新一代智能化B型地鐵用制動(dòng)夾鉗單元的研制

韓紅文，朱君華

(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 213125)

智能化、輕量化已成為新一代地鐵車(chē)輛發(fā)展的趨勢(shì)，國(guó)內(nèi)主機(jī)廠開(kāi)發(fā)了新一代智能化B型地鐵車(chē)輛，其突出特點(diǎn)是突破了傳統(tǒng)的系統(tǒng)架構(gòu)、車(chē)體構(gòu)架模式，采用內(nèi)置式轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)，綜合利用新材料和新能源等關(guān)鍵技術(shù)，采用目前國(guó)際最先進(jìn)的制造工藝和焊接技術(shù)，在結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不變的情況下，比原有轉(zhuǎn)向架質(zhì)量減輕30%，其具有軸質(zhì)輕、轉(zhuǎn)向架空間緊湊等特點(diǎn)。

制動(dòng)夾鉗單元是鐵路車(chē)輛制動(dòng)系統(tǒng)的重要組成部分，尤其在制動(dòng)頻繁的地鐵車(chē)輛上，更加要求制動(dòng)夾鉗單元具有更高的可靠性，來(lái)保證車(chē)輛的安全運(yùn)行。

為適應(yīng)新一代智能化B型地鐵車(chē)輛的要求，中車(chē)戚墅堰機(jī)車(chē)車(chē)輛工藝研究所有限公司(戚車(chē)公司)自主研發(fā)了JC型制動(dòng)夾鉗單元，其具有較大的制動(dòng)力和停放力，使得車(chē)輛在高速運(yùn)行中電制動(dòng)失效時(shí)，能夠提供足夠的制動(dòng)力，保證地鐵車(chē)輛在規(guī)定的制動(dòng)距離內(nèi)停車(chē)，在大坡道上能夠提供足夠的駐車(chē)制動(dòng)力，以確保行車(chē)和駐車(chē)安全。而且其具有質(zhì)量輕，空間緊湊等優(yōu)點(diǎn)，可滿足更為緊湊的新一代B型地鐵轉(zhuǎn)向架空間要求。

1 設(shè)計(jì)輸入?yún)?shù)

根據(jù)客戶技術(shù)輸入及新一代智能化B型地鐵車(chē)輛的運(yùn)行工況，其車(chē)輛技術(shù)參數(shù)和制動(dòng)系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)分別如表1及表2所示。

表1 車(chē)輛技術(shù)參數(shù)

表2 制動(dòng)夾鉗單元設(shè)計(jì)相關(guān)參數(shù)

2 方案設(shè)計(jì)

2.1 總體介紹

根據(jù)新一代B型地鐵轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)型式和空間布局，制動(dòng)夾鉗單元采用4點(diǎn)吊掛式，即通過(guò)4個(gè)M20的螺栓將制動(dòng)夾鉗單元安裝在轉(zhuǎn)向架上?？紤]到車(chē)輛的坡道駐車(chē)要求，制動(dòng)夾鉗單元采用常用制動(dòng)夾鉗單元和帶停放制動(dòng)夾鉗單元組合的布置形式。圖1所示為戚車(chē)公司研制的適用于新一代智能化B型地鐵車(chē)輛的常用制動(dòng)夾鉗單元和帶停放制動(dòng)夾鉗單元，其中帶停放制動(dòng)夾鉗單元除了常用的制動(dòng)功能外，其停放制動(dòng)功能還可滿足車(chē)輛的坡道駐車(chē)要求。

圖1 制動(dòng)夾鉗單元

制動(dòng)夾鉗單元主要由制動(dòng)缸(常用制動(dòng)缸、帶停放制動(dòng)缸)和制動(dòng)夾鉗兩部分組成。如圖2所示，向制動(dòng)缸內(nèi)充入氣體，制動(dòng)缸產(chǎn)生制動(dòng)力，通過(guò)制動(dòng)夾鉗的杠桿，將制動(dòng)缸輸出力最終轉(zhuǎn)化為閘片與制動(dòng)盤(pán)的正壓力，通過(guò)閘片與制動(dòng)盤(pán)的摩擦，產(chǎn)生制動(dòng)力。制動(dòng)缸內(nèi)設(shè)有間隙調(diào)整機(jī)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)閘片與制動(dòng)盤(pán)的間隙保持恒定。

圖2 制動(dòng)夾鉗單元工作原理簡(jiǎn)圖

2.2 制動(dòng)缸

新一代智能化B型地鐵制動(dòng)夾鉗單元所用制動(dòng)缸是基于戚機(jī)公司現(xiàn)有JC型制動(dòng)缸的基礎(chǔ)上進(jìn)行系列化設(shè)計(jì)，其工作原理如圖3所示。

圖3 常用制動(dòng)缸動(dòng)作原理

壓縮空氣P充入缸體，空氣推動(dòng)活塞組成向下運(yùn)動(dòng)，活塞楔形塊向下運(yùn)動(dòng)的同時(shí)改變力的傳遞方向并通過(guò)斜面進(jìn)行放大，實(shí)現(xiàn)制動(dòng)缸內(nèi)部力的放大，向下的力轉(zhuǎn)變?yōu)橹鬏S向左的力。

制動(dòng)缸內(nèi)部力的放大倍率只與斜面角度有關(guān)，根據(jù)圖3的力關(guān)系的示意圖，可以得出計(jì)算公式為：

(1)

式(1)中i為制動(dòng)倍率;P1為活塞作用力;K為制動(dòng)單元輸出力;a為楔角角度。

根據(jù)式(1)可知，通過(guò)更改斜面角度a即可改變制動(dòng)缸的內(nèi)部放大倍率i，以此來(lái)適應(yīng)不同制動(dòng)力的要求。新一代智能化B型地鐵制動(dòng)夾鉗單元的常用制動(dòng)缸就是將戚機(jī)公司JC型制動(dòng)缸通過(guò)更改斜面角度來(lái)適應(yīng)車(chē)輛參數(shù)要求的。通過(guò)計(jì)算，將原斜面角度a=22°(i=1.95)更改為a′=26°(i=2.04)。經(jīng)過(guò)分析，斜面角度的增大將造成主軸行程S的增大，間接造成主軸復(fù)位彈簧工作壓力即主軸復(fù)位力的增加。計(jì)算可得，主軸行程為S=16.58 mm，比原有行程增加了ΔS=S-S’=2.85 mm，根據(jù)主軸復(fù)位彈簧的剛度可知，復(fù)位彈簧的工作壓力增加了ΔF=26.23 N。

帶停放制動(dòng)缸進(jìn)行同樣的設(shè)計(jì)，通過(guò)計(jì)算，可滿足使用要求。

2.3 制動(dòng)夾鉗

制動(dòng)夾鉗是將制動(dòng)缸產(chǎn)生的制動(dòng)力傳遞為閘片正壓力的機(jī)構(gòu)，其主要由吊掛組件、殼體組件、杠桿組件、閘片托組件及相關(guān)連接件組成，如圖4所示。制動(dòng)夾鉗通過(guò)吊掛組件連接至轉(zhuǎn)向架上，通過(guò)螺紋銷(xiāo)連接制動(dòng)缸，閘片安裝在閘片托上，通過(guò)杠桿組件將制動(dòng)缸輸出的力傳遞至閘片處，各組件連接處均通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)副連接。

圖4 制動(dòng)夾鉗結(jié)構(gòu)圖

通過(guò)對(duì)杠桿、殼體等零件的輕量化設(shè)計(jì)，在保證制動(dòng)夾鉗強(qiáng)度的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了制動(dòng)夾鉗的輕量化，滿足了產(chǎn)品使用要求。

3 制動(dòng)力計(jì)算

3.1 常用制動(dòng)力計(jì)算

根據(jù)車(chē)輛運(yùn)行的相關(guān)參數(shù)計(jì)算得出每個(gè)制動(dòng)夾鉗單元所需承擔(dān)的制動(dòng)力，以此制動(dòng)力為設(shè)計(jì)輸入，通過(guò)計(jì)算來(lái)確定制動(dòng)夾鉗單元的制動(dòng)倍率、楔塊放大倍率等技術(shù)參數(shù)。

制動(dòng)夾鉗單元所需承擔(dān)的制動(dòng)力是根據(jù)車(chē)輛軸質(zhì)量及所需的制動(dòng)減速度計(jì)算所得，通過(guò)計(jì)算，制動(dòng)夾鉗單元所需制動(dòng)力為；

其中M為緊急制動(dòng)所需力矩，通過(guò)計(jì)算M=4 018.56 Nm。

根據(jù)制動(dòng)夾鉗所需制動(dòng)力，得出制動(dòng)夾鉗單元所需最小制動(dòng)倍率為

式中dz為制動(dòng)缸活塞直徑，為203 mm；ηz為制動(dòng)夾鉗單元計(jì)算傳動(dòng)效率，取0.9；F為單元制動(dòng)缸平均復(fù)原彈簧力，取1 000 N。

制動(dòng)夾鉗單元的制動(dòng)倍率由制動(dòng)夾鉗杠桿放大倍率與制動(dòng)缸楔塊的放大倍率兩部分組成，根據(jù)制動(dòng)夾鉗單元在轉(zhuǎn)向架的安裝位置及與輪對(duì)的空間關(guān)系，取制動(dòng)夾鉗的杠桿比為1∶1，即夾鉗的杠桿放大倍率為i1=2；

因此，制動(dòng)單元的實(shí)取制動(dòng)倍率為i=i1·i2=4.1≥3.74，滿足要求。

3.2 停放制動(dòng)力計(jì)算

制動(dòng)缸的停放制動(dòng)力須保證車(chē)輛在k=35‰的最大坡道下正常停放，如果每軸采用1套停放制動(dòng)夾鉗單元，那么停放制動(dòng)時(shí)所需制動(dòng)力

式中Rc為車(chē)輪半徑，取420 mm

所需停放彈簧的總推力

現(xiàn)采用JC型停放制動(dòng)缸的停放彈簧總推力大于10 kN，停放力可滿足新一代智能化B型地鐵車(chē)輛的停放制動(dòng)要求。

4 空間校核

根據(jù)轉(zhuǎn)向架一系彈簧運(yùn)動(dòng)范圍及盤(pán)片參數(shù)，對(duì)所設(shè)計(jì)制動(dòng)夾鉗單元進(jìn)行各工況下的空間校核(如圖5所示)。

圖5 制動(dòng)夾鉗單元空間校核

根據(jù)客戶設(shè)計(jì)輸入，B型地鐵轉(zhuǎn)向架一系彈簧運(yùn)動(dòng)范圍及相關(guān)盤(pán)片參數(shù)見(jiàn)表3所示。

表3 一系彈簧運(yùn)動(dòng)范圍及盤(pán)片參數(shù)

其中X向、Y向、Z向示意見(jiàn)圖6所示。

圖6 轉(zhuǎn)向架一系彈簧運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系

根據(jù)轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)型式及相關(guān)設(shè)計(jì)輸入分析，主要需校核以下9種工況下制動(dòng)夾鉗單元與輪對(duì)及轉(zhuǎn)向架的空間距離：

表4 空間校核工況

通過(guò)校核，各工況下制動(dòng)夾鉗單元距構(gòu)架與輪緣的距離如表5所示。

表5 空間校核結(jié)果

根據(jù)表5可知，各工況下制動(dòng)夾鉗單元滿足使用要求。

5 有限元分析

本項(xiàng)目主要需對(duì)制動(dòng)夾鉗進(jìn)行有限元分析，取制動(dòng)夾鉗關(guān)鍵零部件(吊架、殼體、杠桿、閘片托)進(jìn)行有限元強(qiáng)度計(jì)算。

根據(jù)設(shè)計(jì)輸入條件及現(xiàn)車(chē)運(yùn)行工況，將制動(dòng)夾鉗有限元強(qiáng)度計(jì)算的工況分為3種，分別為：

①車(chē)輛緊急制動(dòng)，盤(pán)片摩擦力沿閘片向上；

②車(chē)輛緊急制動(dòng)，盤(pán)片摩擦力沿閘片向下；

③車(chē)輛施加靜強(qiáng)度制動(dòng)力。

對(duì)制動(dòng)夾鉗進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算，分析過(guò)程如圖7所示。

圖7 制動(dòng)夾鉗有限元分析

分析結(jié)果如表6所示。

通過(guò)分析可以看出，制動(dòng)夾鉗的零件材質(zhì)及結(jié)構(gòu)滿足使用要求。

表6 有限元分析結(jié)果

6 結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)客戶設(shè)計(jì)輸入條件，通過(guò)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、制動(dòng)計(jì)算、空間校核和有限元分析，開(kāi)發(fā)了適應(yīng)新一代智能化B型地鐵車(chē)輛用制動(dòng)夾鉗單元。

試制完成后，經(jīng)過(guò)在專(zhuān)用型式試驗(yàn)臺(tái)上的試驗(yàn)，其各項(xiàng)性能和技術(shù)指標(biāo)達(dá)到了預(yù)期目的和設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)中的各項(xiàng)要求。其具有的大制動(dòng)力、大停放力、輕量化、所占空間小等特點(diǎn)，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)同行業(yè)多項(xiàng)空白，為我國(guó)新一代智能化B型地鐵提供了先進(jìn)的制動(dòng)夾鉗單元。同時(shí)該制動(dòng)夾鉗單元所用制動(dòng)缸模塊為戚機(jī)公司JC型制動(dòng)缸的系列化設(shè)計(jì)產(chǎn)品，僅需更改極少數(shù)的零件即可滿足使用要求，極大的降低了產(chǎn)品成本、縮短了產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)周期，公司應(yīng)盡快推廣應(yīng)用。