徐少亭 孔德鵬 王震 刁有彬 黃士偉

摘 要：中低速磁浮車輛因其具有的懸浮特性，其機械制動形式與一般的城市軌道交通車輛不同。文章介紹 2 種國內中低速磁浮車輛用制動夾鉗單元的結構和工作原理，并根據(jù)中低速磁浮車輛的特點及使用工況，對制動夾鉗單元在運用過程中可能存在的風險及原因進行分析，從而提出制動夾鉗單元的設計建議，為制動夾鉗單元的設計與制造提供參考。

關鍵詞：城市軌道交通;中低速磁浮車輛;制動夾鉗單元;設計研究

中圖分類號：U237

中低速磁浮交通采用常導電磁懸浮技術實現(xiàn)懸浮導向，通過直線感應電機實現(xiàn)牽引和電制動，最高運行速度為120km/h。相對于地鐵車輛，中低速磁浮車輛具有轉彎半徑小、爬坡能力強、舒適平穩(wěn)、安全（不會脫軌）等優(yōu)勢。目前國內已開通載客運營的中低速磁浮線只有北京中低速磁浮交通示范線（S1線）和長沙磁浮快線2條線路，其磁浮車輛采用不同結構的液壓制動夾鉗單元。與機械制動采用踏面制動或盤形制動形式的輪軌式軌道交通車輛不同，中低速磁浮車輛的機械制動采用閘片夾緊軌道的形式施加摩擦制動，兩者的摩擦副形式差異較大，同時制動夾鉗單元的運用工況和使用環(huán)境發(fā)生較大變化，因此故障模式和風險也不同，制動夾鉗單元設計時的關注點也會有所不同。

1 基本結構與工作原理

1.1 基本結構

目前，北京S1線磁浮車輛采用的制動夾鉗單元為杠桿式，采用單油缸提供壓力，而長沙磁浮快線車輛采用直推式，由雙油缸提供壓力，這2種制動夾鉗單元均采用單向充油的制動油缸。2種制動夾鉗單元的結構分別如圖1和圖2所示，主要由制動杠桿、制動油缸、拉桿、支撐座、閘片托、傳力桿、閘片等部件組成。

2種制動夾鉗單元均為浮動式結構，內側制動杠桿和外側制動杠桿由穿過支撐座的拉桿相連，制動夾鉗單元整體懸掛安裝在車輛構架上。制動油缸產(chǎn)生的推力使閘片壓緊F型鋼軌（簡稱“F軌”）的制動面，傳力桿可將閘片與F軌摩擦產(chǎn)生的制動力傳遞至車輛構架上。

雖然2種制動夾鉗單元的結構差異較大，但其零部件實現(xiàn)的功能基本相同。杠桿式制動夾鉗單元各零部件之間主要通過銷軸連接，閘片托與制動杠桿通過銷軸連接;直推式制動夾鉗單元各零部件之間主要通過螺紋連接，閘片托與制動杠桿通過燕尾槽滑動配合，與制動油缸的活塞桿采用固定連接。

1.2 工作原理

1.2.1 杠桿式制動夾鉗單元工作原理

杠桿式制動夾鉗單元的制動油缸位于底部，制動油缸充油后活塞桿伸長，活塞桿推動內、外側制動杠桿同時動作并向外擴張，內、外側制動杠桿同時繞其與拉桿鉸接的銷軸轉動，并推動閘片托運動，使閘片壓緊F軌。該動作過程中，油壓轉換成制動油缸的活塞桿推力，通過內、外側制動杠桿傳遞并放大形成閘片壓力，使閘片與F軌之間產(chǎn)生摩擦力，即制動力。

1.2.2直推式制動夾鉗單元工作原理

直推式制動夾鉗單元的制動油缸位于頂部外側，與主動杠桿集成一體。制動油缸充油后活塞桿伸長，使外側閘片先貼靠F軌，同時主動杠桿繞其底部與連接桿鉸接的銷軸轉動;當外側閘片貼合F軌后，隨著活塞桿繼續(xù)伸長，主動杠桿通過拉桿拖動從動杠桿向外運動，即帶動內側閘片貼靠F軌，兩側閘片均壓緊F軌后產(chǎn)生摩擦力，即制動力。

2 設計建議

根據(jù)中低速磁浮車輛的運用工況以及制動夾鉗單元的特點，分析制動夾鉗單元在運用過程中可能存在的問題，并對其設計提出針對性的建議。

2.1 制動油缸滲漏及設計建議

制動油缸為車輛提供液壓動力，若制動油缸發(fā)生泄漏，容易造成缸爬行、研傷、環(huán)境污染以及不安全隱患等問題，因此其密封性能對制動力影響較大。分析認為，影響制動油缸密封性能的因素主要有密封方案及零部件質量控制、密封圈運動導向性、防護性能和液壓油清潔度。

2.1.1 密封方案及零部件質量控制

制動油缸工作時，隨著密封圈的往復運動，部分液壓油以油膜的形式從充油腔逐漸積累至無油腔，從活塞桿端或換氣裝置處外滲。

制動油缸設計時需考慮增加輔助密封圈。在選擇主、輔密封結構時，建議主密封圈選擇類似U形圈等密封唇口可反向回流的密封件，保證滲漏至主、輔密封圈之間的液壓油可順利返回充油腔，避免在其之間形成中間壓力。制動油缸設計時還需綜合考慮外部環(huán)境、工作壓力、工作行程、油缸尺寸、動作速度等因素，選擇活塞密封或活塞桿密封的形式，同時需對密封圈配合的溝槽結構尺寸以及缸體內壁的尺寸、粗糙度、圓柱度、硬度等項點進行嚴格控制。

2.1.2 密封圈運動導向性

車輛制動時，閘片與F軌摩擦產(chǎn)生制動力，閘片與閘片托之間存在較大的正壓力，閘片受摩擦力后會使閘片托產(chǎn)生沿F軌方向的摩擦力和微小的位移量（傳力桿與閘片托連接，會限制閘片托的運動位移量），此位移量對制動油缸的密封性能可能產(chǎn)生較大的影響。直推式制動夾鉗單元的閘片托與制動油缸活塞桿直接固定連接，密封圈會受到側向力，從而導致密封圈圓周方向受力不均，使密封圈單側磨損，增大了滲漏的風險。杠桿式制動夾鉗單元的閘片托與杠桿通過銷軸連接，杠桿受側向力帶動拉桿擠壓支撐座內的彈簧，使制動夾鉗單元整體微傾斜，但不會將側向力傳遞至制動油缸的活塞桿。

制動油缸設計時，建議在活塞桿工作行程內間隔設計至少2個導向耐磨環(huán)，為密封圈的運動提供良好的支撐，避免密封圈受力不均勻。

2.1.3 防護性能

制動油缸距離閘片較近，閘片磨損產(chǎn)生的磨屑會積落在制動油缸上，車輛運用環(huán)境中的灰塵、雨水等也會積落在其上，這些異物進入制動油缸會磨損密封圈和缸體內壁，從而造成滲油故障。

制動油缸設計時，需重點考慮防塵、防水結構，將換氣裝置置于相對隱蔽的部位，且換氣通道采用曲折結構，既能確保制動油缸的無油腔與大氣換氣順暢，又能保證灰塵、雨水等雜質不能進入制動油缸內部;建議制動油缸的防塵、防水性能滿足GB/T 4208-2017/IEC 60529：2013《外殼防護等級（P代碼）》標準中的IP65S等級要求。

2.1.4 液壓油清潔度

隨著制動次數(shù)的增加及液壓系統(tǒng)中零部件的磨損，液壓油的清潔度會逐漸下降，從而影響制動油缸的密封性能。

根據(jù)中低速磁浮車輛運用工況，建議每年更換1次液壓油（可根據(jù)實際運營里程和液壓油狀態(tài)適當延長），儲油容器需設置合理的過濾裝置及防護措施，避免注油過程或車輛運用過程中雜質進入液壓油，建議新加注的液壓油清潔度等級不低于GB/T 14039-2002《液壓傳動 油液 固體顆粒污染等級代號》標準中的15/12級。

2.2 閘片偏磨及設計建議

F軌內、外側的制動面與垂面設有7°夾角，閘片與F軌制動面摩擦產(chǎn)生制動力。理論上，制動夾鉗單元處于緩解狀態(tài)時，閘片摩擦面應與F軌制動面平行。

2.2.1 杠桿式制動夾鉗單元

閘片托與杠桿和傳力桿均通過銷軸連接，傳力桿的另一端與車體安裝座也通過銷軸連接，兩端的連接銷軸與銷孔之間均存在間隙，且傳力桿與車體安裝座的安裝槽存在垂向間隙，因此制動夾鉗單元在緩解狀態(tài)時，閘片在重力作用下向下轉動呈現(xiàn)“低頭”狀態(tài)，傳力桿無法約束閘片摩擦面，使其與F軌制動面完全平行。閘片以“低頭”狀態(tài)貼靠F軌時，閘片摩擦面與F軌制動面始終保持一個微小的夾角，因而閘片上側先與F軌接觸，造成初始偏磨。在閘片壓力建立后，閘片逐步與F軌完全貼合，隨著磨耗的加劇，偏磨趨勢逐步增大。

2.2.2 直推式制動夾鉗單元

主動杠桿和從動杠桿繞其與連接桿鉸接的銷軸轉動時，閘片與F軌制動面也會產(chǎn)生微小的夾角，兩者不再平行，尤其是主動杠桿較從動杠桿擺動角度大，外側閘片與F軌制動面的夾角更大。隨著閘片的磨耗，兩側制動杠桿的擺動量加大，夾角也會逐步增大。閘片在貼合F軌制動面時，閘片上側先與F軌接觸，從而造成初始偏磨，隨著磨耗的加劇，偏磨趨勢逐步增大。

制動夾鉗單元設計時，需合理設計傳力桿兩端的安裝接口結構，盡量減小接口尺寸的公差范圍，確保傳力桿只能垂向和橫向擺動而不能轉動。制動夾鉗單元隨車輛懸浮和降落時垂向發(fā)生位移變化，閘片托將帶動傳力桿垂向擺動;在閘片貼合F軌的過程中，閘片托會帶動傳力桿橫向擺動，但由于傳力桿的接口結構限制，傳力桿在橫向擺動過程中無法轉動，因此保證了閘片不會偏轉，閘片與F軌制動面保持平行，從而消除閘片的偏磨風險或減輕偏磨程度。

2.3 閘片磨損快及設計建議

中低速磁浮車輛采用閘片與F軌線性摩擦的機械制動形式，因此制動時閘片與F軌為間斷摩擦。車輛在正常運營進站時的一次制動過程中，由于機械制動距離較短，F(xiàn)軌制動面同一位置最多與先后2片閘片發(fā)生摩擦，因此制動過程中閘片與F軌摩擦產(chǎn)生的熱量不易積聚，對閘片和F軌的熱負荷要求較低。造成閘片磨損快即影響閘片使用壽命的因素主要有閘片摩擦體材料、摩擦副匹配、F軌制動面狀態(tài)和閘片摩擦體體積等。

2.3.1 閘片摩擦體材料

閘片摩擦體的材料及配方會直接影響閘片的使用壽命，根據(jù)城市軌道交通車輛的運用經(jīng)驗可知，在使用工況相同的前提下，建議選用銅基粉末冶金材料，因其具有良好的導熱性、耐蝕性、耐磨性和高溫力學性能。具體配方需根據(jù)實驗室驗證，因閘片與F軌的熱負荷小，從經(jīng)濟角度考慮，無須選擇成本較高的碳陶等材料的閘片。

2.3.2 摩擦副匹配

中低速磁浮車輛的F軌采用Q235冷軋成型，相對車輪踏面及制動盤，Q235材料的硬度較低，且在盤形制動中無應用經(jīng)驗。建議通過模擬1 ： 1臺架試驗充分研究Q235材質與閘片匹配的摩擦磨損性能，既需保證穩(wěn)定的摩擦系數(shù)，又需具有良好的耐磨性，使摩擦副表面狀態(tài)光滑平整。

2.3.3 F 軌制動面狀態(tài)

F軌制動面為非機加工面，表面粗糙，平面度相對較差，軌排之間設有不同型號的伸縮接頭，不同型號接頭的間距也不同，最大者為20～40 mm。中低速磁浮車輛F軌的標準軌距為1 860 mm，由于寬度較寬，現(xiàn)場安裝后相鄰兩軌排的制動面存在錯位差，軌排制動面的不良狀態(tài)以及接縫處的結構，會對高速通過軌排及接縫的閘片造成異常磨損和異常沖擊。因此，在軌排設計時，需提高制動面的表面質量，建議按制動盤表面的設計標準執(zhí)行，同時提高軌排安裝精度，減小相鄰軌排縫隙和制動面錯位高度，高度差不超過0.3 mm。

2.3.4 閘片摩擦體體積

車輛日常維護時，一般通過檢查摩擦體的殘余厚度來判定閘片是否使用到限，閘片使用壽命與摩擦體允許磨耗的體積成正比。在相同運用工況及制動壓力下，閘片摩擦面的面積越大，允許磨耗的厚度越大，其使用壽命則越長。建議車輛轉向架結構設計時，充分考慮制動夾鉗單元的安裝空間及閘片更換的操作空間，盡可能增大閘片的摩擦面積和允許的磨耗厚度，以提高使用壽命。

2.4 其他建議

中低速磁浮車輛的牽引、制動等關鍵系統(tǒng)與其他城市軌道交通車輛有較大差異，其制動夾鉗單元設計時還需考慮在特殊運用工況中可能受到的影響。

2.4.1 降低磁場力的影響

中低速磁浮車輛依靠電磁力實現(xiàn)車輛懸浮承載、驅動前移及導向，制動夾鉗單元安裝在直線電機附近，周圍環(huán)境中存在一定的電磁場力，因此，制動夾鉗單元零部件設計選材時，建議選用不銹鋼、鋁合金等不易被電磁場磁化的材料。

2.4.2 輕量化設計

（1）制動夾鉗單元設計時，需盡可能降低零部件的質量。這既可降低產(chǎn)品質量對整車懸浮控制精度的影響，又符合城市軌道交通車輛輕量化設計的要求。

（2）傳力桿結構設計時，在保證強度的前提下設計為空心結構，盡可能降低其自身質量，減小自身重力對閘片的影響，避免造成閘片受壓下沉及異常磨耗。

（3）制動杠桿設計時，盡可能縮小兩側杠桿的質量差，避免制動夾鉗單元偏重造成閘片偏磨。

2.4.3 防腐蝕設計

部分零部件在無法避免使用可導磁材料時，需根據(jù)零部件的使用工況選擇合適的防腐處理，降低電磁場對零部件防腐層的影響。

中低速磁浮車輛與負極軌之間需設置可靠的接地裝置，避免電流流經(jīng)制動夾鉗單元，防止電流對金屬零部件和閘片的腐蝕損壞。

2.4.4 模塊化設計

為提高產(chǎn)品的可維護性，降低維護成本，提高維護效率，建議制動夾鉗單元進行模塊化設計，具體如下。

（1）部件之間采用銷軸結構連接，便于拆裝操作。

（2）零部件防脫結構盡量少采用螺紋連接，便于拆裝操作。

（3）制動油缸端增加用于檢測或實時監(jiān)測油壓的接口，便于故障檢測。

3 結語

本文介紹了2種中低速磁浮車輛用制動夾鉗單元的基本結構和工作原理，結合車輛的運用工況和特點，提出了制動夾鉗單元在運用過程中可能出現(xiàn)的制動油缸滲漏、閘片偏磨、閘片磨損快等問題，分析了它們出現(xiàn)的原因并針對性地提出設計建議;同時考慮到中低速磁浮車輛的特殊運用工況，針對制動夾鉗單元在降低磁場力影響、輕量化、防腐蝕、模塊化等方面提出了設計建議，為制動夾鉗單元運用問題的解決、產(chǎn)品優(yōu)化以及新產(chǎn)品設計提供參考。

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收稿日期 2019-10-28

責任編輯 黨選麗

Research on design of brake clamp unit of medium and low speed maglev vehicle

Xu Shaoting， Kong Depeng， Wang Zhen， et al.

Abstract： Due to suspension characteristics of medium and low speed maglev， its mechanical braking mode is different from that of general urban rail transit vehicles. This paper introduces the structure and working principle of the two different brake clamp units for medium and low speed maglev vehicles in China. With the characteristics and working conditions of the medium and low speed maglev vehicles， it analyzes the potential risks and causes in the use of the brake clamp units， and puts forward the design suggestions， providing a reference for the design and manufacture of the brake clamp unit.

Keywords： urban rail transit， medium and low speed maglev vehicle， brake clamp unit， design research