位機構等組成，平面示意如圖5所示，其結構特點如下：

（1）安裝座采用4點安裝接口，與轉向架通過4個M 20螺栓進行緊固連接；

（2）連接座上端通過隨動銷軸和安裝座連接，下端通過吊掛銷軸和制動夾鉗單元連接，前段設置2個剛性懸臂梁，輪裝制動夾鉗單元安裝后，懸臂梁位于車輪兩側；

（3）識別摩擦片位于懸臂梁前端，采用粉末冶金材料，具有良好的耐磨性；

（4）隨動裝置內置耐低溫柔性滑動軸承和鋼球定位機構，隨動銷軸設置2個具有一定坡度的定位孔，當車輪進行變軌動作時，車輪輪緣通過識別摩擦片帶動連接座及制動夾鉗單元在隨動銷軸上滑動，順利實現橫移動作；當車輪完成變軌距動作時，通過彈簧壓縮鋼球運動到定位孔最底端，可準確實現自動對中及鎖定功能；

（5）隨動識別摩擦片鎖定機構簡單可靠，如圖6所示，通過推動止擋墊片可實現識別摩擦片的快速更換。

3.1.2 隨動裝置工作原理

如圖7所示，隨動裝置前端設置懸臂梁，懸臂梁安裝有識別車輪位置的識別摩擦片，識別摩擦片和車輪之間存在一定的識別間距S，當車輪變軌距時，車輪運動距離S后，車輪輪緣和識別摩擦片接觸，懸臂梁觸發變軌距機構帶動輪裝制動夾鉗單元同步運動，當車輪移動距離L完成變軌距時，輪裝制動夾鉗單元受隨動裝置內部鋼球定位機構作用繼續移動距離S，直至完成隨動距離L，使2個識別摩擦片始終保持和車輪處于對中位置。

3.1.3 隨動裝置技術參數

（1）隨動開啟壓力穩定，隨動阻力小，開啟壓力及隨動阻力不超過5 000 N。

（2）IP防護性高，采用橡膠保護套防護，可滿足GB/T 4208-2017《外殼防護等級》IP66S相關要求。

（3）內部采用柔性滑動軸承及低溫潤滑脂，可滿足低溫-50℃環境要求。

（4）隨動裝置連接制動夾鉗單元和轉向架，內部采用非金屬絕緣襯套，具備良好的絕緣性能，閘片托（閘片安裝面）與吊座（螺紋安裝孔）間在DC24V電壓下，電流值小于20 mA。

3.2 制動夾鉗

制動夾鉗由杠桿支架、夾鉗杠桿、閘片托等組成，如圖8所示，制動夾鉗通過吊掛銷軸和隨動裝置連接，并通過4個鉸接螺栓和制動缸連接，可將制動缸推力轉化成閘片推力，通過杠桿機構實現制動缸推力的放大。

制動夾鉗工作原理如圖9所示，制動時向制動缸充入壓縮空氣，制動缸伸長推動夾鉗杠桿繞轉軸轉動，帶動閘片抱緊制動盤實現制動。緩解時排出壓縮空氣，制動缸縮回時帶動閘片與制動盤分離實現緩解。其中，制動夾鉗杠桿倍率為j= 2×L1/L2。

3.3 制動缸

為滿足動車和拖車的制動力配置要求，閘片輸出力的控制通過調節制動夾鉗杠桿倍率和采用具有內部放大功能的制動缸來實現。

制動缸倍率調節原理如圖10所示，制動缸內置斜楔放大機構，斜楔角度為α，空氣壓力（Fp）推動活塞垂直向下運動，通過斜面推動調整機構轉化成水平推力 （Fk），并實現推力放大。其中，制動缸斜楔放大倍率為i= 1 / tanα。當制動夾鉗杠桿倍率確定后，可通過調節斜楔角度對制動倍率進行調節，在制動夾鉗外形接口一定的條件下提高方案配置的靈活性，此調節方式適用性強。

4 軸裝制動夾鉗單元技術方案

軸裝制動夾鉗單元基于傳統3點吊裝制動夾鉗單元進行設計，減小夾鉗杠桿、杠桿支架的體積和重量，設計連接吊座，體積小，重量輕，并且擁有3點吊裝制動夾鉗適用性強的優點。

軸裝停放制動夾鉗單元由制動夾鉗、制動缸和停放缸組成，如圖11所示。

（1）將3點吊裝結構通過連接吊座轉換成4點緊湊安裝接口，前吊點設置絕緣軸承，后吊點設置橡膠節點，此種結構可使制動夾鉗動作靈活，具有良好的絕緣性。同時連接機構具備柔性節點結構，以適應轉向架相對車軸在各方向的橫移擺動。

（2）制動缸內部無放大機構，通過制動夾鉗杠桿倍率匹配設計，可保證所有制動夾鉗單元輸出力統一。

（3）停放缸位于制動缸下方，采用垂向組合的方式，合理利用有效空間?；谥苿恿ζヅ湫枨螅宪囍苿訆A鉗杠桿倍率設置較低，基于低夾鉗杠桿倍率的軸裝停放制動夾鉗裝置設計是關鍵。為使停放缸輸出力不完全受限于杠桿倍率，停放缸與制動缸連接裝置單獨設置放大機構。制動缸和停放缸之間采用斜楔拉桿連接，如圖12所示，內部放大原理同制動缸內部放大原理類似，當施加停放制動力時，停放缸活塞向下運動，通過斜楔拉桿推動調整機構轉化成水平運動，并實現推力放大，當制動夾鉗杠桿倍率確定后，可通過調節斜楔拉桿斜面角度調整停放缸輸出力的大小。

5 試驗研究

5.1 制動夾鉗單元試驗

制動夾鉗單元裝車前需完成型式試驗及例行試驗，試驗方法及要求按照TB/T 3431-2015 《機車車輛制動夾鉗單元》執行，標準中規定制動夾鉗單元的試驗要求，包括外觀檢查、稱重、強度試驗、靈敏度試驗、密封性試驗、一次調整量試驗、最大調整量試驗、緩解間隙試驗、輸出力試驗、手動復位試驗、停放缸動作試驗、停放缸手動緩解試驗、靜態傳動效率試驗、低溫試驗、沖擊和振動試驗和疲勞試驗等。目前，關于隨動變軌距功能沒有相關標準及試驗方法參考，本文研究制定隨動變軌距試驗方法及要求，包括變軌距功能試驗、橫移復位試驗和疲勞試驗。

5.1.1 變軌距功能試驗

（1）試驗要求。列車變軌距時車輪軸向需移動一定的距離，從準軌（1 435 mm）變為寬軌（1 520 mm）需移動距離43.5 mm，當車輪移動到和隨動裝置識別摩擦片接觸時，隨動裝置開啟隨動變軌距動作，當車輪完成變軌距動作時，制動夾鉗單元需繼續運動，直至實現自動對中，隨動變軌距過程中制動夾鉗單元的移動距離需符合要求，移動阻力應穩定。

（2）試驗方法。制動夾鉗單元處于緩解狀態，將試驗臺車輪調整至制動夾鉗單元2個識別摩擦片中間位置，首先將車輪由寬軌位置移動到準軌位置，制動夾鉗單元通過識別摩擦片觸發隨動變軌距，完成隨動變軌距動作后仿形車輪和識別摩擦片之間應存在間隙。然后將車輪由準軌位置移動到寬軌位置，重復上述試驗。記錄2次隨動變軌距過程中制動夾鉗單元的相對位移和阻力，并判定是否合格。

5.1.2 橫移復位試驗

（1）試驗要求。車輛運行轉彎或受振動沖擊時，轉向架與車輪間會存在橫向移動，當隨動裝置識別間距小于車輪橫移距離時，可觸發制動夾鉗單元變軌距動作，當轉向架橫移復位時，變軌距裝置應能自動實現對中功能。

（2）試驗方法。制動夾鉗單元處于緩解狀態，將試驗臺車輪調整至制動夾鉗單元2個識別摩擦片中間位置，首先將車輪置于寬軌位置，并向右橫移距離S，車輪回位后制動夾鉗單元能夠自動復位，再將仿形車輪向左橫移距離S重復其試驗，然后將仿形車輪移動到準軌位置，重復上述操作。判定制動夾鉗單元在寬軌與準軌位置左右橫移是否能夠自動復位。

5.1.3 疲勞試驗

隨動變軌距可靠性需經疲勞試驗驗證，列車變軌距動作僅發生在2條不同軌距交接處，按每天進行1次變軌距動作、使用壽命30年計算，同時考慮運營期間檢修情況，疲勞試驗次數為1萬次。

5.2 裝車試驗

將制動夾鉗單元安裝于變軌距轉向架，除進行常規氣密性、制動、緩解、停放制動、停放緩解、手動緩解試驗外，還需在變軌距線路上進行變軌距試驗，主要驗證車輪動態旋轉變軌距時制動夾鉗單元是否能順利實現隨動變軌距，變軌距完成后制動夾鉗單元各項功能是否正常。

本文配置的方案已完成制動夾鉗單元地面型式試驗，并已在速度400 km/h跨國互聯互通高速動車組進行裝車，完成車上變軌距及相關試驗，制動夾鉗單元各項功能均正常。

6 結語

根據高速變軌距動車組轉向架對基礎制動配置要求，研制具有隨動變軌距功能的輪裝制動夾鉗單元和緊湊型軸裝制動夾鉗單元，介紹隨動變軌距試驗要求及方法，通過裝車驗證，證明具有隨動變軌距功能的輪裝制動夾鉗單元和緊湊型軸裝制動夾鉗單元滿足轉向架變軌距性能要求。本文所研究的內容可為解決制動夾鉗單元安裝空間小、制動力配置多樣性問題提供新思路，為動車組及其他類似軌道交通車輛隨動變軌距制動夾鉗單元設計提供參考。