韓曉輝，李業(yè)明，趙春光，焦標(biāo)強(qiáng)

（中國(guó)鐵道研究院 機(jī)車(chē)車(chē)輛研究所，北京100081）

制動(dòng)夾鉗單元作為制動(dòng)系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，對(duì)列車(chē)運(yùn)行的安全起著至關(guān)重要的作用。CRH3型車(chē)動(dòng)車(chē)組采用4動(dòng)4拖的編組方式，動(dòng)車(chē)采用輪盤(pán)式制動(dòng)，每輛動(dòng)車(chē)上有8個(gè)制動(dòng)夾鉗單元；拖車(chē)采用軸盤(pán)式制動(dòng)，每根車(chē)軸上安裝有3個(gè)制動(dòng)夾鉗單元，每輛拖車(chē)上共有12個(gè)制動(dòng)夾鉗單元。制動(dòng)夾鉗單元在制動(dòng)時(shí)，依靠閘片與制動(dòng)盤(pán)之間的摩擦，將車(chē)輛的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為熱能，確保車(chē)輛在安全距離內(nèi)停車(chē)。因此制動(dòng)夾鉗單元的性能將直接影響車(chē)輛運(yùn)行的安全性和穩(wěn)定性。隨著車(chē)輛運(yùn)行速度的提高，特別是對(duì)于高速動(dòng)車(chē)組，在高速下由于軌道的不平順、通過(guò)曲線、會(huì)車(chē)等原因造成的沖擊，會(huì)加劇車(chē)輛在制動(dòng)時(shí)垂向、縱向、橫向的沖擊振動(dòng)。通過(guò)對(duì)制動(dòng)夾鉗單元在應(yīng)用中的跟蹤試驗(yàn)，從而得出制動(dòng)夾鉗單元的振動(dòng)特點(diǎn)。

1 制動(dòng)夾鉗單元的結(jié)構(gòu)及作用原理

CRH3型車(chē)動(dòng)車(chē)組上共有3種制動(dòng)夾鉗單元，動(dòng)車(chē)上采用10英寸缸的制動(dòng)夾鉗單元，為不帶停放的制動(dòng)夾鉗單元。拖車(chē)上有兩種制動(dòng)夾鉗單元，一種是帶停放的8英寸制動(dòng)夾鉗單元，另一種是不帶停放的8英寸制動(dòng)夾鉗單元。

依據(jù)高速車(chē)輛對(duì)空氣制動(dòng)要求，制動(dòng)夾鉗單元要求能夠?qū)崿F(xiàn)將制動(dòng)缸的制動(dòng)力，通過(guò)制動(dòng)杠桿按一定制動(dòng)倍率，轉(zhuǎn)化成閘片壓力施加到制動(dòng)盤(pán)上。

制動(dòng)夾鉗單元的工作原理為：來(lái)自中繼閥的壓縮空氣充入制動(dòng)缸，壓力空氣作用在制動(dòng)缸活塞面上，推動(dòng)制動(dòng)缸活塞往外移動(dòng)，制動(dòng)缸活塞通過(guò)引導(dǎo)彈簧并經(jīng)過(guò)引導(dǎo)螺母和間隙調(diào)整器將制動(dòng)缸中的絲杠推出，固定在絲杠上的連接桿與絲杠一起動(dòng)作，推動(dòng)制動(dòng)杠桿產(chǎn)生動(dòng)作，從而使制動(dòng)夾鉗夾緊制動(dòng)盤(pán)，產(chǎn)生制動(dòng)力，使列車(chē)產(chǎn)生制動(dòng)作用。

1.1 制動(dòng)夾鉗單元的組成

制動(dòng)夾鉗單元主要由制動(dòng)缸、吊架、制動(dòng)杠桿、閘片托、閘片等部件構(gòu)成。制動(dòng)夾鉗單元采用3點(diǎn)吊掛式安裝方式，將制動(dòng)夾鉗單元安裝在轉(zhuǎn)向架上。制動(dòng)夾鉗單元的吊銷(xiāo)內(nèi)裝有橡膠套，可以減小及緩沖對(duì)轉(zhuǎn)向架與制動(dòng)夾鉗單元之間的沖擊和振動(dòng)。閘片和閘片托之間采用卡簧將兩部件緊固在一起。依靠制動(dòng)杠桿的放大作用，將活塞力進(jìn)行一定倍率的放大，轉(zhuǎn)化成制動(dòng)夾鉗單元的閘片壓力施加到制動(dòng)盤(pán)上。帶停放的制動(dòng)夾鉗單元及不帶停放的制動(dòng)夾鉗單元的外形圖如圖1和圖2所示。

圖1 帶停放制動(dòng)夾鉗單元外形圖

圖2 不帶停放制動(dòng) 夾鉗單元外形圖

1.2 制動(dòng)夾鉗單元的作用原理（圖3）

常用制動(dòng)缸的作用，是將空氣壓力轉(zhuǎn)化為制動(dòng)缸的作用力。其作用原理為：空氣壓力作用在活塞面上，轉(zhuǎn)化為活塞推力，通過(guò)傳力部件，活塞推力將制動(dòng)缸絲杠推出，從而推動(dòng)制動(dòng)杠桿產(chǎn)生制動(dòng)作用。根據(jù)其作用原理，可以看出，制動(dòng)缸應(yīng)該主要由3個(gè)功能部件組成。

圖3 單元制動(dòng)缸工作原理

（1）傳力部件。將制動(dòng)缸的活塞力轉(zhuǎn)化為制動(dòng)缸的作用力。

（2）間隙調(diào)整裝置。自動(dòng)調(diào)整由于閘片及制動(dòng)盤(pán)磨耗所產(chǎn)生的間隙。

（3）絲杠復(fù)位機(jī)構(gòu)。在制動(dòng)缸緩解時(shí)，應(yīng)當(dāng)能夠是絲杠完全復(fù)位，防止制動(dòng)缸卡滯。

制動(dòng)缸內(nèi)部絲杠與調(diào)整螺母／引導(dǎo)螺母之間采用非自鎖的螺紋連接，3個(gè)離合器的相互轉(zhuǎn)化，因此制動(dòng)夾鉗單元依靠制動(dòng)缸內(nèi)3個(gè)離合器的相互轉(zhuǎn)化，通過(guò)絲杠的直線運(yùn)動(dòng)及螺母旋轉(zhuǎn)的相互轉(zhuǎn)化實(shí)現(xiàn)制動(dòng)、緩解及間隙調(diào)整功能。

2 制動(dòng)夾鉗單元振動(dòng)性能分析

對(duì)CRH380BL動(dòng)車(chē)組制動(dòng)夾鉗單元進(jìn)行跟蹤試驗(yàn)，采用在制動(dòng)夾鉗單元各主要部件上安裝相應(yīng)的速度傳感器的方式，對(duì)制動(dòng)夾鉗單元的振動(dòng)性能進(jìn)行分析。加速度傳感器安裝位置如圖4所示，每車(chē)布置3個(gè)振動(dòng)測(cè)點(diǎn)。每個(gè)測(cè)點(diǎn)安裝橫向、縱向和垂向3種類(lèi)型加速度傳感器。

圖4 加速度傳感器位置

2.1 速度對(duì)制動(dòng)夾鉗單元振動(dòng)性能影響

依據(jù)跟蹤試驗(yàn)數(shù)據(jù)，選取車(chē)輛在300km／h，采用緊急純空氣制動(dòng)，得到在不同速度下，動(dòng)車(chē)和拖車(chē)的制動(dòng)夾鉗各部件的加速度如下表1、表2所示。

表1 動(dòng)車(chē)速度制動(dòng)夾鉗單元振動(dòng)性能——?jiǎng)榆?chē)制動(dòng)夾鉗單元各部件平均振動(dòng)加速度 m·s－2

表2 拖車(chē)速度制動(dòng)夾鉗單元振動(dòng)性能——?jiǎng)榆?chē)制動(dòng)夾鉗單元平均振動(dòng)加速度 m·s－2

依據(jù)跟蹤試驗(yàn)數(shù)據(jù)，選取車(chē)輛在200km／h，采用緊急純空氣制動(dòng)，得到在不同速度下，動(dòng)車(chē)和拖車(chē)的制動(dòng)夾鉗各部件的加速度如表3、表4所示。

由表1～表4可以得出制動(dòng)夾鉗振動(dòng)具有一下規(guī)律：

表3 速度對(duì)動(dòng)車(chē)制動(dòng)夾鉗單元振動(dòng)性能影響——?jiǎng)榆?chē)制動(dòng)夾鉗單元各部件振動(dòng)加速度 m·s－2

表4 速度對(duì)拖車(chē)制動(dòng)夾鉗單元振動(dòng)性能影響——拖車(chē)制動(dòng)夾鉗單元各部件平均振動(dòng)加速度 m·s－2

（1）速度越高，制動(dòng)夾鉗單元各部件的振動(dòng)越大。

（2）從制動(dòng)開(kāi)始，直到停車(chē)，制動(dòng)夾鉗各部件振動(dòng)呈逐漸減小的趨勢(shì)。

（3）在相同工況下，動(dòng)車(chē)制動(dòng)夾鉗的振動(dòng)比拖車(chē)制動(dòng)夾鉗要大，這主要是由于動(dòng)車(chē)在轉(zhuǎn)向架上安裝有驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，會(huì)增大車(chē)輛系統(tǒng)的簧下質(zhì)量，從而加劇整個(gè)系統(tǒng)的沖擊和振動(dòng)。因此在相同工況下，動(dòng)車(chē)制動(dòng)夾鉗的振動(dòng)要大于拖車(chē)制動(dòng)夾鉗。

（4）對(duì)于同一類(lèi)型的車(chē)輛，在相同工況下，制動(dòng)夾鉗單元各部件中閘片托的平均振動(dòng)加速度最大，而吊架的平均振動(dòng)加速度最小，這主要是由于吊架的懸掛部件中，吊銷(xiāo)中有橡膠套，橡膠元件對(duì)振動(dòng)具有衰減和緩沖的作用，因此吊架的振動(dòng)加速度最小。

（5）在相同的制動(dòng)工況下，制動(dòng)夾鉗各部件中，每個(gè)部件的橫向振動(dòng)要大于其它方向的振動(dòng)。因?yàn)檎麄€(gè)車(chē)輛在運(yùn)行中，其車(chē)輛系統(tǒng)蛇形運(yùn)動(dòng)方向主要表現(xiàn)在橫向上，而且系統(tǒng)懸掛元件在橫向上的緩沖和衰減功能一般較其它方向要弱，因此車(chē)輛系統(tǒng)橫向振動(dòng)較其余方向要大，而制動(dòng)夾鉗作為車(chē)輛系統(tǒng)的一部分，其各部件的橫向振動(dòng)符合整個(gè)系統(tǒng)的振動(dòng)規(guī)律，即橫向振動(dòng)要大于其它方向的振動(dòng)。

2.2 制動(dòng)模式對(duì)制動(dòng)夾鉗振動(dòng)性能的影響

選取車(chē)輛在300km／h的運(yùn)行速度下，列車(chē)采用6級(jí)制動(dòng)、7級(jí)制動(dòng)及緊急制動(dòng)模式時(shí)，制動(dòng)夾鉗各部件的振動(dòng)加速度。制動(dòng)夾鉗各部件在不同制動(dòng)模式下的振動(dòng)加速度如表5所示。

表5 不同制動(dòng)模式下制動(dòng)夾鉗單元各部件的振動(dòng)加速度

由表5可以看出，在相同運(yùn)行速度下，采用不同的制動(dòng)模式，隨著制動(dòng)夾鉗制動(dòng)力的增加，制動(dòng)夾鉗各部件的振動(dòng)平均加速度逐漸增大。這可能是因?yàn)樽饔迷谥苿?dòng)盤(pán)上的制動(dòng)力不通過(guò)車(chē)輪幾何中心，會(huì)對(duì)輪對(duì)產(chǎn)生一個(gè)周期性的激擾力，而且隨著激擾力的增大，會(huì)加劇輪對(duì)的振動(dòng)。此外，輪對(duì)以及軌道不平順等激勵(lì)的振動(dòng)，通過(guò)輪對(duì)傳遞給制動(dòng)夾鉗單元，也會(huì)增大制動(dòng)夾鉗單元的振動(dòng)。

3 卡簧振動(dòng)性能分析

制動(dòng)夾鉗單元中的卡簧用于鎖緊閘片，如發(fā)生脫出會(huì)導(dǎo)致閘片脫落危機(jī)列車(chē)安全，因此卡簧的振動(dòng)狀態(tài)尤其值得關(guān)注。車(chē)輛在運(yùn)行中由于施加制動(dòng)、軌道的不平順等因素造成的沖擊和振動(dòng)，直接通過(guò)車(chē)輪和制動(dòng)盤(pán)傳遞給閘片托，而且軌道不平順的因素造成的沖擊和振動(dòng)對(duì)閘片托振動(dòng)性能影響最大，作為鎖緊閘片的卡簧，會(huì)隨著閘片托的振動(dòng)而產(chǎn)生相應(yīng)的振動(dòng)。由試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，動(dòng)車(chē)和拖車(chē)卡簧振動(dòng)的頻譜分析如圖5和圖6所示。

圖5 拖車(chē)卡簧振動(dòng)的頻譜分析圖

圖6 動(dòng)車(chē)卡簧振動(dòng)的頻譜分析圖

由圖5、圖6可以看出，列車(chē)在運(yùn)行過(guò)程中，動(dòng)車(chē)的卡簧振動(dòng)幅值比拖車(chē)卡簧大。動(dòng)車(chē)卡簧振動(dòng)頻率在20～1 300Hz，其振動(dòng)幅值普遍較大；拖車(chē)振動(dòng)頻率在300～1 100Hz，其振動(dòng)的峰值較大。由此可以看出，動(dòng)車(chē)卡簧在整個(gè)低頻及高頻區(qū)段，都會(huì)造成卡簧較大的振動(dòng)。所以動(dòng)車(chē)卡簧的運(yùn)行工況較拖車(chē)卡簧更為惡劣，在實(shí)際運(yùn)用中，動(dòng)車(chē)卡簧發(fā)生脫出現(xiàn)象較拖車(chē)更多，這與卡簧振動(dòng)有很大關(guān)系。

4 卡簧振動(dòng)對(duì)其性能的影響

采用有限元軟件ANSYS，建立卡簧的有限元模型。采用SOLID186對(duì)卡簧進(jìn)行網(wǎng)格劃分，共有35 951個(gè)單元及58 423個(gè)節(jié)點(diǎn)?？ɑ傻膶?shí)體模型及有限元模型如圖7和圖8所示。

圖7 卡簧實(shí)體模型

圖8 卡簧有限元模型

隨著卡簧的振動(dòng)，卡簧端部會(huì)與閘片托產(chǎn)生摩擦，使卡簧被磨耗。分別計(jì)算卡簧未磨耗、磨耗0.05mm、磨耗0.1mm、磨耗0.2mm時(shí)卡簧的強(qiáng)度。依據(jù)卡簧的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對(duì)卡簧施加載荷及約束。卡簧的坐標(biāo)系如圖9所示，在卡簧與開(kāi)口銷(xiāo)的固定端施加X(jué)方向的全約束。在卡簧的另一端Y方向的位移載荷，位移量為1 mm。卡簧施加載荷及約束如圖9所示。

圖9 卡簧載荷及約束施加示意圖

卡簧無(wú)磨耗及磨耗0.05mm的應(yīng)力云圖如下圖10、圖11所示，其余工況卡簧的應(yīng)力變化趨勢(shì)與卡簧磨耗0.05mm時(shí)基本相同。卡簧各工況下的應(yīng)力大小及最大應(yīng)力變化趨勢(shì)如圖12所示。

圖10 卡簧無(wú)磨耗應(yīng)力云圖

圖11 卡簧磨耗0.05mm應(yīng)力云圖

圖12 卡簧最大應(yīng)力與磨耗的關(guān)系圖

由上述分析可以看出，隨著卡簧的振動(dòng)，卡簧逐漸產(chǎn)生磨耗。隨著卡簧磨耗的增加，卡簧的應(yīng)力逐漸增大。當(dāng)無(wú)磨耗時(shí)，在產(chǎn)生1mm的位移變形時(shí)，卡簧最大應(yīng)力為108MPa，當(dāng)卡簧產(chǎn)生0.05mm磨耗時(shí)，卡簧的最大應(yīng)力為111MPa，卡簧磨耗0.1mm，卡簧最大應(yīng)力為117MPa，卡簧磨耗0.2mm，卡簧最大應(yīng)力120 MPa，既卡簧磨耗0.2mm相對(duì)于無(wú)磨耗時(shí)的卡簧，其最大應(yīng)力增加11.1%。因此隨著夾鉗和卡簧的振動(dòng)，會(huì)導(dǎo)致卡簧逐漸脫出及磨耗，并且卡簧的應(yīng)力也逐步增大，從而縮短卡簧的疲勞壽命，甚至使卡簧斷裂。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)制動(dòng)夾鉗單元振動(dòng)特性進(jìn)行分析，得到以下結(jié)論：

（1）對(duì)于同一類(lèi)型的車(chē)輛，在相同工況下，制動(dòng)夾鉗單元各部件中閘片托的平均振動(dòng)加速度最大，而吊架的平均振動(dòng)加速度最小。

（2）在相同的制動(dòng)工況下，制動(dòng)夾鉗各部件中，每個(gè)部件的橫向振動(dòng)要大于其它方向的振動(dòng)。

（3）在相同運(yùn)行速度下，采用不同的制動(dòng)模式，隨著制動(dòng)夾鉗制動(dòng)力的增加，制動(dòng)夾鉗各部件的振動(dòng)平均加速度逐漸增大。

（4）隨著制動(dòng)夾鉗單元和卡簧的振動(dòng)，卡簧會(huì)逐漸產(chǎn)生磨耗。隨著卡簧磨耗的增加，卡簧的應(yīng)力逐漸增大，從而縮短卡簧的疲勞壽命，甚至造成卡簧斷裂。