李秀杰

重載鐵路因其運(yùn)能大、效率高、運(yùn)輸成本低而受到世界各國(guó)鐵路運(yùn)輸界的廣泛重視，目前世界上大量開(kāi)行的重載貨物列車軸重在28～36 t。我國(guó)通用貨車的軸重從 21 t 逐步發(fā)展到 23 t［1］，2013 年開(kāi)啟27 t 軸重貨車的系列試驗(yàn)；2014 年，30 t 軸重貨車正式進(jìn)入我國(guó)貨運(yùn)發(fā)展舞臺(tái)［2-3］。雖然目前30 t軸重的貨車只在專用線上運(yùn)行，不經(jīng)過(guò)駝峰場(chǎng)，但相關(guān)設(shè)備的技術(shù)儲(chǔ)備研究必須提前進(jìn)行。駝峰車輛減速器（以下簡(jiǎn)稱“減速器”）作為駝峰調(diào)車場(chǎng)的重要調(diào)速設(shè)備，需不斷適應(yīng)貨車軸重的變化需求，本文研究的即是在重載化大背景下的技術(shù)儲(chǔ)備。

軸重提高會(huì)給重力式減速器帶來(lái)一系列問(wèn)題，如：制動(dòng)和緩解功能可靠性下降、基礎(chǔ)破損、制動(dòng)鉗等關(guān)鍵受力部件疲勞失效、輕車跳動(dòng)加劇等。在解決這些問(wèn)題的基礎(chǔ)上，完成適應(yīng)30 t軸重、基本軌為60 kg/m的目的位減速器設(shè)計(jì)，意義重大。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研和既有產(chǎn)品的運(yùn)用情況，重載化對(duì)減速器的總體要求為：功能可靠、運(yùn)用穩(wěn)定、少維修、壽命長(zhǎng)等。設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵技術(shù)有以下幾個(gè)方面。

1 傳動(dòng)系統(tǒng)可靠性

減速器制動(dòng)、緩解功能的可靠實(shí)現(xiàn)，關(guān)鍵在動(dòng)力輸出和傳動(dòng)系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)計(jì)上。重力式減速器的工作原理是將氣動(dòng)或液壓的壓力能轉(zhuǎn)化為機(jī)械動(dòng)能，經(jīng)過(guò)傳動(dòng)系統(tǒng)的傳遞，使減速器制動(dòng)部件在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，實(shí)現(xiàn)制動(dòng)和緩解功能［4］。重力式減速器的動(dòng)力輸出是間接控制力，氣缸推力約為1.8 t，與制動(dòng)軌直接施加在23 t軸重重車車輪上的正壓力約13 t相比（具體值取決于減速器參數(shù)和車重），低一個(gè)數(shù)量級(jí)。

減速器可靠進(jìn)行制動(dòng)鎖閉和緩解解鎖動(dòng)作，需要滿足以下條件［5］。

式中：Q軸為車輛軸重，按30 t 軸重計(jì)算時(shí)，取值3.0E+05（N）；η軸為鉸軸摩擦力影響系數(shù)，取值0.9；η缸max為氣缸效率-制動(dòng)，取值0.8；η缸min為氣缸效率-緩解，取值0.75；μ為制動(dòng)鉗與滾輪間摩擦系數(shù)，滑動(dòng)摩擦?xí)r取值0.15；lmax為曲拐偏心最大值，取設(shè)計(jì)值的公差上限（mm）；lmin為磨耗后的曲拐最小值（mm）。P制min、P緩min分別為制動(dòng)氣壓最小值及緩解氣壓最小值（MPa）；η滾為滾輪的傳動(dòng)效率；L為制動(dòng)力臂（mm）；H為緩解力臂（mm）。

軸重從既有的23 t 增加至30 t，軸重增加30%。滾輪所受正壓力和摩擦阻力同比增加，制動(dòng)鎖閉和緩解解鎖的可靠性均降低。為解決此問(wèn)題，可采用以下措施。

1）采用增強(qiáng)型氣缸，缸徑從160 mm 增加到180 mm，受力面積提高27%，輸出力與受力面積成正比，增加約27%。

2）優(yōu)化傳動(dòng)系統(tǒng)機(jī)構(gòu)參數(shù)，以提高輸出力矩，動(dòng)力臂長(zhǎng)度增加17%，阻力臂長(zhǎng)度減小9%。

3）采用新型滾輪結(jié)構(gòu)減小摩擦系數(shù)。

經(jīng)計(jì)算，實(shí)施1）、2）項(xiàng)措施的T.JK2-C60 型減速器，在23 t軸重時(shí)，P制min=0.50 MPa，P緩min=0.42 MPa，均滿足小于0.7 MPa 的要求，氣壓需求低于按23 t 軸重設(shè)計(jì)的T.JK2-B50 減速器；在30 t 軸重時(shí)，P制min=0.66 MPa，P緩min=0.55 MPa，也滿足小于0.7 MPa的要求。

在此基礎(chǔ)上，采用新型滾輪結(jié)構(gòu)，摩擦系數(shù)從0.15降低為0.10，傳動(dòng)效率提高至0.98。經(jīng)計(jì)算，30 t軸重時(shí)，P制min=0.69 MPa，P緩min=0.04 MPa，均滿足小于0.7 MPa的要求。為了使制動(dòng)鎖閉和緩解解鎖壓力均衡，可適當(dāng)降低曲拐偏心值，則P制min=0.47 MPa，P緩min=0.42 MPa，均滿足小于0.7 MPa的要求。

采取多種措施后，T.JK2-C60 型減速器30 t軸重時(shí)的制動(dòng)鎖閉和緩解解鎖氣壓值均低于T.JK2-B50 減速器在23 t 軸重的氣壓值，因此保證了30 t 重載下的傳動(dòng)可靠性。具體計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 T.JK2-C60減速器傳動(dòng)系統(tǒng)計(jì)算結(jié)果

2 預(yù)應(yīng)力軌道板-鋼臺(tái)座技術(shù)

減速器軌道板的基礎(chǔ)采用無(wú)砟軌道。在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了預(yù)應(yīng)力軌道板，取代軌枕板的主道床，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)物見(jiàn)圖1?；A(chǔ)采用預(yù)應(yīng)力軌道板與鋼臺(tái)座相結(jié)合［6］，具有以下優(yōu)點(diǎn)。

圖1 預(yù)應(yīng)力軌道板-鋼臺(tái)座道床

1） 預(yù)應(yīng)力軌道板抗裂性好，剛度大，結(jié)構(gòu)的耐久性好；節(jié)省材料，可減少鋼筋用量和構(gòu)件尺寸；耐疲勞性能高。

2） 將混凝土基礎(chǔ)表面設(shè)計(jì)為簡(jiǎn)單的平面結(jié)構(gòu)，去除軌枕板的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，混凝土采用預(yù)應(yīng)力加工工藝，一次澆筑，克服了混凝土抗拉強(qiáng)度是抗壓強(qiáng)度1/16～1/12 的強(qiáng)度不平衡的缺點(diǎn)［7-8］。

3） 將受力復(fù)雜、容易受震動(dòng)拍擊載荷的部位采用全鋼結(jié)構(gòu)，抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、受拍擊、抗震動(dòng)性能大幅提升。

4） 鋼臺(tái)座與軌道板的結(jié)合面為簡(jiǎn)單的大平面［9］，有效分散了車輛傳遞的集中載荷，使受力均勻地分布在混凝土基礎(chǔ)上。鋼結(jié)構(gòu)與預(yù)應(yīng)力軌道板相結(jié)合的方案起到了應(yīng)力分布“削峰填谷”的效果，避免了個(gè)別部位受力集中導(dǎo)致局部失效、進(jìn)而整體失效的問(wèn)題。

如此設(shè)計(jì)出的適應(yīng)30 t軸重的預(yù)應(yīng)力軌道板基礎(chǔ)，經(jīng)過(guò)軌道板橫截面、縱截面的極限承載能力計(jì)算，均滿足30 t重載的設(shè)計(jì)需求。

3 關(guān)鍵受力部件強(qiáng)度

制動(dòng)部件是減速器對(duì)車輛制動(dòng)力的直接施加和承受部分，主要包括制動(dòng)鉗、鋼軌承座、制動(dòng)軌等部件，其受力大小與車重成正比［10］。適應(yīng)30 t 軸重的T.JK2-C60 減速器為了保障提供足夠的制動(dòng)力，需要強(qiáng)度更大的制動(dòng)部件。本方案從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材質(zhì)選擇和生產(chǎn)工藝等環(huán)節(jié)著手，利用自主研發(fā)的車輛減速器有限元仿真平臺(tái)，進(jìn)行制動(dòng)鉗、鋼軌承座等關(guān)鍵受力部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、應(yīng)力校核和結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，研制了適應(yīng)30 t軸重貨車的新型制動(dòng)鉗（見(jiàn)圖2）等關(guān)鍵受力部件。采用更好的鑄鋼材料，提高了材料強(qiáng)度；改進(jìn)鑄造工藝和熱處理工藝，保證產(chǎn)品的使用性能。

圖2 新型制動(dòng)鉗

4 浮軌彈簧技術(shù)

減速器適應(yīng)重載的常規(guī)做法包括：提高走行軌規(guī)格以提高耐磨性，提高設(shè)備自重以提高強(qiáng)度。但走行軌剛度提高和設(shè)備自重增加，會(huì)導(dǎo)致重力式結(jié)構(gòu)的非線性因素加大，造成輕車跳動(dòng)加劇。軸重提高至30 t，整車重量將達(dá)120 t，而既有的自重20 t級(jí)的平板空車重量不變，輕車與重車的重量范圍從20～92 t 擴(kuò)大至20～120 t，范圍加大對(duì)減速器制動(dòng)平穩(wěn)性提出了更高的要求。重載還會(huì)引起走行軌的磨耗加劇，因未來(lái)采用60 kg/m 代替50 kg/m 的可能性增大，而相較于50 kg/m 走行軌，60 kg/m 走行軌變形后產(chǎn)生的應(yīng)力更大，加大了輕車的附加制動(dòng)力系數(shù)。另一方面，適應(yīng)重載的減速器會(huì)采用重型制動(dòng)鉗、重型鋼軌承座及制動(dòng)軌，設(shè)備自重有所提高，也加大了輕車的附加制動(dòng)力系數(shù)，造成輕車跳動(dòng)加劇。因此輕車跳動(dòng)問(wèn)題是重載必須解決的問(wèn)題。

為此，采用浮軌彈簧技術(shù)，其裝置見(jiàn)圖3，即在走行軌下安裝彈簧裝置，車輛經(jīng)過(guò)時(shí)利用彈簧的彈力，平衡部分走行軌變形及設(shè)備自重所導(dǎo)致的附加制動(dòng)力，減少輕車跳動(dòng)問(wèn)題。同時(shí)彈簧的柔性受力，改善了減速器的剛性沖擊受力工況，使設(shè)備的整體受力狀況得以改進(jìn)。

圖3 浮軌彈簧裝置

5 其他技術(shù)

5.1 完全開(kāi)放式制動(dòng)鉗-承座組件

如圖4 所示，采用開(kāi)放式制動(dòng)鉗-承座組件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，其開(kāi)口大于基本軌寬度，而非傳統(tǒng)的通過(guò)制動(dòng)鉗“鳥(niǎo)嘴部位”掛在基本軌的結(jié)構(gòu)（見(jiàn)圖5），施工過(guò)程中不必采用穿軌或穿鉗的傳統(tǒng)施工方法，基本軌可直接落入制動(dòng)鉗組之中，實(shí)現(xiàn)了制動(dòng)鉗組的徹底開(kāi)放。解決了困擾減速器行業(yè)多年的施工不便的難題，節(jié)省施工時(shí)間和人力，提高施工效率，也方便了維修作業(yè)。

圖4 完全開(kāi)放式制動(dòng)鉗-承座組件

圖5 非開(kāi)放式制動(dòng)鉗組件

5.2 低噪聲環(huán)保型制動(dòng)梁及閥箱

由于城市規(guī)模的擴(kuò)大，編組場(chǎng)周圍逐漸出現(xiàn)了居民區(qū)，噪聲環(huán)保問(wèn)題進(jìn)一步突顯。采用制動(dòng)梁代替制動(dòng)軌是降低減速器制動(dòng)高頻噪聲的有效方案。它是在與車輪直接接觸的部件上，采用限制聲波傳播的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)；在接觸面材料上，采用與鋼軌材質(zhì)差異較大的金屬基材及復(fù)合材料技術(shù)結(jié)合的方式，降低磨材料硬度，從而達(dá)到降低噪聲的目的，且同時(shí)保證材料良好的耐磨性能和使用壽命。采用降噪閥箱技術(shù)，降低氣動(dòng)閥箱的排氣噪聲，從而控制了噪聲的2個(gè)主要來(lái)源。

5.3 耐磨性及壽命

減速器的耐磨性能直接關(guān)系到中修周期、中修范圍的設(shè)定，以及設(shè)備壽命周期的確定，主要包括轉(zhuǎn)動(dòng)部件軸、套，制動(dòng)軌或制動(dòng)梁的耐磨性能。設(shè)計(jì)上需要在軸套的材質(zhì)選擇、注油保養(yǎng)的方便性上采取措施。另外現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)保養(yǎng)水平也尤為重要。

6 結(jié)論

圍繞適應(yīng)30 t軸重、采用60 kg/m走行軌T.JK2-C60型目的位減速器的設(shè)計(jì)，闡述了關(guān)鍵技術(shù)的研究，解決了當(dāng)前軌枕板基礎(chǔ)破損問(wèn)題和未來(lái)30 t軸重減速器基礎(chǔ)強(qiáng)度問(wèn)題，保證30 t軸重工況下減速器制動(dòng)鎖閉和緩解解鎖；通過(guò)材料選擇和生產(chǎn)工藝提升強(qiáng)度，解決制動(dòng)鉗等零部件重載情況下的疲勞破損問(wèn)題；改善60 kg/m 走行軌減速器可能存在的輕車跳動(dòng)問(wèn)題，解決了困擾減速器行業(yè)多年的施工不便難題。設(shè)計(jì)中充分考慮了產(chǎn)品壽命和維修問(wèn)題，預(yù)期在30 t軸重運(yùn)用中達(dá)到壽命長(zhǎng)、維修少的效果。