磁浮列车制动夹钳结构分析及优化

张旦旦 刘洋 吴沫

摘 要：首先介绍现有中低速磁浮列车制动夹钳的结构，然后针对夹钳结构存在的回位弹簧过压缩、闸片偏磨、防尘罩相互挤压等问题进行分析，并提出优化方案。

关键词：磁浮列车;制动夹钳;回位卡滞;偏磨;漏油;优化

中图分类号：U237

随着国内城市的快速发展，国民经济和人员流动的加速，人们对交通“绿色、低碳、高效、环保”的要求也越来越强烈。磁浮列车作为一种新型轨道交通工具，具有噪声低、舒适性高、爬坡能力强、转弯半径小、适应性强、维护成本低、安全环保等突出优点，是解决城市交通拥堵问题的极佳绿色方案。安全可靠停车是评价磁浮列车系统好坏的最重要因素，制动系统的性能则直接决定其安全性。制动夹钳是磁浮列车制动系统的执行部件，电子制动控制单元（EBCU）根据列车指令控制液压制动控制单元（HBCU）为制动夹钳提供压力油，制动夹钳上的活塞杆在压力油作用下推动闸片夹紧F轨，对列车实施制动，制动夹钳的性能可靠与否直接关系列车的运行安全，因此设计一款性能稳定可靠的制动夹钳尤为重要。

1 制动夹钳结构组成

制动夹钳由主动夹块组件、从动夹块、减震垫组件、闸片组件、闸片连杆、排气测压接头、上吊杆、下吊杆、压块、定位套管、防尘罩、弹簧等零部件组成，如图1和图2所示。

1.1 主动夹块组件

主动夹块组件主要由主动夹块、活塞、U形密封圈、导向环等零件组成。由于磁浮列车的轻量化要求，主动夹块为铝合金铸造件，核心结构相当于液压油缸的缸筒，当主动夹块组件充入液压油后，液压油推动活塞从而带动闸片夹紧轨道，进行摩擦制动。

1.2 从动夹块

为达到轻量化的要求，从动夹块的材质同样为铝合金铸件。主动夹块夹紧F轨后，F轨给主动夹块的反向作用力带动上吊桿，上吊杆再带动从动夹块贴合F轨的另一面。随着油压的增大，从动夹块与主动夹块一起夹紧F轨，进行摩擦制动。

1.3 闸片连杆

闸片连杆与闸片通过销轴连接，另外一端通过销轴连接在横向滑橇座上。闸片连杆用以传递磁浮列车制动时夹钳与F轨之间产生的制动摩擦力，制动反力通过闸片连杆传递到横向滑橇座上。由于密封材料不能承受过大的径向载荷，制动力的传递基本消除了对主动夹块内腔密封件的损坏。通常，闸片连杆由空心不锈钢无缝钢管焊接而成，在保证强度的同时还进行了减重设计，从而在一定程度上减少了闸片缓解不良现象的发生。

1.4 闸片组件

闸片由钢背和摩擦片组成。其中，钢背材质为不锈钢，是摩擦片的载体;摩擦片材质为粉末冶金材料，动态摩擦系数为0.3，可耐350 ℃高温。

1.5 减震垫组件

减震垫组件（图3）由金属材料和丁腈橡胶硫化而成，橡胶部分呈葫芦状，中心的金属套环可在上吊杆的带动下上下浮动，当磁浮列车悬浮时，浮起高度为8mm左右。减震垫的作用是当闸片夹紧F轨时列车落车或者悬浮不至于拉弯上吊杆而损坏制动夹钳。

1.6 安装板

制动夹钳安装在磁浮列车的极板上，因此极板就是安装板。极板上有2个腰型孔，专门安装2个减震垫，从而将制动夹钳通过2个上吊杆固定。

1.7 排气测压接头

排气测压接头与主动夹块内腔相通，用于排出油路中的气体，同时在此处接1 个压力表可以检测夹钳内部的油压。为保证油压系统的稳定性，安装完制动夹钳必须进行排气。

1.8 防尘罩

防尘罩安装于主动夹块油缸腔体外部，其主要作用是防止粉尘进入活塞杆。粉尘一旦进入，密封圈和活塞杆将会加速磨损，最终导致漏油。因此，为保证防尘罩的寿命，一般使用抗老化的氯丁橡胶。

2现有磁浮制动夹钳结构分析及优化

2.1 回位弹簧过压缩问题分析及优化

现有磁浮制动夹钳主动夹块组件中的活塞杆靠油压推出，活塞杆推动闸片组件夹紧F轨进行摩擦制动，制动的缓解（活塞杆缩回）通过2根压缩弹簧实现，如图 4所示。由于空间限制，2根回位弹簧中径和线径较小，导向杆尺寸也较小，为了保证回复力，回位弹簧经常处于过压缩状态，还要经受粉尘和雨水的腐蚀，弹簧寿命大大减小。导向杆由于受到制动反力作用也极易弯曲，导致活塞回位卡滞，使得闸片在非制动状态下仍受到磨损，存在较大的安全隐患。

由图4可以看出，试验中在制动夹钳处于夹紧状态下时，回位弹簧严重过压缩，且已经弯曲，导向杆局部已经出现磨损。

优化后的结构将回位弹簧安装在主动夹块腔体内部，如图5所示。左右腔体各1个，杜绝了弹簧与粉尘和雨水的接触;同时加大了弹簧的线径和中径，弹簧刚度增强，解决了弹簧过压缩的问题，弹簧寿命增加。弹簧利用活塞杆进行导向，制动反力无法使活塞杆弯曲，制动夹钳制动、缓解动作灵活，回位卡滞问题得以解决。2种方案参数对比如表1所示。

2.2 闸片偏磨问题分析及优化

现有磁浮制动夹钳闸片与背板的连接为燕尾槽形式（图6），制动时活塞杆推动背板带动闸片夹紧F轨，闸片上的制动反力通过燕尾槽结构传递到闸片连杆上。由于F轨有一个7°的偏角，因此制动夹钳闸片部分的结构也要设计一个角度，使闸片与F轨平行，这样制动时就能完全贴合F轨进行摩擦制动。这种设计对机械加工要求较高，且燕尾槽加工难度较大，批量生产质量难以保证，废品率较高，经常会出现闸片与F轨不平行而导致闸片偏磨情况发生。

优化后的结构将闸片安装块与闸片连接处的燕尾槽改为轴和孔的配合（图7），轴为半轴，将棒料在铣床加工掉一部分，形成一个可以打孔的平面，半轴与闸片背板利用螺钉连接，闸片安装块上的燕尾加工成一个半孔，与半轴配合，中间留出1 mm随动间隙，在计算机上进行模拟。该间隙能够保证闸片顺时针或者逆时针转动2.5°，还可使闸片在与F轨接触后配合F轨的角度转动，从而保证闸片摩擦面与F轨平面完全接触。这样，不但解决了闸片的偏磨问题，同时也降低了生产加工成本。

2.3 防尘罩相互挤压问题分析及优化

由于主动夹块上2个油腔距离较近，现有防尘罩之间存在相互挤压的现象，如图8所示。当制动夹钳制动或缓解时，2个防尘罩一直相互摩擦，随着时间的积累，防尘罩会被磨破。由于2个防尘罩相互挤压重合，破损处短时间内难以发现，直到最终粉尘进入活塞杆、密封圈和活塞杆磨损漏油后才会被发现。漏油将导致磁浮列车制动失效，这在城市轨道交通车辆上是不允许的。

为了避免2个防尘罩之间相互挤压，优化方案中增大了主动夹块2个油腔的距离（图9），相互挤压磨损的问题得以解决，同时防尘罩安装喉箍的空间增加了，这对防尘罩的安装和后期维护都有很大的帮助。

优化后的制动夹钳结构如图10所示，不仅解决了回位弹簧过压缩、闸片偏磨、防尘罩相互挤压等问题，而且结构上看起来更加简洁，可靠性也更高，在应用方面更容易被业主接受。

3 结语

制动夹钳的性能稳定性、可靠性一直是磁浮领域的研究课题，本文通过对现有制动夹钳结构进行分析，针对其存在的回位弹簧过压缩、闸片偏磨、防尘罩相互挤压等问题，提出了相应的优化设计方案，基本上解决了已经装车运营的制动夹钳问题。今后，磁浮列车制动夹钳的研究方向将会是新材料的应用，这将有助于实现列车轻量化。

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收稿日期2019-12-04

責任编辑党选丽

Analysis and optimization of brake clamp for maglev train

Zhang Dandan， Liu Yang， Wu Mo

Abstract： This paper first introduces the structure of the existing brake clamp of the medium and low speed maglev train， then analyzes the existing problems such as over compression of return spring， unbalanced wear of brake disc and squash of dust covers， and puts forward the corresponding optimization scheme， basically solving the problem of the brake clamp that has been installed and operated at present.

Keywords： maglev train， brake clamp， return clamping stagnation， unbalanced wear， oil leakage， optimization