160 km/h快速軌道車(chē)基礎(chǔ)制動(dòng)裝置的研制

陳炳偉 霍 偉 朱君華 梅卓民

(中車(chē)戚墅堰機(jī)車(chē)車(chē)輛工藝研究所有限公司 江蘇 常州 213011)

隨著既有鐵路線路的提速和新建200 km/h 及以上速度客專(zhuān)線路的不斷增加，鐵路系統(tǒng)對(duì)軌道工程車(chē)輛的高速、高效和高可靠性要求更加迫切，160 km/h 內(nèi)燃交流傳動(dòng)軌道車(chē)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)快速軌道車(chē)) 應(yīng)運(yùn)而生[1]?？焖佘壍儡?chē)主要應(yīng)用于高速鐵路維護(hù)期間的材料、人員運(yùn)輸，也可作為各種鐵路施工和檢測(cè)的設(shè)備裝載平臺(tái)[2]?；A(chǔ)制動(dòng)裝置必須承擔(dān)快速軌道車(chē)提高運(yùn)行速度所增加的負(fù)荷，必須有一定的性能和可靠性來(lái)確保列車(chē)安全停車(chē)。

1 基礎(chǔ)制動(dòng)裝置的設(shè)計(jì)參數(shù)及要求

工作環(huán)境溫度：-25 ℃～+40 ℃；靜態(tài)軸重:15.5 t；輪徑：915 mm；單機(jī)空走時(shí)間：2.5 s；制動(dòng)閘片與制動(dòng)盤(pán)平均摩擦因數(shù)：0.3；制動(dòng)形式為輪盤(pán)制動(dòng)，2套/軸；快速軌道車(chē)最高運(yùn)營(yíng)速度160 km/h，緊急制動(dòng)距離1 400 m；快速軌道車(chē)持續(xù)運(yùn)行速度120 km/h，緊急制動(dòng)距離800 m；坡道駐車(chē)：20‰。

2 基礎(chǔ)制動(dòng)裝置的關(guān)鍵技術(shù)

2.1 輪裝制動(dòng)盤(pán)的設(shè)計(jì)

快速軌道車(chē)制動(dòng)時(shí)制動(dòng)摩擦副承受的功率是相當(dāng)大的。因此輪裝制動(dòng)盤(pán)采用徑向條狀散熱筋結(jié)構(gòu)(見(jiàn)圖1)，此種結(jié)構(gòu)有利于制動(dòng)盤(pán)盤(pán)體的鑄造成型，同時(shí)增加了盤(pán)體通風(fēng)散熱的功能。盤(pán)體、車(chē)輪間的連接采用盤(pán)面中心孔連接結(jié)構(gòu)，大大降低了盤(pán)面受熱變形的可能性。同時(shí)，為了減少螺栓橫向受力而導(dǎo)致失效的危險(xiǎn)，在制動(dòng)盤(pán)與車(chē)輪輻板間采用了定位銷(xiāo)連接傳遞制動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的摩擦力矩，更好地適應(yīng)了制動(dòng)盤(pán)受熱徑向膨脹，減少了盤(pán)面熱應(yīng)力。

圖1 輪裝制動(dòng)盤(pán)結(jié)構(gòu)圖

根據(jù)運(yùn)用工況對(duì)制動(dòng)盤(pán)進(jìn)行溫度場(chǎng)的仿真分析，從快速軌道車(chē)進(jìn)行緊急制動(dòng)過(guò)程中盤(pán)面和筋部節(jié)點(diǎn)溫度隨時(shí)間變化的曲線來(lái)看，盤(pán)面的最高溫度出現(xiàn)在制動(dòng)后35 s左右，約為225 ℃(見(jiàn)圖2)，滿(mǎn)足制動(dòng)盤(pán)使用溫度范圍。從制動(dòng)盤(pán)摩擦面以及筋部等部分關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)處的熱應(yīng)力分析曲線可以看出：盤(pán)面節(jié)點(diǎn)應(yīng)力從制動(dòng)開(kāi)始時(shí)急劇上升，盤(pán)面最大應(yīng)力出現(xiàn)在20 s左右，最大約為176 MPa(見(jiàn)圖3)，遠(yuǎn)低于材料的抗拉和屈服極限。

圖2 盤(pán)面和筋部節(jié)點(diǎn)隨時(shí)間變化曲線

圖3 制動(dòng)盤(pán)應(yīng)力場(chǎng)變化曲線

因此該制動(dòng)盤(pán)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能使盤(pán)面具有良好的高溫摩擦性能；筋部節(jié)點(diǎn)應(yīng)力的最大值遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于盤(pán)面值，從而證明了制動(dòng)盤(pán)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)是合理的，可以在一定程度上降低出現(xiàn)熱裂紋的概率。

2.2 制動(dòng)夾鉗單元的設(shè)計(jì)

根據(jù)制動(dòng)夾鉗單元安裝調(diào)查分析、設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果以及功能要求等進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。其中單元制動(dòng)缸和停放制動(dòng)缸安裝在制動(dòng)夾鉗兩杠桿之間，夾鉗另外一端安裝合成閘片，合成閘片分布在制動(dòng)盤(pán)兩側(cè)。列車(chē)在行車(chē)過(guò)程中需要實(shí)施行車(chē)制動(dòng)時(shí)，向單元制動(dòng)缸體內(nèi)充入壓力氣體，單元制動(dòng)缸伸長(zhǎng)，推動(dòng)制動(dòng)夾鉗一側(cè)張開(kāi)，另一側(cè)的閘片會(huì)壓緊制動(dòng)盤(pán)，實(shí)施行車(chē)制動(dòng)，將列車(chē)的動(dòng)能轉(zhuǎn)換為熱能，并散發(fā)到大氣中去。停放制動(dòng)缸除了可以實(shí)施行車(chē)制動(dòng)外，還可以在軌道車(chē)停車(chē)后，利用停放彈簧的推力，實(shí)施駐車(chē)制動(dòng)，保證軌道車(chē)在20‰的坡道上停車(chē)，不溜逸[3]。所設(shè)計(jì)的制動(dòng)夾鉗單元性能參數(shù)如表1所示。

表1 制動(dòng)夾鉗單元主要性能參數(shù)

根據(jù)制動(dòng)夾鉗單元的性能參數(shù)，對(duì)制動(dòng)夾鉗單元關(guān)鍵零部件進(jìn)行緊急工況1.5倍的安全余量校核，仿真分析結(jié)果如表2所示。由結(jié)果可知，該制動(dòng)夾鉗單元結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理。

表2 制動(dòng)夾鉗單元有限元分析校核數(shù)據(jù)表

3 型式試驗(yàn)

根據(jù)試驗(yàn)大綱要求對(duì)所設(shè)計(jì)的制動(dòng)夾鉗單元進(jìn)行氣密性、一次最大調(diào)整量、累計(jì)調(diào)整量、強(qiáng)度、稱(chēng)重、振動(dòng)沖擊、疲勞等試驗(yàn)驗(yàn)證，試驗(yàn)結(jié)果完全符合試驗(yàn)大綱要求。

對(duì)制動(dòng)盤(pán)和制動(dòng)閘片進(jìn)行1∶1臺(tái)架性能試驗(yàn)，試驗(yàn)內(nèi)容為磨合試驗(yàn)、一次停車(chē)制動(dòng)試驗(yàn)、常用制動(dòng)試驗(yàn)、坡道連續(xù)制動(dòng)試驗(yàn)和靜摩擦試驗(yàn)等多次不同工況的試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果完全符合中國(guó)鐵路總公司發(fā)布的《重型軌道車(chē)技術(shù)規(guī)范書(shū)(范本)》的要求及《鐵路主要技術(shù)政策》的規(guī)定，160 km/h線路平直道緊急制動(dòng)距離1 261.8 m，120 km/h線路平直道緊急制動(dòng)距離641.9 m(見(jiàn)表3)，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

表3 制動(dòng)盤(pán)1∶1試驗(yàn)數(shù)據(jù)

在1∶1臺(tái)架試驗(yàn)滿(mǎn)足制動(dòng)要求的情況下，整車(chē)的緊急制動(dòng)距離試驗(yàn)也達(dá)到了設(shè)計(jì)要求：160 km/h線路平直道制動(dòng)距離1 318 m，120 km/h線路平直道制動(dòng)距離758 m，同時(shí)整車(chē)在20‰的坡道上實(shí)現(xiàn)駐車(chē)，不溜逸。

4 裝車(chē)考核

自2010年11月至今，該基礎(chǔ)制動(dòng)裝置主要運(yùn)用在GCD600型內(nèi)燃交流傳動(dòng)快速軌道車(chē)上(見(jiàn)圖4)。自運(yùn)用考核以來(lái)，整套基礎(chǔ)制動(dòng)裝置運(yùn)行狀況良好，制動(dòng)過(guò)程平穩(wěn)，摩擦因數(shù)穩(wěn)定，產(chǎn)品性能可靠，為GCD600型內(nèi)燃交流傳動(dòng)快速軌道車(chē)的安全運(yùn)行提供了保障。

圖4 基礎(chǔ)制動(dòng)裝置安裝在GCD600型車(chē)上

5 結(jié)束語(yǔ)

該基礎(chǔ)制動(dòng)裝置是適應(yīng)市場(chǎng)需求而開(kāi)發(fā)的新產(chǎn)品，能夠從根本上解決踏面制動(dòng)加速車(chē)輪磨損等問(wèn)題。該基礎(chǔ)制動(dòng)裝置通過(guò)變更接口，能夠滿(mǎn)足各類(lèi)鐵路工程車(chē)輛的行車(chē)制動(dòng)和駐車(chē)制動(dòng)要求，大大縮短了制動(dòng)距離，提高了制動(dòng)效率，是今后鐵路工程車(chē)輛基礎(chǔ)制動(dòng)裝置的發(fā)展趨勢(shì)。

[1] 張向陽(yáng),趙國(guó)棟.160 km/h內(nèi)燃交流傳動(dòng)快速軌道車(chē)[J].鐵道機(jī)車(chē)與動(dòng)車(chē)，2014(3):31-35.

[2] 劉中彥.120 km/h重型軌道車(chē)轉(zhuǎn)向架的研制[J].內(nèi)燃機(jī)車(chē)，2010(10)：26-28.

[3] 謝春音.HXD3型機(jī)車(chē)基礎(chǔ)制動(dòng)裝置的設(shè)計(jì)計(jì)算[J].內(nèi)燃機(jī)車(chē)，2008(12):22-26 .□