一种带横移功能的踏面单元制动器闸瓦托结构的研制

(中车株洲电力机车有限公司，湖南 株洲 412001)

1 研制背景

相对于盘形制动，采用踏面制动的转向架具有动力学性能好、检修维护成本低、具有踏面清扫及修复功能等优势，因此，出口埃塞俄比亚用电力机车(基于HXD1C机车平台，采用三轴转向架)采用踏面制动。

轮对横移量是三轴转向架的重要参数。适当的二、五位轮对自由横移量，有利于在不影响直线线路上运行稳定性的前提下有效改善机车曲线通过性能[1]。二、五位轮对设置较大的横移量有利于增加其在曲线上参加导向的机会，分摊一、三、四、六导向轮对的导向力[2]，减少轮缘磨耗。对于二、五位的横移量设计值，原直流机车为13.5 mm，和谐型交流机车为22～25 mm。由于闸瓦在轮踏面上的横向空间有限，横移量增加后，二、五位采用无横移功能销套铰接式闸瓦托结构的原直流机车踏面单元制动器[3]，已无法避免制动时闸瓦擦伤轮缘。

为满足埃塞俄比亚机车的装车要求，现需要研制能适应二、五位轮对横移量的踏面单元制动器。该踏面单元制动器是在传统JZZ-2型踏面单元制动器结构、原理基础上，对闸瓦托结构进行相关适应性改进。

2 需要实现的功能

踏面单元制动器一般结构为：箱体固定在构架上，丝杆进行水平运动，丝杆与闸瓦托连接点为铰接点1，吊臂与箱体连接点为铰接点2，吊臂与闸瓦托连接点为铰接点3，如图1所示。

图1 闸瓦托基本原理(初始状态)

闸瓦托功能除了为闸瓦提供安装基础以传递制动力以外，还具有的功能是：既要确保闸瓦托能在一定范围内转动，防止不同载荷工况、振动条件下(构架与轮对发生相对运动H，见图2)制动时局部接触轮踏面；又要具有闸瓦托角度的锁定功能，以保证其锁定在最近一次制动施加并缓解后所在的位置，不会因闸瓦磨耗、载荷变化而改变，即保证缓解时闸瓦间隙基本一致，防止在闸瓦托栽头而出现闸瓦局部贴轮的现象。因此，铰接点1设置有摩擦阻力，既具有转动功能(防止制动时局部接触轮踏面)，又具有在摩擦预紧力下锁定闸瓦托的转动(保证缓解时闸瓦间隙一致)。

图2 闸瓦托基本原理(不同载重及振动)

对于二、五位踏面单元制动器的闸瓦托，还需要增加的功能是：制动时闸瓦托结构能够随轮对横移，且不能将横向力传递给制动丝杆，避免常用缸内部零件受损。

3 主要结构

3.1 铰接结构

原JZZ-2型单元制动的铰接点1的结构不能适应横移的要求，现重新进行设计。

图3为改进后的铰接点1的结构，其主要零件包括固定在闸瓦托上的销轴、扇形摇块及丝杆(如图3)。丝杆头部的两侧固定2个摩擦块，内侧带齿的摩擦支架在弹簧力的作用下保持与摩擦块头部圆弧面始终接触。丝杆可以绕销轴中心转动，形成了销套式铰接结构。

3.2 闸瓦托角度锁定结构

由于图3弹簧提供的给铰接点1的摩擦阻力有限，不能有效锁定闸瓦角度，现在原JZZ-2型单元制动器基础上增加闸瓦托角度锁定结构，如图4所示。

图3 铰接结构

图4 闸瓦托角度锁定结构

摩擦定位块被套筒内的预紧弹簧压紧在两吊臂上，套筒穿过闸瓦托的腰孔后被扭簧限位，拉簧将闸瓦托及吊臂拉紧。角度锁定结构基本原理如图5、图6所示。图5为缓解状态，闸瓦托基本结构包含上文提到的铰接点1，闸瓦托与常用缸的连接为铰接点2，闸瓦托与吊臂的连接为铰接点3。套筒在扭簧推动下，左侧与闸瓦托腰孔接触。图6为制动状态，制动时，丝杆推动闸瓦托前进，铰接点3顺时针运动，α角变大，同时闸瓦托与吊臂的夹角β变小。由于摩擦定位块被预紧弹簧紧压在吊臂上，β角变小时，套筒克服扭簧的作用力，套筒右侧与闸瓦托腰孔接触。由于闸瓦托腰孔与套筒的间隙与闸瓦间隙对应，再次缓解时，扭簧推动套筒重新回到图5的状态，即α及β角重新回到缓解状态，因此，闸瓦托角度锁定不变。

图5 角度锁定结构基本原理(缓解状态)

图6 角度锁定结构基本原理(制动状态)

如果机车轴重发生改变，即构架与轮对垂向位置发生改变，一次制动后，摩擦定位块将在吊臂上发生相对滑动，因此，该结构能适应机车不同的载荷及振动工况。

3.3 横移适应结构

横移适应结构如图7所示，丝杆通过其头部的圆柱面与扇形摇块接触，扇形摇块圆弧面与闸瓦托通过轴连接，当中间轴轮缘接触闸瓦并开始推动闸瓦托横移时，将会带动扇形摇块绕丝杆头部转动，适应轮对横移运动。与此同时，吊臂承受横向力，具有产生弹性变形，以适应闸瓦托的横向运动，如图8。横向力的传递路径为：闸瓦→闸瓦托→吊臂(弹性变形)→常用制动缸→构架，横向力不传递给丝杆。

图7 横移结构(有横移状态)

图8 吊臂的弹性变形

4 设计验证

为降低开发成本、提高产品设计质量，利用多体分析软件adams建立了闸瓦托结构的虚拟样机模型(见图9)。经过分析，闸瓦托的动作及振动冲击下的性能符合设计要求。

图9 虚拟样机模型

图10 疲劳试验台

图11 JZZ-2型踏面单元制动器(带横移)样机

为验证产品的疲劳寿命是否符合要求，开发了专用的大横移量制动器疲劳试验台(见图10)。经过试验，闸瓦托结构的疲劳寿命符合设计要求。

5 装车业绩

JZZ-2型踏面单元制动器大横移量试验适应性改进设计后，完成了样机试制(如图11)，经过各项试验验证，其各项性能指标符合要求。目前，装备该型踏面单元的机车已经从2016年开始，出口到埃塞俄比亚、马来西亚等国，取得了良好的经济效益。