方明剛 張海鋒 杜利清 王常川 張 寧

(中車戚墅堰機(jī)車車輛工藝研究所有限公司，213011,常州//第一作者，工程師)

制動(dòng)盤作為軌道交通車輛基礎(chǔ)制動(dòng)裝置的重要組成部分，在空氣制動(dòng)過程中需要克服制動(dòng)夾鉗作用而產(chǎn)生的制動(dòng)扭矩。制動(dòng)盤按照其安裝的位置分為軸裝式及輪裝式。目前軸裝制動(dòng)盤設(shè)計(jì)中，盤體與盤轂之間均通過螺栓實(shí)現(xiàn)連接。如基礎(chǔ)制動(dòng)裝置供應(yīng)商Knorr在我國高速動(dòng)車組及各類型城軌車輛上運(yùn)用的軸裝制動(dòng)盤即通過螺栓連接，且一般未設(shè)計(jì)其他傳力件。制動(dòng)時(shí)，施加于盤體上的制動(dòng)扭矩全部由螺栓連接承擔(dān)并傳遞至盤轂上。一旦螺栓連接失效，螺栓即承受剪切力作用，導(dǎo)致制動(dòng)盤工作工況惡劣，影響行車安全。因此，設(shè)計(jì)可靠的連接結(jié)構(gòu)，對于保證制動(dòng)盤的安全使用具有重要意義。

本文根據(jù)某動(dòng)車組車輛技術(shù)要求及接口，基于制動(dòng)盤工作原理設(shè)計(jì)了一種軸裝制動(dòng)盤的連接結(jié)構(gòu)，同時(shí)通過對螺栓工作載荷的分析進(jìn)行了連接設(shè)計(jì)及校核，并通過振動(dòng)沖擊試驗(yàn)及1∶1制動(dòng)臺架試驗(yàn)驗(yàn)證了連接結(jié)構(gòu)可滿足車輛的使用要求。

1 軸裝制動(dòng)盤的連接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

某動(dòng)車組拖車采用軸裝盤形制動(dòng)，盤體與盤轂之間通過9組M14的螺栓、螺母緊密連接，制動(dòng)扭矩通過螺栓連接產(chǎn)生的靜摩擦力克服。為保證螺栓連接的可靠性，同時(shí)避免螺栓連接失效后螺栓直接承受剪切力，設(shè)計(jì)了一種具有螺栓保護(hù)作用的定位及傳力結(jié)構(gòu),如圖1所示。由圖1可知,該結(jié)構(gòu)在盤體與盤轂連接爪之間設(shè)計(jì)了3只均布的滑塊。滑塊一端為圓柱結(jié)構(gòu)，其安裝于盤轂連接爪上的螺栓孔內(nèi);另一端為平鍵型結(jié)構(gòu)，其安裝于盤體連接爪上的鍵槽內(nèi)。

a) 平面圖b) A-A剖面圖

圖1 設(shè)計(jì)的滑塊連接結(jié)構(gòu)

滑塊連接結(jié)構(gòu)在組裝時(shí)，滑塊與盤體上的鍵槽及盤轂上的臺階孔同時(shí)配合，可實(shí)現(xiàn)盤體與盤轂之間的周向定位安裝。當(dāng)螺栓連接失效時(shí)，盤體在閘片的作用力下發(fā)生周向偏轉(zhuǎn)，其上鍵槽與滑塊貼合，從而將制動(dòng)力通過滑塊傳遞至盤轂。連接結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)保證滑塊與盤體及盤轂之間的配合尺寸小于螺栓孔與螺栓桿部之間的間隙，從而在連接失效、滑塊發(fā)生作用時(shí)，螺栓桿部不與螺栓孔接觸，制動(dòng)力不傳遞至螺栓，保證螺栓連接不受剪切力作用。

2 螺栓連接工作載荷

2.1 溫度載荷

在車輛制動(dòng)過程中，由其產(chǎn)生的巨大的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為熱能傳遞至盤體，進(jìn)而通過熱傳導(dǎo)的方式施加于螺栓，從而對螺栓產(chǎn)生軸向拉伸作用。本文分析了在平直道條件下，某動(dòng)車組采用純空氣制動(dòng)方式實(shí)施兩次緊急制動(dòng)下螺栓的受力狀況。相關(guān)計(jì)算參數(shù)如表1所示。

表1 制動(dòng)工況計(jì)算參數(shù)

經(jīng)熱機(jī)械耦合仿真可得到制動(dòng)盤各零件溫度狀況，圖2為螺栓溫度達(dá)到最高值時(shí)的溫度云圖。由圖2可知，螺栓溫度最高部位位于其與盤體配合處。

圖2 螺栓溫度達(dá)到最高值時(shí)的溫度云圖

提取溫度最高部位的溫度載荷，得到螺栓軸向力時(shí)間歷程曲線，如圖3所示。由圖3可知,在車輛的兩次制動(dòng)過程中,由溫度載荷引起的螺栓最大軸向力出現(xiàn)在車輛第二次緊急制動(dòng)過程中，其最大軸向力F21=5.68 kN。

圖3 螺栓軸向力時(shí)間歷程曲線

2.2 制動(dòng)扭矩

根據(jù)制動(dòng)夾鉗及閘片設(shè)計(jì)，制動(dòng)盤雙側(cè)最大閘片壓力F1=37 kN，摩擦半徑Rm=251 mm，閘片與盤面間的摩擦系數(shù)μ1=0.5,由此得到制動(dòng)盤應(yīng)承受的最大制動(dòng)扭矩Tz=μ1F1Rm=4 643.5 N·m。

2.3 沖擊載荷

由于線路條件、軌道不平整度及輪對多邊形等因素的影響，制動(dòng)盤在車輛運(yùn)行過程中不可避免地會(huì)受到由輪對傳遞而來的振動(dòng)沖擊載荷。

根據(jù)GB/T 21563—2008《軌道交通 機(jī)車車輛設(shè)備沖擊和振動(dòng)試驗(yàn)》規(guī)定的3類要求，按照1 000m/s2的沖擊加速度分析軸向、橫向及縱向沖擊載荷對螺栓連接的影響。

(1) 軸向沖擊。盤轂過盈壓裝在車軸上，其在受到?jīng)_擊作用時(shí)對螺栓連接不構(gòu)成影響，考慮盤體在隔圈側(cè)對螺栓的橫向沖擊，仿真得到單個(gè)螺栓受到的軸向沖擊載荷F22=11.41 kN。

(2) 縱向及垂向沖擊。車輛在行駛過程中，盤體在縱向及垂向受到?jīng)_擊載荷作用，即為使螺栓產(chǎn)生松動(dòng)趨勢的橫向載荷，仿真得到盤體對螺栓連接的橫向沖擊載荷F23=102.7 kN。

3 螺栓連接設(shè)計(jì)

3.1 扭矩系數(shù)

制動(dòng)盤安裝于車輛轉(zhuǎn)向架上，其上緊固件要求暴露于空氣中并長期可靠運(yùn)用，因此制動(dòng)盤應(yīng)具有良好的防腐性能。目前緊固件常用的表面處理方式有發(fā)黑、磷化、鍍鋅及達(dá)克羅等。由于鍍鋅工藝允許的工作溫度為200 ℃左右，且生產(chǎn)過程易產(chǎn)生氫脆現(xiàn)象[1]，不宜應(yīng)用于制動(dòng)盤螺栓。

對螺栓在有無涂抹潤滑脂條件下，以及在發(fā)黑、磷化及達(dá)克羅等3種處理方式下的扭矩系數(shù)進(jìn)行了試驗(yàn)，得到不同工況下的扭矩系數(shù)。

試驗(yàn)結(jié)果表明，涂抹潤滑脂后可得到較低且更為穩(wěn)定的扭矩系數(shù)。采用達(dá)克羅表面處理方式得到的扭矩系數(shù)相對發(fā)黑及磷化處理方式總體較低，同時(shí)考慮達(dá)克羅處理較發(fā)黑及磷化處理的耐腐蝕性能更強(qiáng)，因此選用達(dá)克羅處理方式，并在緊固時(shí)涂抹潤滑脂。

3.2 緊固扭矩

根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊，采用合金鋼螺栓推薦的預(yù)緊力為：

F0=0.6RP 0.2As

(1)

式中:

F0——螺栓的預(yù)緊力；

RP 0.2——螺栓的規(guī)定塑性延伸強(qiáng)度；

As——螺栓危險(xiǎn)截面的面積。

進(jìn)而根據(jù)T=kF0d計(jì)算得到組裝扭矩為110～140 N·m。其中，k為螺栓連接的扭矩系數(shù)，d為螺栓公稱直徑。

3.3 組裝工藝

制動(dòng)盤組裝時(shí)，若將螺栓一次緊固到位，則可能導(dǎo)致各螺栓連接的相對剛度不一致，從而影響各螺栓擰緊后的預(yù)緊力的一致性，以及制動(dòng)盤受工作載荷后螺栓連接的總拉力。因此應(yīng)采取可靠的組裝工藝保證螺栓緊固的均勻性。同時(shí)考慮到制動(dòng)盤螺栓總體呈中心對稱布置，在設(shè)計(jì)中應(yīng)采用交叉擰緊工藝。

相關(guān)研究表明，螺栓經(jīng)過2～3次擰緊后，螺紋副表面經(jīng)過研磨，去除了其上的局部高點(diǎn)，其扭矩系數(shù)更趨于穩(wěn)定，有利于保證軸向力的一致性[3]。而某動(dòng)車組用螺母為頭部嵌料型的鎖緊螺母，多次擰緊會(huì)破壞其頭部的鎖緊結(jié)構(gòu)，不宜采用多次擰緊工藝，考慮采用分步緊固工藝。

因此，螺栓進(jìn)行組裝時(shí)，首先按照按圖1中1、4、7、2、5、8、3、6、9的順序預(yù)擰緊，然后再按照上述順序依次終緊。

4 設(shè)計(jì)校核及驗(yàn)證

4.1 連接計(jì)算校核

4.1.1 螺栓軸向總拉力

綜合上述分析，得到同時(shí)考慮制動(dòng)過程溫度載荷及橫向沖擊載荷作用下螺栓的疊加工作拉力為F2=F21+F22=17.09 kN?？紤]制動(dòng)盤采用全金屬碟簧結(jié)構(gòu)墊片，取螺栓連接的相對剛度為0.2，得到螺栓軸向總拉力為F=F0+0.2F2=60.27 kN。

4.1.2 拉伸強(qiáng)度校核

螺栓材料為塑性材料，按照第四強(qiáng)度理論，螺栓連接的許用拉應(yīng)力為：[σ]=RP 0.2/SP=783.33 MPa。其中,SP為安全系數(shù)。

當(dāng)σca<[σ]時(shí)，螺栓連接的軸向拉伸強(qiáng)度滿足其使用要求。

4.1.3 扭矩及橫向載荷校核

考慮設(shè)計(jì)的螺栓為普通螺栓組聯(lián)接，各螺栓在被連接件接合面處產(chǎn)生的摩擦力應(yīng)能克服制動(dòng)扭矩及橫向載荷的作用。

考慮最大制動(dòng)扭矩的作用，得到所需最小軸向力為：

(2)

式中:

Tz——最大制動(dòng)扭矩；

f——接合面件的摩擦系數(shù)，取0.2；

z——螺栓數(shù)量，取9；

Ks——防滑系數(shù)，取1.2；

ri——第i個(gè)螺栓的軸向到螺栓組對稱中心的距離，取0.148。

考慮F23的作用，得到所需最小軸向力為：

(3)

式中:

j——接合面數(shù)量，取2。

疊加考慮制動(dòng)扭矩及橫向載荷的影響，螺栓組應(yīng)滿足最小軸向力Fmin=F2t+F2h的要求[4]。經(jīng)計(jì)算,F>Fmin，即螺栓軸向總拉力產(chǎn)生的摩擦力足夠克服制動(dòng)扭矩及橫向載荷的疊加作用。

4.2 試驗(yàn)驗(yàn)證

(1) 振動(dòng)和沖擊試驗(yàn)。依據(jù)IEC 61373—2010《鐵路應(yīng)用 機(jī)車車輛 沖擊和振動(dòng)試驗(yàn)》規(guī)定的3類要求,對振動(dòng)盤分別進(jìn)行了功能隨機(jī)振動(dòng)、提高隨機(jī)振動(dòng)量級的模擬長壽命振動(dòng)及沖擊試驗(yàn)，以及對連接結(jié)構(gòu)在振動(dòng)沖擊試驗(yàn)條件下的緊固情況及可靠性進(jìn)行了分析。圖4為制動(dòng)盤橫向振動(dòng)和沖擊試驗(yàn)照片。制動(dòng)盤在振動(dòng)和沖擊試驗(yàn)結(jié)束后，檢查螺栓連接,發(fā)現(xiàn)其緊固可靠,無松動(dòng)、松脫等異?，F(xiàn)象。

圖4 制動(dòng)盤橫向振動(dòng)和沖擊試驗(yàn)

(2) 制動(dòng)動(dòng)力臺架試驗(yàn)。采用1∶1制動(dòng)動(dòng)力試驗(yàn)臺，針對某動(dòng)車組車輛制動(dòng)工況,對設(shè)計(jì)的螺栓連接進(jìn)行1∶1制動(dòng)動(dòng)力試驗(yàn)及疲勞試驗(yàn)，分析其在實(shí)際制動(dòng)工況下的連接情況。試驗(yàn)結(jié)束后，檢查制動(dòng)盤緊固件,發(fā)現(xiàn)其連接可靠,無松動(dòng)等異常現(xiàn)象。

5 結(jié)論

(1) 根據(jù)制動(dòng)盤的工作原理及軸裝制動(dòng)盤的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)開發(fā)了一種軸裝制動(dòng)盤連接結(jié)構(gòu)。

(2) 針對某動(dòng)車組車輛技術(shù)要求，分析計(jì)算了螺栓連接的工作載荷，并對螺栓連接進(jìn)行了設(shè)計(jì)計(jì)算及校核，最后通過振動(dòng)沖擊試驗(yàn)及1∶1制動(dòng)臺架試驗(yàn)對連接結(jié)構(gòu)進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。

(3) 提出的制動(dòng)盤連接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)開發(fā)思路及試驗(yàn)方法可為制動(dòng)盤及其他車輛制動(dòng)部件的設(shè)計(jì)開發(fā)及試驗(yàn)驗(yàn)證提供有效的指導(dǎo)和依據(jù)。