200 km/h內(nèi)置軸箱轉(zhuǎn)向架用制動(dòng)夾鉗單元設(shè)計(jì)開發(fā)

韓紅文 茍青炳 朱君華

(中車戚墅堰機(jī)車車輛工藝研究所有限公司 江蘇 常州 213011)

0 概述

近年來由于對(duì)于軌道車輛的輕量化、低輪軌作用力、低磨耗、低噪聲的要求不斷增加，內(nèi)置軸箱轉(zhuǎn)向架越來越受到用戶的青睞。其顯著特點(diǎn)是采用內(nèi)置式結(jié)構(gòu)，綜合利用新材料和新能源等關(guān)鍵技術(shù)，采用目前國(guó)際最先進(jìn)的制造工藝和焊接技術(shù)，在結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不變的情況下，比原有轉(zhuǎn)向架重量減輕30%，具有軸重輕、轉(zhuǎn)向架空間緊湊等特點(diǎn)。

在現(xiàn)階段軌道車輛設(shè)計(jì)中，軸箱外置式轉(zhuǎn)向架將軸箱布置在輪對(duì)外側(cè)。軸箱內(nèi)置方式是將軸箱懸掛裝置從輪對(duì)外側(cè)移至輪對(duì)內(nèi)側(cè)，一方面縮短了輪對(duì)車軸長(zhǎng)度，減小了輪對(duì)質(zhì)量，降低了一系簧的簧下質(zhì)量，改善了輪軌接觸；另一方面，隨著一系簧橫向跨距減小，構(gòu)架縱向梁間的橫向間距也得到縮短，其質(zhì)量也相應(yīng)減小。采用軸箱內(nèi)置方式不僅能降低簧下質(zhì)量，改善車輛曲線，提高性能和降低輪軌磨耗，還能將轉(zhuǎn)向架設(shè)計(jì)得更加緊湊[1]。

內(nèi)置軸箱轉(zhuǎn)向架應(yīng)用較為成熟的是加拿大龐巴迪公司研制的時(shí)速200 km的FLEXX Eco轉(zhuǎn)向架，主要優(yōu)勢(shì)是轉(zhuǎn)向架自重輕，彎道附著性能改善。其在英國(guó)應(yīng)用最為廣泛[2]。

西門子公司研制的SF7000型轉(zhuǎn)向架，也已開始在英國(guó)市場(chǎng)應(yīng)用，該轉(zhuǎn)向架重量減輕了30%，最高運(yùn)行速度為160 km/h。通過跟蹤英國(guó)鐵路公司的應(yīng)用情況，列車運(yùn)營(yíng)成本較傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向架節(jié)省11%。因此，在城軌車輛運(yùn)營(yíng)成本方面，具有比較大的優(yōu)勢(shì)。國(guó)內(nèi)少部分地鐵車輛采用了軸箱內(nèi)置式的轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)，運(yùn)營(yíng)速度較低、運(yùn)營(yíng)車輛數(shù)較少，對(duì)于內(nèi)置式軸箱轉(zhuǎn)向架技術(shù)的研究還有廣闊的空間。

為適應(yīng)軌道車輛內(nèi)置軸箱轉(zhuǎn)向架的要求，中車戚墅堰機(jī)車車輛工藝研究所有限公司(以下簡(jiǎn)稱“中車戚墅堰所”)研發(fā)的側(cè)向安裝制動(dòng)夾鉗單元，除具有結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕等特點(diǎn)外，由于其采用側(cè)向安裝吊掛結(jié)構(gòu)，使得內(nèi)置軸箱轉(zhuǎn)向架的夾鉗接口設(shè)計(jì)較為簡(jiǎn)單，不需要設(shè)計(jì)跨度較大的吊座，使夾鉗單元安裝更加簡(jiǎn)便。

1 設(shè)計(jì)輸入?yún)?shù)

根據(jù)客戶技術(shù)輸入及地鐵車輛的運(yùn)行工況，其車輛技術(shù)參數(shù)和制動(dòng)系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 車輛和制動(dòng)技術(shù)參數(shù)

2 方案設(shè)計(jì)

2.1 總體介紹

制動(dòng)夾鉗單元是鐵路車輛制動(dòng)系統(tǒng)的重要組成部分，尤其在制動(dòng)頻繁的地鐵車輛上，更加要求制動(dòng)夾鉗單元具有更高的可靠性，以此來保證車輛的安全運(yùn)行。

根據(jù)設(shè)計(jì)輸入要求，內(nèi)置軸箱轉(zhuǎn)向架預(yù)留給制動(dòng)夾鉗單元的安裝空間有限，結(jié)合中車戚墅堰所現(xiàn)有產(chǎn)品，制動(dòng)夾鉗單元采用公司JC型緊湊式制動(dòng)夾鉗單元，并對(duì)其安裝結(jié)構(gòu)重新設(shè)計(jì)，以滿足內(nèi)置軸箱轉(zhuǎn)向架的吊掛要求。圖1所示為軌道車輛用內(nèi)置軸箱轉(zhuǎn)向架模型。

圖1 內(nèi)置軸箱轉(zhuǎn)向架

根據(jù)轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)型式和空間布局，制動(dòng)夾鉗單元采用側(cè)向安裝方式與轉(zhuǎn)向架聯(lián)接，通過四根螺栓將制動(dòng)夾鉗單元安裝緊固在轉(zhuǎn)向架接口處，在內(nèi)部設(shè)置有方鍵結(jié)構(gòu)，以承受夾鉗的制動(dòng)力矩。圖2所示為制動(dòng)夾鉗單元方案圖。

圖2 輪裝制動(dòng)夾鉗單元(左、右)

制動(dòng)夾鉗單元主要由制動(dòng)缸和制動(dòng)夾鉗兩部分組成。如圖3所示，向制動(dòng)缸內(nèi)充入氣體，制動(dòng)缸產(chǎn)生制動(dòng)力，通過制動(dòng)夾鉗的杠桿，將制動(dòng)缸輸出力最終轉(zhuǎn)化為閘片與制動(dòng)盤的正壓力，通過閘片與制動(dòng)盤的摩擦，產(chǎn)生制動(dòng)力矩，傳遞到輪軸上，最終轉(zhuǎn)化為車輪的制動(dòng)力矩。在制動(dòng)狀態(tài)下，制動(dòng)夾鉗單元的制動(dòng)力矩將傳遞到吊掛接口上，此時(shí)，設(shè)計(jì)的方鍵將承受制動(dòng)力矩，這將保護(hù)聯(lián)接螺栓不承受較大的制動(dòng)扭矩。

圖3 制動(dòng)夾鉗單元安裝位置簡(jiǎn)圖

2.2 制動(dòng)缸

制動(dòng)夾鉗單元所用的制動(dòng)缸是基于公司現(xiàn)有JC型制動(dòng)缸的基礎(chǔ)上進(jìn)行系列化設(shè)計(jì)，其工作原理如圖4所示。

圖4 常用制動(dòng)缸動(dòng)作原理

壓縮空氣P充入缸體，空氣推動(dòng)活塞組成向下運(yùn)動(dòng)，活塞楔形塊向下運(yùn)動(dòng)的同時(shí)改變力的傳遞方向并通過斜面進(jìn)行放大，實(shí)現(xiàn)制動(dòng)缸內(nèi)部力的放大，向下的力轉(zhuǎn)變?yōu)橹鬏S向左的力。

制動(dòng)缸內(nèi)部力的放大倍率與斜面角度有關(guān)，根據(jù)圖4的力關(guān)系的示意圖，可以得出計(jì)算公式為：

式中：i為制動(dòng)倍率，P1為活塞作用力，K為制動(dòng)單元輸出力，a楔角角度[3]。

其結(jié)構(gòu)具有如下優(yōu)點(diǎn)：

(1)該制動(dòng)缸結(jié)構(gòu)緊湊，占用空間小，且性能可靠；(2)制動(dòng)缸緩解間隙的設(shè)置，在不改變零部件的情況下，采用了手動(dòng)設(shè)置，有利于在使用過程中的維護(hù)；(3)制動(dòng)缸內(nèi)部具有力放大功能，相同缸徑情況下制動(dòng)力和停放力可調(diào)，系列化和譜系化較簡(jiǎn)單，有利于產(chǎn)品定制化。

2.3 制動(dòng)夾鉗

制動(dòng)夾鉗是將制動(dòng)缸產(chǎn)生的制動(dòng)力傳遞為閘片正壓力的機(jī)構(gòu)，其組成如圖5所示。制動(dòng)夾鉗通過吊掛組件連接至轉(zhuǎn)向架上，通過螺紋銷連接制動(dòng)缸，閘片安裝在閘片托上，通過杠桿組件將制動(dòng)缸輸出的力傳遞至閘片處，各組件的連接處均通過轉(zhuǎn)動(dòng)副連接。

1—吊掛組件；2—?dú)んw組件；3—螺紋銷； 4—杠桿組件；5—閘片托組件。圖5 制動(dòng)夾鉗結(jié)構(gòu)圖

吊掛組件采用了側(cè)向安裝方式，與常用的吊掛方式差異較大，針對(duì)吊掛新結(jié)構(gòu)需對(duì)其進(jìn)行詳細(xì)的分析校核。

2.4 制動(dòng)夾鉗吊掛分析校核

根據(jù)車輛運(yùn)行和制動(dòng)夾鉗單元的設(shè)計(jì)參數(shù)，通過計(jì)算制動(dòng)夾鉗單元所需承擔(dān)的制動(dòng)力為36 kN。

工況1：閘片托雙側(cè)夾緊力為36 kN，閘片托受向上摩擦力；

工況2：閘片托雙側(cè)夾緊力為36 kN，閘片托受向下摩擦力。

工況1中，制動(dòng)夾鉗最大應(yīng)力出現(xiàn)在殼體上，為157.14 MPa。各零件最大應(yīng)力及其位置、最大變形及其位置如圖6、圖7所示。其中側(cè)向安裝吊架和螺栓的分析結(jié)果也符合設(shè)計(jì)要求。

圖6 工況1應(yīng)力圖

圖7 工況1變形圖

工況2與工況1為對(duì)稱工況，在此，受力與變形就不一一列出，經(jīng)過匯總，如表2所示。

表2 制動(dòng)夾鉗各工況應(yīng)力與變形匯總

通過分析可以看出，制動(dòng)夾鉗的零件材質(zhì)及結(jié)構(gòu)滿足使用要求，側(cè)向安裝吊掛與聯(lián)接螺栓的最大應(yīng)力與最大變形也符合使用要求。

3 空間校核

根據(jù)轉(zhuǎn)向架一系簧運(yùn)動(dòng)范圍及盤片參數(shù)，對(duì)所設(shè)計(jì)制動(dòng)夾鉗單元進(jìn)行各工況下的空間校核(見圖8)。

圖8 制動(dòng)夾鉗單元空間校核

根據(jù)客戶設(shè)計(jì)輸入，轉(zhuǎn)向架一系簧運(yùn)動(dòng)范圍及相關(guān)盤片參數(shù)如表3所示。

表3 一系簧運(yùn)動(dòng)范圍及盤片參數(shù)

根據(jù)轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)型式及相關(guān)設(shè)計(jì)輸入分析，主要需校核以下工況下制動(dòng)夾鉗單元與輪對(duì)、軸箱及轉(zhuǎn)向架的空間距離。通過校核，各工況下制動(dòng)夾鉗單元距構(gòu)架、輪緣和軸箱的距離如表4所示。

其中X向、Y向、Z向示意如圖9所示。

表4 空間校核結(jié)果 /mm

圖9 轉(zhuǎn)向架一系簧運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系

根據(jù)上表可知，各工況下制動(dòng)夾鉗單元滿足使用要求。

4 結(jié)束語

根據(jù)客戶設(shè)計(jì)輸入條件，通過產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、制動(dòng)計(jì)算、空間校核和有限元分析，開發(fā)了適應(yīng)200 km/h內(nèi)置軸箱轉(zhuǎn)向架用制動(dòng)夾鉗單元。滿足其輕量化、緊湊化等要求，特別是采用側(cè)向吊掛安裝方式，給轉(zhuǎn)向架的設(shè)計(jì)帶來極大的便利，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)同行業(yè)的空白，為國(guó)內(nèi)內(nèi)置軸箱轉(zhuǎn)向架提供了匹配的制動(dòng)夾鉗單元。從客戶裝車效果來看，滿足其內(nèi)置軸箱轉(zhuǎn)向架有限安裝空間的要求，且制動(dòng)夾鉗單元具有輕量化、大制動(dòng)力和大停放力等優(yōu)點(diǎn)[4-5]。

該制動(dòng)夾鉗單元采用模塊化設(shè)計(jì)思路，根據(jù)具體項(xiàng)目的設(shè)計(jì)輸入，僅需更改極少數(shù)的零件即可滿足設(shè)計(jì)輸入要求，大大降低了產(chǎn)品研發(fā)、生產(chǎn)和制造成本，縮短了產(chǎn)品的開發(fā)周期，能實(shí)現(xiàn)制動(dòng)夾鉗單元客戶定制化要求，因此具有很大的市場(chǎng)推廣意義。