下一代地鐵列車制動夾鉗單元研制*

王 震， 張 昕， 黃建松， 刁有彬， 張方亮

(中車青島四方車輛研究所有限公司 制動事業(yè)部， 山東青島 266031)

制動夾鉗單元作為制動系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，是其他制動措施失效下的最后一道安全保障，對列車運(yùn)行的安全起著至關(guān)重要的作用，根據(jù)課題任務(wù)要求，中車青島四方車輛研究所有限公司承擔(dān)研制了一種緊湊化、輕量化的制動夾鉗單元。

1 基本功能、外形結(jié)構(gòu)與技術(shù)參數(shù)

針對“下一代地鐵列車”研制的UCA10(S)型制動夾鉗單元，包括帶有停放制動功能的UCA10S以及不帶停放制動功能的UCA10兩種型號。

1.1 基本功能與外形結(jié)構(gòu)

UCA10(S)型制動夾鉗單元具有制動與緩解、閘片間隙自動調(diào)整、手動調(diào)整功能，帶有停放制動模塊的還具有停放制動與緩解、停放制動手緩解等功能。UCA10S及UCA10型制動夾鉗單元采用3點(diǎn)吊裝接口形式，主要由制動缸、夾鉗臂、連接架和閘片托4大模塊組成(如圖1所示)。

圖1 UCA10(S)型制動夾鉗單元

1.2 主要技術(shù)參數(shù)(見表1)

2 作用原理簡介

UCA10(S)型制動夾鉗單元常用制動具有相同的基本工作原理，通過充入空氣壓力使制動缸伸長，再經(jīng)杠桿機(jī)構(gòu)(夾鉗臂、連接架和閘片托等)實(shí)現(xiàn)力的放大及傳遞，實(shí)現(xiàn)常用制動。UCA10S型制動夾鉗單元增加了停放制動功能模塊，通過儲能彈簧的釋放使停放制動缸伸長，再經(jīng)杠桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)力的放大及傳遞，實(shí)現(xiàn)停放制動。由于此杠桿機(jī)構(gòu)為3點(diǎn)浮動式制動夾鉗單元通用結(jié)構(gòu)，以UCA10S型制動夾鉗單元的制動缸(以下簡稱UCA10S型制動缸)為例，對其基本功能、結(jié)構(gòu)與作用原理進(jìn)行介紹。

表1 UCA10(S)型制動夾鉗單元主要技術(shù)參數(shù)

UCA10S型制動缸由制動缸氣室、彈性變形識別機(jī)構(gòu)、前調(diào)整離合機(jī)構(gòu)、后調(diào)整離合機(jī)構(gòu)、絲杠前體機(jī)構(gòu)、彈簧缸以及手緩解機(jī)構(gòu)等部件組成。制動缸氣室由制動缸體、活塞等件組成，彈性識別機(jī)構(gòu)由識別環(huán)、識別座、識別彈簧等件組成，前調(diào)整離合機(jī)構(gòu)由前調(diào)螺母座、前調(diào)整彈簧、前調(diào)整螺母等件組成，后調(diào)整離合機(jī)構(gòu)由后調(diào)螺母座、后調(diào)整彈簧、后調(diào)整螺母等件組成，絲杠前體機(jī)構(gòu)由絲杠、前體、鞍形彈簧組、調(diào)整螺母等件組成，彈簧缸由停放彈簧、停放活塞、停放絲杠、棘輪等件組成，手緩解機(jī)構(gòu)由手柄、拉繩、復(fù)位彈簧、杠桿、止動爪等件組成(如圖2所示)。

1-制動缸體； 2-活塞； 3-外套筒； 4-緩解彈簧；5-后調(diào)整彈簧； 6-活塞套筒； 7-導(dǎo)向塊； 8-后調(diào)螺母座； 9-后調(diào)整螺母；10-識別環(huán)；11-限位環(huán)；12-識別座；13-識別彈簧；14-停放彈簧；15-停放活塞；16-停放絲杠；17-前調(diào)螺母座；18-前調(diào)整螺母； 19-前調(diào)整彈簧； 20-前體； 21-鞍形彈簧組； 22-調(diào)整螺母； 23-前調(diào)擋塊； 24-前調(diào)防轉(zhuǎn)座； 25-絲杠； 26-棘輪。圖2 UCA10S型制動缸結(jié)構(gòu)圖

2.1 正常制動與緩解

當(dāng)閘片緩解間隙在正常范圍值時(shí)制動夾鉗單元所進(jìn)行的制動(或緩解)稱為正常制動(或緩解)，正常制動、緩解過程中閘片間隙自動調(diào)整功能不啟用，該制動作用過程為：向制動氣室充入壓縮空氣，活塞壓縮緩解彈簧左向移動，活塞套筒依次通過識別座、識別彈簧、前調(diào)螺母座、前調(diào)螺母、絲杠、推動前體左移。當(dāng)前體受到制動缸外部其他結(jié)構(gòu)一定的外力限制(閘片夾緊制動盤)之后，識別彈簧會繼續(xù)壓縮，直至識別座、識別環(huán)與前調(diào)螺母座之間無間隙，此時(shí)活塞推力依次由活塞套筒、識別座、識別環(huán)、前調(diào)螺母座、前調(diào)螺母，通過絲杠傳遞至前體，實(shí)現(xiàn)UCA10S型制動缸伸長，最終將壓縮空氣壓強(qiáng)轉(zhuǎn)化成閘片與制動盤壓力，實(shí)現(xiàn)制動作用，其中識別彈簧的壓縮過程為彈性識別的功能，當(dāng)識別環(huán)與前調(diào)螺母座接觸后，彈性變形識別機(jī)構(gòu)變?yōu)閯傂误w，用于避免制動施加后由于零部件的彈性變形等因素導(dǎo)致的緩解間隙的自動調(diào)整誤動作，保證緩解間隙正常。

該緩解作用過程為：排出制動氣室內(nèi)的壓縮空氣，緩解彈簧復(fù)位伸長，推動活塞右移，活塞套筒帶動前調(diào)防轉(zhuǎn)座、前調(diào)擋塊、前調(diào)螺母、絲杠、前體右移復(fù)位，直至活塞與制動缸體端面接觸，使制動缸復(fù)位。通過緩解彈簧的作用，將制動缸長度復(fù)位縮短，解除了閘片與制動盤壓力，恢復(fù)了閘片與制動盤的間隙，實(shí)現(xiàn)常用制動緩解。

2.2 閘片間隙調(diào)整

閘片間隙的調(diào)整分為自動調(diào)整及手動調(diào)整兩大主要功能，自動調(diào)整功能可自動補(bǔ)償因閘片、制動盤磨耗或其他原因產(chǎn)生的多余間隙，使閘片緩解間隙穩(wěn)定在規(guī)定范圍內(nèi)；當(dāng)需要進(jìn)行更換閘片或拆卸制動夾鉗單元等作業(yè)時(shí)，可手動調(diào)整，使閘片與制動盤之間的間隙設(shè)置在需要的范圍之內(nèi)。閘片間隙的自動調(diào)整功能主要由前調(diào)整離合機(jī)構(gòu)、后調(diào)整離合機(jī)構(gòu)以及絲杠等組件的依次相互作用來實(shí)現(xiàn)，閘片間隙的手動調(diào)整功能主要由前體離合機(jī)構(gòu)、絲杠、前調(diào)整離合機(jī)構(gòu)以及后調(diào)整離合機(jī)構(gòu)等組件的依次相互作用來實(shí)現(xiàn)。

2.2.1閘片間隙的自動調(diào)整

一個(gè)完整的閘片間隙自動調(diào)整分為制動過程及緩解過程兩個(gè)階段：

在制動過程中，當(dāng)活塞運(yùn)動了正常的緩解間隙C距離時(shí)，導(dǎo)向塊靠在限位環(huán)上受其約束無法繼續(xù)運(yùn)動，但由于磨耗量A的存在，絲杠還要繼續(xù)運(yùn)動一定的行程，在此過程中，后調(diào)整離合器的后調(diào)整螺母與后調(diào)螺母座之間的錐齒嚙合解除，在后調(diào)整彈簧的彈力作用下后調(diào)整螺母在非自鎖的絲杠上轉(zhuǎn)動，該制動過程結(jié)束后，絲杠與后調(diào)整螺母之間產(chǎn)生了相當(dāng)于磨耗量A距離的相對移動，后調(diào)整螺母與后調(diào)螺母座重新嚙合，在制動過程中絲杠總行程為C+A。

在緩解過程中，在緩解彈簧作用下，活塞帶動活塞套筒、前調(diào)擋塊、前調(diào)整離合機(jī)構(gòu)、后調(diào)整離合機(jī)構(gòu)復(fù)位，當(dāng)導(dǎo)向塊接觸到外套筒的限位臺上，則后調(diào)整離合機(jī)構(gòu)的復(fù)位過程結(jié)束，由于此時(shí)后調(diào)整離合機(jī)構(gòu)處于鎖閉，絲杠的復(fù)位過程也結(jié)束，而活塞帶動活塞套筒、前調(diào)擋塊在緩解彈簧的作用下還需繼續(xù)移動距離A才能復(fù)位，前調(diào)整彈簧被壓縮，前調(diào)整離合機(jī)構(gòu)的錐齒嚙合脫開，使前調(diào)整螺母在非自鎖的絲杠上轉(zhuǎn)動，緩解結(jié)束后，活塞、前調(diào)整離合機(jī)構(gòu)、后調(diào)整離合機(jī)構(gòu)復(fù)位，在緩解過程中絲杠的復(fù)位行程為C。

在上述的制動及緩解過程中，絲杠前體機(jī)構(gòu)相對制動缸本體伸出了距離A，補(bǔ)償了磨耗量，使緩解間隙穩(wěn)定在設(shè)置范圍之內(nèi)。

2.2.2閘片間隙的手動調(diào)整

轉(zhuǎn)動調(diào)整螺母，鞍形彈簧組被壓縮，前體與絲杠之間錐齒副脫開，絲杠轉(zhuǎn)動(前調(diào)整離合機(jī)構(gòu)以及后調(diào)整離合機(jī)構(gòu)均處于鎖閉狀態(tài))，從而使前體絲杠機(jī)構(gòu)相對于制動缸本體伸出或縮回，通過制動缸長度的變化來實(shí)現(xiàn)閘片間隙的手動調(diào)整。

2.3 停放制動與緩解

彈簧缸利用彈簧儲能原理，采用多組小型停放彈簧圓周陣列布局，彈簧缸充風(fēng)緩解、排風(fēng)制動，操作手緩解裝置可實(shí)現(xiàn)停放制動的手動緩解。

2.3.1停放制動的施加

排出彈簧缸內(nèi)的壓縮空氣，停放彈簧釋放其儲存的彈簧力伸長，推動停放活塞、停放絲杠通過鍵結(jié)構(gòu)在棘輪內(nèi)孔滑動伸出，傳遞至常用制動缸模塊，然后按照2.1所述的制動過程繼續(xù)執(zhí)行作用，最終實(shí)現(xiàn)制動。

2.3.2停放制動的充風(fēng)緩解

向彈簧缸充入壓縮空氣，壓縮停放彈簧，推動停放活塞，同時(shí)帶動停放絲杠復(fù)位，解除了停放彈簧對制動缸模塊的推動作用，在緩解彈簧的作用下，常用制動缸按照2.1所述的緩解過程繼續(xù)執(zhí)行作用，實(shí)現(xiàn)停放制動充風(fēng)緩解。

2.3.3停放制動的手動緩解

拉動手拉線機(jī)構(gòu)手柄(如圖3所示)，拉繩帶動動杠桿壓縮復(fù)位扭簧繞支點(diǎn)轉(zhuǎn)動，拉力經(jīng)杠桿放大并傳遞至止動爪，當(dāng)止動爪與棘輪脫離后，在停放彈簧的伸長的作用下，停放絲杠相對停放活塞旋轉(zhuǎn)并沿軸向運(yùn)動，當(dāng)停放活塞運(yùn)動至機(jī)械限位位置，解除了停放彈簧對制動缸模塊的推動作用，在緩解彈簧的作用下，常用制動缸按照2.1所述的緩解過程繼續(xù)執(zhí)行作用，實(shí)現(xiàn)停放制動手動緩解。

1-手柄； 2-復(fù)位彈簧； 3-拉繩； 4-杠桿；5-止動爪； 6-棘輪。圖3 UCA10S型制動缸側(cè)視局部結(jié)構(gòu)圖

3 結(jié)構(gòu)緊湊及輕量化特點(diǎn)

UCA10S型制動缸的外形空間及質(zhì)量相對于傳統(tǒng)型帶停放功能的制動缸均明顯減小，彈簧缸采用多組儲能彈簧圓周陣列的結(jié)構(gòu)形式，彈簧缸與常用制動缸活塞運(yùn)動方向采用同向串聯(lián)的方式布置，大大縮小了制動缸的垂向尺寸，同時(shí)減輕了制動缸的總質(zhì)量。UCA10S型制動缸相對于傳統(tǒng)型帶停放功能的制動缸，自制動缸中心線至制動缸底端距離由282 mm縮減至168 mm，制動缸橫向交接孔最小距離由211 mm縮減至205 mm，實(shí)現(xiàn)了緊湊化；同時(shí)質(zhì)量由49 kg減小至36 kg，明顯降低了制動缸的質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)了輕量化，對比表見表2，對比圖見圖4。

表2 UCA10S制動缸與傳統(tǒng)停放制動缸對比

圖4 與傳統(tǒng)式制動夾鉗單元外形空間對比

4 地面試驗(yàn)情況

UCA10(S)型制動夾鉗單元按照試驗(yàn)大綱分別在中鐵檢驗(yàn)認(rèn)證(青島)車輛檢驗(yàn)站有限公司及青島市產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)研究院完成了常溫性能試驗(yàn)、高低溫試驗(yàn)、沖擊振動試驗(yàn)及疲勞試驗(yàn)等各項(xiàng)型式試驗(yàn)，各項(xiàng)試驗(yàn)均滿足設(shè)計(jì)要求，且性能良好。

4.1 常溫性能試驗(yàn)

常溫條件下，在專用性能試驗(yàn)臺上檢測UCA10(S)型制動夾鉗單元的強(qiáng)度、動作、靈敏度、一次調(diào)整量、緩解間隙、總調(diào)整量、氣密性、制動缸制動輸出力、停放制動缸制動輸出力、停放制動缸緩解、停放制動缸手拉緩解、手動復(fù)位等性能，各項(xiàng)試驗(yàn)結(jié)果均滿足設(shè)計(jì)要求。

4.2 高低溫試驗(yàn)

根據(jù)我國地鐵列車的運(yùn)用極限溫度，同時(shí)考慮具有一定的安全余量，將UCA10(S)型制動夾鉗單元分別在高溫+70 ℃并保溫24 h、低溫-45 ℃并保溫48 h條件下，同時(shí)保證試驗(yàn)風(fēng)源溫度與試驗(yàn)箱內(nèi)部環(huán)境溫度一致，檢測UCA10(S)型制動夾鉗單元的動作、靈敏度、一次調(diào)整量、緩解間隙、氣密性、停放制動缸緩解、停放制動缸手拉緩解及手動復(fù)位等性能，各項(xiàng)試驗(yàn)結(jié)果均滿足設(shè)計(jì)要求。

4.3 沖擊振動試驗(yàn)

按照IEC 61373-2010規(guī)定的2類試驗(yàn)工況對UCA10(S)型制動夾鉗單元進(jìn)行功能性隨機(jī)振動試驗(yàn)、模擬長壽命振動試驗(yàn)及沖擊試驗(yàn)，完成上述3項(xiàng)試驗(yàn)后再對試驗(yàn)樣品進(jìn)行外觀檢查及全性能試驗(yàn)，各項(xiàng)試驗(yàn)結(jié)果均滿足設(shè)計(jì)要求。

4.4 疲勞試驗(yàn)

UCA10(S)型制動夾鉗單元在專用疲勞試驗(yàn)臺上進(jìn)行，模擬在車輛上的安裝和受力情況。常用制動緩解循環(huán)總次數(shù)為100萬次，制動缸充風(fēng)壓力為400～500 kPa；停放制動緩解循環(huán)總次數(shù)為10萬次，停放制動手動緩解1萬次，其中停放缸充風(fēng)壓力為(600±20) kPa。疲勞試驗(yàn)后再對試驗(yàn)樣品進(jìn)行外觀檢查及全性能試驗(yàn)，各項(xiàng)試驗(yàn)結(jié)果均滿足設(shè)計(jì)要求。

5 裝車運(yùn)用

2018年1月UCA10(S)型制動夾鉗單元在中車長春軌道客車股份有限公司生產(chǎn)的“下一代地鐵列車”實(shí)現(xiàn)整列裝車，列車采用2動2拖編組，全列制動夾鉗單元共32臺，其中UCA10S及UCA10型制動夾鉗單元各16臺，每個(gè)轉(zhuǎn)向架上的2臺UCA10S及UCA10型制動夾鉗單元呈對角布置。

2018年5月“下一代地鐵列車”在廠內(nèi)分別在AW0、AW2和AW3載荷下完成了各項(xiàng)動態(tài)試驗(yàn)，隨后轉(zhuǎn)移至北京地鐵燕房線進(jìn)行正線試驗(yàn)以及示范運(yùn)用，UCA10(S)型制動夾鉗單元運(yùn)用狀態(tài)良好，圖5為裝備UCA10(s)型制動夾鉗單元的“下一代地鐵列車”外形圖。

圖5 裝備UCA10(S)型制動夾鉗單元的“下一代地鐵列車”

6 結(jié) 論

針對“下一代地鐵列車”研制的UCA10(S)型制動夾鉗單元設(shè)計(jì)合理，功能完善，同時(shí)申請2項(xiàng)發(fā)明專利，在其設(shè)計(jì)、試制、試驗(yàn)到運(yùn)用考驗(yàn)的全過程中皆嚴(yán)格執(zhí)行了設(shè)計(jì)開發(fā)程序。各項(xiàng)試驗(yàn)結(jié)果和裝車運(yùn)用情況表明，UCA10(S)型制動夾鉗單元的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均符合設(shè)計(jì)要求，能夠滿足“下一代地鐵列車”示范運(yùn)用要求，實(shí)現(xiàn)了制動夾鉗單元的緊湊化及輕量化。