李業(yè)明

（1 中國鐵道科學(xué)研究院機車車輛研究所，北京100081；2 北京縱橫機電技術(shù)開發(fā)公司，北京100094）

綜合技術(shù)研究

350 km／h高速動車組制動夾鉗單元設(shè)計*

李業(yè)明1，2

（1 中國鐵道科學(xué)研究院機車車輛研究所，北京100081；2 北京縱橫機電技術(shù)開發(fā)公司，北京100094）

在其他制動型式失效的情況下，基礎(chǔ)制動裝置是唯一的安全保障，故其性能和功能直接影響到制動系統(tǒng)狀態(tài)。而制動夾鉗單元作為基礎(chǔ)制動裝置關(guān)鍵部件，對列車運行的安全性尤為重要。本文主要介紹國內(nèi)首次裝車運用的速度350 km／h高速動車組自主知識產(chǎn)權(quán)制動夾鉗單元的設(shè)計研制及主要結(jié)構(gòu)特點。

動車組；制動夾鉗單元；基礎(chǔ)制動裝置；制動缸

隨著列車提速及高速動車組的大量運用，保障列車安全的制動系統(tǒng)至關(guān)重要，高速動車組制動系統(tǒng)的自主研發(fā)工作刻不容緩。制動夾鉗單元作為制動系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，其性能和功能直接影響到制動系統(tǒng)狀態(tài)。目前我國速度350 km／h高速動車組制動系統(tǒng)中采用的制動夾鉗單元基本是國外技術(shù)，增加了高鐵運營成本，實現(xiàn)其自主化勢在必行。

通過對速度350 km／h高速動車組制動夾鉗單元進行了深入研究，以速度350 km／h高速動車組制動系統(tǒng)的實際需求作為設(shè)計輸入，實現(xiàn)了具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的速度350 km／h高速動車組制動夾鉗單元的研制。試驗驗證也表明，制動夾鉗單元各項技術(shù)指標均滿足技術(shù)要求。速度350 km／h高速動車組制動夾鉗單元的研制成功，有效降低制動夾鉗單元運營成本，提高經(jīng)濟效益。

1 制動夾鉗單元的性能要求

速度350 km／h高速動車組制動夾鉗單元由于速度高，對制動夾鉗單元的性能提出了更高的要求?？紤]我國的地域環(huán)境特點以及運營成本，速度350 km／h高速動車組制動夾鉗單元須具備以下條件：

（1）能夠滿足－40℃～＋40℃的環(huán)境要求。－40℃高寒環(huán)境對制動夾鉗單元的靈活性、低溫調(diào)整性能、橡膠密封性以及結(jié)構(gòu)強度有顯著的影響。在其他制動型式失效的情況下，基礎(chǔ)制動裝置作為唯一的安全保障，必須保證制動夾鉗單元在低溫下各項功能正常。

（2）帶停放制動夾鉗單元，應(yīng)具有較大的停放制動力。帶停放制動夾鉗單元結(jié)構(gòu)復(fù)雜，采購成本高，設(shè)計具有較大停放制動力的帶停放制動夾鉗單元，在滿足速度350 km／h高速動車組一定坡道的停放需求時，可降低整列動車組帶停放制動夾鉗單元的數(shù)量，因而降低動車組的采購運營成本。

（3）具有單向間隙自動調(diào)整功能，能夠補償制動過程中閘片與制動盤的磨耗。

（4）能靈活適應(yīng)速度350 km／h高速動車組動力車和非動力車制動系統(tǒng)的性能要求。

2 速度350 km／h高速動車組制動夾鉗單元的配置

速度350 km／h高速動車組，依據(jù)轉(zhuǎn)向架的安裝空間以及制動系統(tǒng)對制動夾鉗單元性能的具體要求，可以進行靈活配置。以和諧號動車組CRH3C型車為例，每根非動力軸上安裝3套制動夾鉗單元，其中軸的1位、3位安裝φ203 mm不帶停放制動夾鉗單元，車軸的2位安裝φ203 mm帶停放制動夾鉗單元。動力軸上，因安裝有齒輪箱和電機牽引設(shè)備，安裝空間非常有限，同時為了保證制動性能，每根軸上安裝兩個φ254 mm不帶停放制動夾鉗單元。

3 制動夾鉗單元的結(jié)構(gòu)設(shè)計

針對速度350 km／h高速動車組制動系統(tǒng)對制動夾鉗單元性能的要求，自主知識產(chǎn)權(quán)的制動夾鉗單元主要由制動夾鉗和制動缸兩部分組成。根據(jù)制動系統(tǒng)的需求，速度350 km／h高速動車組制動夾鉗單元主要有3種型號，分別是：φ203 mm不帶停放制動夾鉗單元、φ203 mm帶停放制動夾鉗單元和φ254 mm不帶停放制動夾鉗單元。制動夾鉗單元的結(jié)構(gòu)示意圖見圖1～圖3。制動夾鉗單元的具體結(jié)構(gòu)特點如3.1～3.4所述。

圖1 φ203 mm不帶停放制動夾鉗單元

圖2 φ203 mm帶停放制動夾鉗單元

圖3 φ254 mm不帶停放制動夾鉗單元

3.1 單向間隙自動調(diào)整機構(gòu)及作用行程A

在制動夾鉗單元制動缸內(nèi)部設(shè)計有間隙調(diào)整裝置，能夠自動補償制動盤和閘片在制動過程中的磨耗。

制動夾鉗單元簡化模型見圖4所示。在高寒環(huán)境下（－40℃），下雪時及雪后列車運行中卷起的積雪會將制動盤、夾鉗、閘片以及轉(zhuǎn)向架包裹。不潔凈的積雪中會夾雜一些沙粒等硬質(zhì)粒子，混入閘片與制動盤之間。列車制動時進而磨削了制動盤，金屬磨屑與制動盤相比，它的熱容量小得多，所以在制動時這些小塊金屬溫度比制動盤溫度高得多，在下雪天氣時，它們的冷卻速度比制動盤快得多，因而硬度比制動盤要高。金屬磨削被積雪包裹殘留在閘片表面或摩擦塊縫隙中，制動摩擦?xí)r金屬就容易從較軟的制動盤向較硬的小塊金屬轉(zhuǎn)移，促使金屬鑲嵌物長大，使制動盤產(chǎn)生環(huán)形異狀磨耗。金屬切屑堆積熔融在閘片與制動盤之間，成為大塊金屬鑲嵌物，金屬鑲嵌物見圖5所示。

圖4 制動夾鉗單元簡化模型

圖5 閘片表面的金屬鑲嵌物

為了更好的適應(yīng)高寒環(huán)境下（－40℃）的上述運用工況，對制動缸設(shè)置大的作用行程A值，從而增大閘片與制動盤的間隙，積雪中夾雜的一些沙粒等硬質(zhì)粒子能夠通過閘片與制動盤的間隙，掉落到軌道上，有效防止硬質(zhì)粒子劃傷制動盤（目前高寒環(huán)境下（－40℃）硬物劃傷制動盤現(xiàn)象較多）。自主知識產(chǎn)權(quán)制動夾鉗單元能夠?qū)崿F(xiàn)閘片與制動盤的雙側(cè)間隙3～6 mm。

另外此結(jié)構(gòu)單元制動缸組裝方便，作用行程A由定位塊6和推筒支持套7的結(jié)構(gòu)尺寸保證，在制動缸組裝完成后，無需調(diào)整作用行程A值，能夠?qū)崿F(xiàn)現(xiàn)場更換波紋管14，無需重新對制動缸進行性能驗證，方便現(xiàn)場檢修和維護。具體結(jié)構(gòu)見圖6。

圖6 制動缸結(jié)構(gòu)

3.2 實現(xiàn)較大的停放制動力

帶停放制動夾鉗單元，可同時實現(xiàn)施加停放制動和常用制動的功能。在實際使用中，對停放制動力和常用制動力的要求互相矛盾。實際中要求停放制動力盡可能大，以盡量減小帶停放制動夾鉗單元的數(shù)量，減小使用成本；同時要求常用制動力適中，不應(yīng)太大，以防在運行中車輛制動時因超黏著導(dǎo)致擦輪。自主知識產(chǎn)權(quán)的制動夾鉗單元，通過在制動缸內(nèi)部設(shè)計停放制動力獨立的楔塊放大機構(gòu)，放大彈簧力，從而保證帶停放制動夾鉗單元具備較大的停放制動力且不影響常用制動功能，帶停放制動缸結(jié)構(gòu)見圖7。

3.3 φ203 mm和φ254 mm制動缸

為滿足制動系統(tǒng)性能的要求并適應(yīng)動力車和非動力車轉(zhuǎn)向架安裝空間，設(shè)計φ203 mm和φ254 mm兩種制動缸，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)和作用原理完全相同，僅為了適應(yīng)制動系統(tǒng)性能要求，將制動缸的內(nèi)部活塞直徑設(shè)計為φ203 mm和φ254 mm。為適應(yīng)－40℃高寒環(huán)境的需求，在采用適應(yīng)高寒環(huán)境的橡膠、潤滑脂以及金屬材料的同時，設(shè)計了波紋管保護閥，意在防止制動缸在結(jié)冰時呼吸堵被封堵而導(dǎo)致的波紋管漲裂這一現(xiàn)象。波紋管保護閥能夠在呼吸堵被封堵時通過膨脹的壓力空氣自動開啟，此時制動缸內(nèi)部與大氣連通，保障制動缸正常動作。φ203 mm和φ254 mm制動缸見圖8和圖9。

圖7 帶停放制動缸結(jié)構(gòu)

圖8 φ203 mm制動缸結(jié)構(gòu)示意圖

圖9 φ254 mm制動缸結(jié)構(gòu)示意圖

3.4 高寒結(jié)構(gòu)設(shè)計

自主知識產(chǎn)權(quán)的制動夾鉗單元，在結(jié)構(gòu)強度設(shè)計時考慮－40℃的高寒環(huán)境運用工況，在進行制動夾鉗部件的受力分析時，制動缸的最大工作壓力600 k Pa，根據(jù)GB／T 21563－2008的要求，考慮垂向、橫向沖擊為5g，縱向沖擊都為3g，同時制動夾鉗單元各部件考慮懸掛5 kg的冰雪工況。制動夾鉗單元主要受力部分的應(yīng)力云圖見圖10～圖16。主要受力部件材料選用Q600－7，屈服強度為370 MPa，因此，由計算結(jié)果可以得出結(jié)構(gòu)部件滿足強度要求。

圖10 制動杠桿有限元模型

圖11 制動杠桿應(yīng)力云圖

圖12 吊架有限元模型

4 與進口制動夾鉗單元的性能對比

速度50 km／h自主知識產(chǎn)權(quán)的制動夾鉗單元，業(yè)已完成例行出廠檢驗、低溫試驗、振動試驗、IP防護等級試驗以及疲勞試驗等相關(guān)試驗，并在速度350 km／h動車組上進行裝車運用。速度350 km／h自主知識產(chǎn)權(quán)的制動夾鉗單元與目前動車組上使用的進口制動夾鉗單元的主要性能對比見表1。

圖13 吊架應(yīng)力云圖

圖14 閘片托和吊桿有限元模型

圖15 閘片托應(yīng)力云圖

圖16 吊桿應(yīng)力云圖

5 結(jié) 論

計算及試驗結(jié)果表明，速度350 km／h自主知識產(chǎn)權(quán)的制動夾鉗單元，滿足－40℃～＋40℃時高速動車組制動系統(tǒng)對制動夾鉗單元的性能要求。相關(guān)制動夾鉗單元通過出廠驗證、型式試驗驗證和疲勞試驗驗證，其性能符合設(shè)計指標要求。目前，已在速度350 km／h高速動車組上進行裝車運用。

U290，91＋4

A

10.3969／j.issn.1008－7842.2016.06.01

1008－7842（2016）06－0001－04

*中國鐵路總公司科技研究技術(shù)開發(fā)項目（2014J004－G）；中國鐵道科學(xué)研究院科技研究開發(fā)計劃項目（2014YJ046）

2—）男，助理研究員（

2016－06－18）