350 km／h高速动车组制动夹钳单元设计*

2016-02-02 03:10:29李业明

铁道机车车辆 2016年6期

关键词：闸片制动缸夹钳

李业明

（1 中国铁道科学研究院机车车辆研究所，北京100081；2 北京纵横机电技术开发公司，北京100094）

综合技术研究

350 km／h高速动车组制动夹钳单元设计*

李业明1，2

（1 中国铁道科学研究院机车车辆研究所，北京100081；2 北京纵横机电技术开发公司，北京100094）

在其他制动型式失效的情况下，基础制动装置是唯一的安全保障，故其性能和功能直接影响到制动系统状态。而制动夹钳单元作为基础制动装置关键部件，对列车运行的安全性尤为重要。本文主要介绍国内首次装车运用的速度350 km／h高速动车组自主知识产权制动夹钳单元的设计研制及主要结构特点。

动车组；制动夹钳单元；基础制动装置；制动缸

随着列车提速及高速动车组的大量运用，保障列车安全的制动系统至关重要，高速动车组制动系统的自主研发工作刻不容缓。制动夹钳单元作为制动系统的关键部件，其性能和功能直接影响到制动系统状态。目前我国速度350 km／h高速动车组制动系统中采用的制动夹钳单元基本是国外技术，增加了高铁运营成本，实现其自主化势在必行。

通过对速度350 km／h高速动车组制动夹钳单元进行了深入研究，以速度350 km／h高速动车组制动系统的实际需求作为设计输入，实现了具有完全自主知识产权的速度350 km／h高速动车组制动夹钳单元的研制。试验验证也表明，制动夹钳单元各项技术指标均满足技术要求。速度350 km／h高速动车组制动夹钳单元的研制成功，有效降低制动夹钳单元运营成本，提高经济效益。

1 制动夹钳单元的性能要求

速度350 km／h高速动车组制动夹钳单元由于速度高，对制动夹钳单元的性能提出了更高的要求。考虑我国的地域环境特点以及运营成本，速度350 km／h高速动车组制动夹钳单元须具备以下条件：

（1）能够满足－40℃～＋40℃的环境要求。－40℃高寒环境对制动夹钳单元的灵活性、低温调整性能、橡胶密封性以及结构强度有显著的影响。在其他制动型式失效的情况下，基础制动装置作为唯一的安全保障，必须保证制动夹钳单元在低温下各项功能正常。

（2）带停放制动夹钳单元，应具有较大的停放制动力。带停放制动夹钳单元结构复杂，采购成本高，设计具有较大停放制动力的带停放制动夹钳单元，在满足速度350 km／h高速动车组一定坡道的停放需求时，可降低整列动车组带停放制动夹钳单元的数量，因而降低动车组的采购运营成本。

（3）具有单向间隙自动调整功能，能够补偿制动过程中闸片与制动盘的磨耗。

（4）能灵活适应速度350 km／h高速动车组动力车和非动力车制动系统的性能要求。

2 速度350 km／h高速动车组制动夹钳单元的配置

速度350 km／h高速动车组，依据转向架的安装空间以及制动系统对制动夹钳单元性能的具体要求，可以进行灵活配置。以和谐号动车组CRH3C型车为例，每根非动力轴上安装3套制动夹钳单元，其中轴的1位、3位安装φ203 mm不带停放制动夹钳单元，车轴的2位安装φ203 mm带停放制动夹钳单元。动力轴上，因安装有齿轮箱和电机牵引设备，安装空间非常有限，同时为了保证制动性能，每根轴上安装两个φ254 mm不带停放制动夹钳单元。

3 制动夹钳单元的结构设计

针对速度350 km／h高速动车组制动系统对制动夹钳单元性能的要求，自主知识产权的制动夹钳单元主要由制动夹钳和制动缸两部分组成。根据制动系统的需求，速度350 km／h高速动车组制动夹钳单元主要有3种型号，分别是：φ203 mm不带停放制动夹钳单元、φ203 mm带停放制动夹钳单元和φ254 mm不带停放制动夹钳单元。制动夹钳单元的结构示意图见图1～图3。制动夹钳单元的具体结构特点如3.1～3.4所述。

图1 φ203 mm不带停放制动夹钳单元

图2 φ203 mm带停放制动夹钳单元

图3 φ254 mm不带停放制动夹钳单元

3.1 单向间隙自动调整机构及作用行程A

在制动夹钳单元制动缸内部设计有间隙调整装置，能够自动补偿制动盘和闸片在制动过程中的磨耗。

制动夹钳单元简化模型见图4所示。在高寒环境下（－40℃），下雪时及雪后列车运行中卷起的积雪会将制动盘、夹钳、闸片以及转向架包裹。不洁净的积雪中会夹杂一些沙粒等硬质粒子，混入闸片与制动盘之间。列车制动时进而磨削了制动盘，金属磨屑与制动盘相比，它的热容量小得多，所以在制动时这些小块金属温度比制动盘温度高得多，在下雪天气时，它们的冷却速度比制动盘快得多，因而硬度比制动盘要高。金属磨削被积雪包裹残留在闸片表面或摩擦块缝隙中，制动摩擦时金属就容易从较软的制动盘向较硬的小块金属转移，促使金属镶嵌物长大，使制动盘产生环形异状磨耗。金属切屑堆积熔融在闸片与制动盘之间，成为大块金属镶嵌物，金属镶嵌物见图5所示。

图4 制动夹钳单元简化模型

图5 闸片表面的金属镶嵌物

为了更好的适应高寒环境下（－40℃）的上述运用工况，对制动缸设置大的作用行程A值，从而增大闸片与制动盘的间隙，积雪中夹杂的一些沙粒等硬质粒子能够通过闸片与制动盘的间隙，掉落到轨道上，有效防止硬质粒子划伤制动盘（目前高寒环境下（－40℃）硬物划伤制动盘现象较多）。自主知识产权制动夹钳单元能够实现闸片与制动盘的双侧间隙3～6 mm。

另外此结构单元制动缸组装方便，作用行程A由定位块6和推筒支持套7的结构尺寸保证，在制动缸组装完成后，无需调整作用行程A值，能够实现现场更换波纹管14，无需重新对制动缸进行性能验证，方便现场检修和维护。具体结构见图6。

图6 制动缸结构

3.2 实现较大的停放制动力

带停放制动夹钳单元，可同时实现施加停放制动和常用制动的功能。在实际使用中，对停放制动力和常用制动力的要求互相矛盾。实际中要求停放制动力尽可能大，以尽量减小带停放制动夹钳单元的数量，减小使用成本；同时要求常用制动力适中，不应太大，以防在运行中车辆制动时因超黏着导致擦轮。自主知识产权的制动夹钳单元，通过在制动缸内部设计停放制动力独立的楔块放大机构，放大弹簧力，从而保证带停放制动夹钳单元具备较大的停放制动力且不影响常用制动功能，带停放制动缸结构见图7。

3.3 φ203 mm和φ254 mm制动缸

为满足制动系统性能的要求并适应动力车和非动力车转向架安装空间，设计φ203 mm和φ254 mm两种制动缸，其内部结构和作用原理完全相同，仅为了适应制动系统性能要求，将制动缸的内部活塞直径设计为φ203 mm和φ254 mm。为适应－40℃高寒环境的需求，在采用适应高寒环境的橡胶、润滑脂以及金属材料的同时，设计了波纹管保护阀，意在防止制动缸在结冰时呼吸堵被封堵而导致的波纹管涨裂这一现象。波纹管保护阀能够在呼吸堵被封堵时通过膨胀的压力空气自动开启，此时制动缸内部与大气连通，保障制动缸正常动作。φ203 mm和φ254 mm制动缸见图8和图9。

图7 带停放制动缸结构

图8 φ203 mm制动缸结构示意图

图9 φ254 mm制动缸结构示意图

3.4 高寒结构设计

自主知识产权的制动夹钳单元，在结构强度设计时考虑－40℃的高寒环境运用工况，在进行制动夹钳部件的受力分析时，制动缸的最大工作压力600 k Pa，根据GB／T 21563－2008的要求，考虑垂向、横向冲击为5g，纵向冲击都为3g，同时制动夹钳单元各部件考虑悬挂5 kg的冰雪工况。制动夹钳单元主要受力部分的应力云图见图10～图16。主要受力部件材料选用Q600－7，屈服强度为370 MPa，因此，由计算结果可以得出结构部件满足强度要求。