转向架制动夹钳单元闸片防脱结构分析

张 羽，付跃杰，陈 杰

（1.中车南京浦镇车辆有限公司，江苏 南京 210031；2.中国铁路沈阳局集团有限公司车辆部，辽宁 沈阳 110001）

引言

铁路机车车辆使用的制动夹钳单元中，常会发生闸片脱落故障。制动夹钳单元结构中采用闸片托以安装闸片，在闸片托的底部会设计止挡块以垂向支撑闸片，止挡块通过连接组件与闸片托安装。通常，闸片脱落故障发生的直接原因为止挡块的连接组件因结构、自身制造缺陷、异物击打损伤等种种因素发生折损，导致止挡块打开而无法止挡闸片。

除了加强零件的质量控制外，一般还会采用铁丝捆扎止挡块的方式来加强防脱措施，即便零件发生折损了，止挡块也不会立即就打开，这种方式成本低廉，也很有效[1]。但是由于捆扎操作不便，更换闸片时需将捆扎铁丝拆除。针对这种情况，笔者考虑利用现有的零件和空间来设计一种结构，能够实现对止挡块的防脱功能。

1 制动夹钳单元结构简介

铁路机车车辆使用的制动夹钳单元一般由制动缸、制动夹钳杠杆、闸片托和吊座等部分组成，如图1所示。制动缸将空气压力转化为活塞杆的推力，杠杆将推力放大传递至闸片托，闸片托带动闸片抱紧制动盘，达到制动的目的。闸片背部设计了燕尾结构，安装于闸片托的燕尾槽上，闸片托底部设置一个卡槽以安装止挡块，止挡块从底部支撑闸片使其不会脱落。

止挡块与闸片托有两种结构安装连接方式。一种是双圆销加开口销结构，如下页图2-1所示，该结构中，止挡块安装于闸片托卡槽中，两端各安装一根圆销用以与闸片托固定，圆销头部开孔，横穿安装开口销，使得圆销不会窜出。该结构因制造公差无法完全避免，圆销会存在一定的垂向蹿动量，车辆运行过程中存在着较大的振动，圆销在振动作用下不断上下微小蹿动，开口销始终承受一定的剪切载荷，若圆销的垂向窜动量达到一定的程度，则开口销最终会发生断裂，引发故障。目前采用控制零件精度、组装加垫调整等手段以尽量消除圆销的垂向蹿动量，并辅以铁丝捆扎方式来消除故障隐患。

另一种是弹性圆柱销加锁止弹簧结构，如下页图2-2所示，该结构中止挡块一端穿入弹性圆柱销，可绕之自由转动，弹性圆柱销固定安装于闸片托上，止挡块另一端通过锁止弹簧连接闸片托，止挡块的打开和锁闭是通过锁止弹簧的扭转来实现的。该结构中，锁止弹簧端头折弯与止挡块安装，折弯处为应力集中点，是整个锁止弹簧的薄弱处，若操作不当，可能会在折弯处造成损伤，或者由于车辆运行过程中轨道碎石击打而导致表面损伤。而闸片更换较为频繁，锁止弹簧需要频繁地来回撬动扭转，最终会在表面损伤处产生裂纹，最终折断并引发故障。目前采用规范组装作业、铁丝捆扎止挡块等方式来消除隐患。

2 闸片防脱结构

为解决上述问题，笔者拟充分利用现有空间和零件结构进行改进，提出一种结构，即便止挡块的连接件发生故障断裂后，止挡块也不会脱出，同时还需满足方便拆装闸片和零部件可靠性的要求。闸片脱出故障主要是因为止挡块连接件失效而导致止挡块打开，本结构思路是利用现有零件在止挡块连接件失效后，仍然能够保证止挡块不会打开[2]，将利用闸片托与杠杆的连接圆销来实现这一目标。

现有结构（如图3-1所示）中，闸片托与杠杆通过一根不带孔光圆销连接，圆销由上向下安装，圆销头部与闸片托吊间隙很小，安装闸片托吊后圆销被止挡无法蹿出，闸片托与杠杆得以可靠连接。改进结构（如图3-2所示）中，将闸片托与杠杆的安装圆销拆分为两根圆销，上圆销仍然为不带孔光圆销，由上向下安装，利用闸片托吊止挡，下圆销设置螺纹，采用螺母由下向上安装。下圆销正常安装后，头部在止挡块位置，在止挡块连接件发生失效后，止挡块会被下圆销的头部止挡无法转出，从而实现闸片的防脱。

为了能够便于更换闸片，该结构中在下圆销的头部与闸片托之间设一根弹簧，下圆销的杆径略大于螺纹直径，螺母通过垫圈紧固于下圆销上，弹簧采用较小的刚度能够方便用手推动压缩。更换闸片时将下圆销向上推动压缩弹簧至止挡块能够转出。该结构中只将原闸片托与杠杆连接的圆销改为上下两段圆销，下圆销采用了弹簧结构，其余零部件均未发生变化，以最小的改动实现了闸片的防脱。

3 防脱结构强度计算

针对上述提出的防脱结构，开展有限元计算以验证结构强度。

3.1 有限元模型及网格划分

本次计算选取一款主型制动夹钳单元，分析重点针对防脱结构，故简化了制动夹钳的结构及各零件的连接结构。对模型进行网格划分，对结构复杂的零件划分四面体网格，结构规则的零件划分六面体网格。其中共划分单元320 376个，共包含节点497 210个。

3.2 载荷及边界条件

吊座安装孔进行固定约束，各零件之间、螺纹连接的零件、过盈安装的零件之间采用绑定约束，具有相对运动趋势的所有接触对均采用摩擦接触，摩擦因素根据润滑状态及材料类型设定。将闸片托几何去除后，保留双侧闸片托与杠杆的连接，在两侧连接的中心点施加向外的闸片推力的支反力。

当制动缸工作压力为420 kPa时，闸片单侧推出力大小为21 kN。强度试验，制动缸最大压力为600 kPa，闸片单侧推出力大小为30 kN。停放制动与常用制动叠加时，闸片单侧推出力大小为54 kN。

3.3 计算结果

经仿真，在常用制动工况（21 kN载荷）下，分体销的最大载荷为72.83 MPa。在最大制动气压工况（30 kN载荷）下，分体销的最大载荷为106.5 MPa。在叠加载荷工况（54 kN载荷）下，分体销的最大载荷为185.2 MPa。圆销采用42CrMo材质，各工况下，圆销的应力水平均远低于材料的许用应力。

4 结语

本文通过对闸片脱落的直接引发因素及既有结构的分析，充分利用现有结构的零件，以最小的结构改动从根本上实现闸片防脱，同时兼顾了闸片方便更换的功能。对结构中的改变部分开展了有限元计算以校核其强度，验证了结构的可靠性。为制动夹钳单元设计制造厂商提供了一种新的思路，以彻底消除闸片脱落风险。