200 km/h内置轴箱转向架用制动夹钳单元设计开发

韩红文 苟青炳 朱君华

(中车戚墅堰机车车辆工艺研究所有限公司 江苏 常州 213011)

0 概述

近年来由于对于轨道车辆的轻量化、低轮轨作用力、低磨耗、低噪声的要求不断增加，内置轴箱转向架越来越受到用户的青睐。其显著特点是采用内置式结构，综合利用新材料和新能源等关键技术，采用目前国际最先进的制造工艺和焊接技术，在结构强度不变的情况下，比原有转向架重量减轻30%，具有轴重轻、转向架空间紧凑等特点。

在现阶段轨道车辆设计中，轴箱外置式转向架将轴箱布置在轮对外侧。轴箱内置方式是将轴箱悬挂装置从轮对外侧移至轮对内侧，一方面缩短了轮对车轴长度，减小了轮对质量，降低了一系簧的簧下质量，改善了轮轨接触；另一方面，随着一系簧横向跨距减小，构架纵向梁间的横向间距也得到缩短，其质量也相应减小。采用轴箱内置方式不仅能降低簧下质量，改善车辆曲线，提高性能和降低轮轨磨耗，还能将转向架设计得更加紧凑[1]。

内置轴箱转向架应用较为成熟的是加拿大庞巴迪公司研制的时速200 km的FLEXX Eco转向架，主要优势是转向架自重轻，弯道附着性能改善。其在英国应用最为广泛[2]。

西门子公司研制的SF7000型转向架，也已开始在英国市场应用，该转向架重量减轻了30%，最高运行速度为160 km/h。通过跟踪英国铁路公司的应用情况，列车运营成本较传统转向架节省11%。因此，在城轨车辆运营成本方面，具有比较大的优势。国内少部分地铁车辆采用了轴箱内置式的转向架结构，运营速度较低、运营车辆数较少，对于内置式轴箱转向架技术的研究还有广阔的空间。

为适应轨道车辆内置轴箱转向架的要求，中车戚墅堰机车车辆工艺研究所有限公司(以下简称“中车戚墅堰所”)研发的侧向安装制动夹钳单元，除具有结构紧凑、重量轻等特点外，由于其采用侧向安装吊挂结构，使得内置轴箱转向架的夹钳接口设计较为简单，不需要设计跨度较大的吊座，使夹钳单元安装更加简便。

1 设计输入参数

根据客户技术输入及地铁车辆的运行工况，其车辆技术参数和制动系统技术参数如表1所示。

表1 车辆和制动技术参数

2 方案设计

2.1 总体介绍

制动夹钳单元是铁路车辆制动系统的重要组成部分，尤其在制动频繁的地铁车辆上，更加要求制动夹钳单元具有更高的可靠性，以此来保证车辆的安全运行。

根据设计输入要求，内置轴箱转向架预留给制动夹钳单元的安装空间有限，结合中车戚墅堰所现有产品，制动夹钳单元采用公司JC型紧凑式制动夹钳单元，并对其安装结构重新设计，以满足内置轴箱转向架的吊挂要求。图1所示为轨道车辆用内置轴箱转向架模型。

图1 内置轴箱转向架

根据转向架结构型式和空间布局，制动夹钳单元采用侧向安装方式与转向架联接，通过四根螺栓将制动夹钳单元安装紧固在转向架接口处，在内部设置有方键结构，以承受夹钳的制动力矩。图2所示为制动夹钳单元方案图。

图2 轮装制动夹钳单元(左、右)

制动夹钳单元主要由制动缸和制动夹钳两部分组成。如图3所示，向制动缸内充入气体，制动缸产生制动力，通过制动夹钳的杠杆，将制动缸输出力最终转化为闸片与制动盘的正压力，通过闸片与制动盘的摩擦，产生制动力矩，传递到轮轴上，最终转化为车轮的制动力矩。在制动状态下，制动夹钳单元的制动力矩将传递到吊挂接口上，此时，设计的方键将承受制动力矩，这将保护联接螺栓不承受较大的制动扭矩。

图3 制动夹钳单元安装位置简图

2.2 制动缸

制动夹钳单元所用的制动缸是基于公司现有JC型制动缸的基础上进行系列化设计，其工作原理如图4所示。

图4 常用制动缸动作原理

压缩空气P充入缸体，空气推动活塞组成向下运动，活塞楔形块向下运动的同时改变力的传递方向并通过斜面进行放大，实现制动缸内部力的放大，向下的力转变为主轴向左的力。

制动缸内部力的放大倍率与斜面角度有关，根据图4的力关系的示意图，可以得出计算公式为：

式中：i为制动倍率，P1为活塞作用力，K为制动单元输出力，a楔角角度[3]。

其结构具有如下优点：

(1)该制动缸结构紧凑，占用空间小，且性能可靠；(2)制动缸缓解间隙的设置，在不改变零部件的情况下，采用了手动设置，有利于在使用过程中的维护；(3)制动缸内部具有力放大功能，相同缸径情况下制动力和停放力可调，系列化和谱系化较简单，有利于产品定制化。

2.3 制动夹钳

制动夹钳是将制动缸产生的制动力传递为闸片正压力的机构，其组成如图5所示。制动夹钳通过吊挂组件连接至转向架上，通过螺纹销连接制动缸，闸片安装在闸片托上，通过杠杆组件将制动缸输出的力传递至闸片处，各组件的连接处均通过转动副连接。

1—吊挂组件；2—壳体组件；3—螺纹销； 4—杠杆组件；5—闸片托组件。图5 制动夹钳结构图

吊挂组件采用了侧向安装方式，与常用的吊挂方式差异较大，针对吊挂新结构需对其进行详细的分析校核。

2.4 制动夹钳吊挂分析校核

根据车辆运行和制动夹钳单元的设计参数，通过计算制动夹钳单元所需承担的制动力为36 kN。

工况1：闸片托双侧夹紧力为36 kN，闸片托受向上摩擦力；

工况2：闸片托双侧夹紧力为36 kN，闸片托受向下摩擦力。

工况1中，制动夹钳最大应力出现在壳体上，为157.14 MPa。各零件最大应力及其位置、最大变形及其位置如图6、图7所示。其中侧向安装吊架和螺栓的分析结果也符合设计要求。

图6 工况1应力图

图7 工况1变形图

工况2与工况1为对称工况，在此，受力与变形就不一一列出，经过汇总，如表2所示。

表2 制动夹钳各工况应力与变形汇总

通过分析可以看出，制动夹钳的零件材质及结构满足使用要求，侧向安装吊挂与联接螺栓的最大应力与最大变形也符合使用要求。

3 空间校核

根据转向架一系簧运动范围及盘片参数，对所设计制动夹钳单元进行各工况下的空间校核(见图8)。

图8 制动夹钳单元空间校核

根据客户设计输入，转向架一系簧运动范围及相关盘片参数如表3所示。

表3 一系簧运动范围及盘片参数

根据转向架结构型式及相关设计输入分析，主要需校核以下工况下制动夹钳单元与轮对、轴箱及转向架的空间距离。通过校核，各工况下制动夹钳单元距构架、轮缘和轴箱的距离如表4所示。

其中X向、Y向、Z向示意如图9所示。

表4 空间校核结果 /mm

图9 转向架一系簧运动坐标系

根据上表可知，各工况下制动夹钳单元满足使用要求。

4 结束语

根据客户设计输入条件，通过产品的结构设计、制动计算、空间校核和有限元分析，开发了适应200 km/h内置轴箱转向架用制动夹钳单元。满足其轻量化、紧凑化等要求，特别是采用侧向吊挂安装方式，给转向架的设计带来极大的便利，填补了国内同行业的空白，为国内内置轴箱转向架提供了匹配的制动夹钳单元。从客户装车效果来看，满足其内置轴箱转向架有限安装空间的要求，且制动夹钳单元具有轻量化、大制动力和大停放力等优点[4-5]。

该制动夹钳单元采用模块化设计思路，根据具体项目的设计输入，仅需更改极少数的零件即可满足设计输入要求，大大降低了产品研发、生产和制造成本，缩短了产品的开发周期，能实现制动夹钳单元客户定制化要求，因此具有很大的市场推广意义。