高速動車組制動夾鉗單元運行振動分析

韓曉輝，李業明，趙春光，焦標強

（中國鐵道研究院 機車車輛研究所，北京100081）

制動夾鉗單元作為制動系統的關鍵部件，對列車運行的安全起著至關重要的作用。CRH3型車動車組采用4動4拖的編組方式，動車采用輪盤式制動，每輛動車上有8個制動夾鉗單元；拖車采用軸盤式制動，每根車軸上安裝有3個制動夾鉗單元，每輛拖車上共有12個制動夾鉗單元。制動夾鉗單元在制動時，依靠閘片與制動盤之間的摩擦，將車輛的動能轉化為熱能，確保車輛在安全距離內停車。因此制動夾鉗單元的性能將直接影響車輛運行的安全性和穩定性。隨著車輛運行速度的提高，特別是對于高速動車組，在高速下由于軌道的不平順、通過曲線、會車等原因造成的沖擊，會加劇車輛在制動時垂向、縱向、橫向的沖擊振動。通過對制動夾鉗單元在應用中的跟蹤試驗，從而得出制動夾鉗單元的振動特點。

1 制動夾鉗單元的結構及作用原理

CRH3型車動車組上共有3種制動夾鉗單元，動車上采用10英寸缸的制動夾鉗單元，為不帶停放的制動夾鉗單元。拖車上有兩種制動夾鉗單元，一種是帶停放的8英寸制動夾鉗單元，另一種是不帶停放的8英寸制動夾鉗單元。

依據高速車輛對空氣制動要求，制動夾鉗單元要求能夠實現將制動缸的制動力，通過制動杠桿按一定制動倍率，轉化成閘片壓力施加到制動盤上。

制動夾鉗單元的工作原理為：來自中繼閥的壓縮空氣充入制動缸，壓力空氣作用在制動缸活塞面上，推動制動缸活塞往外移動，制動缸活塞通過引導彈簧并經過引導螺母和間隙調整器將制動缸中的絲杠推出，固定在絲杠上的連接桿與絲杠一起動作，推動制動杠桿產生動作，從而使制動夾鉗夾緊制動盤，產生制動力，使列車產生制動作用。

1.1 制動夾鉗單元的組成

制動夾鉗單元主要由制動缸、吊架、制動杠桿、閘片托、閘片等部件構成。制動夾鉗單元采用3點吊掛式安裝方式，將制動夾鉗單元安裝在轉向架上。制動夾鉗單元的吊銷內裝有橡膠套，可以減小及緩沖對轉向架與制動夾鉗單元之間的沖擊和振動。閘片和閘片托之間采用卡簧將兩部件緊固在一起。依靠制動杠桿的放大作用，將活塞力進行一定倍率的放大，轉化成制動夾鉗單元的閘片壓力施加到制動盤上。帶停放的制動夾鉗單元及不帶停放的制動夾鉗單元的外形圖如圖1和圖2所示。

圖1 帶停放制動夾鉗單元外形圖

圖2 不帶停放制動 夾鉗單元外形圖

1.2 制動夾鉗單元的作用原理（圖3）

常用制動缸的作用，是將空氣壓力轉化為制動缸的作用力。其作用原理為：空氣壓力作用在活塞面上，轉化為活塞推力，通過傳力部件，活塞推力將制動缸絲杠推出，從而推動制動杠桿產生制動作用。根據其作用原理，可以看出，制動缸應該主要由3個功能部件組成。

圖3 單元制動缸工作原理

（1）傳力部件。將制動缸的活塞力轉化為制動缸的作用力。

（2）間隙調整裝置。自動調整由于閘片及制動盤磨耗所產生的間隙。

（3）絲杠復位機構。在制動缸緩解時，應當能夠是絲杠完全復位，防止制動缸卡滯。

制動缸內部絲杠與調整螺母／引導螺母之間采用非自鎖的螺紋連接，3個離合器的相互轉化，因此制動夾鉗單元依靠制動缸內3個離合器的相互轉化，通過絲杠的直線運動及螺母旋轉的相互轉化實現制動、緩解及間隙調整功能。

2 制動夾鉗單元振動性能分析

對CRH380BL動車組制動夾鉗單元進行跟蹤試驗，采用在制動夾鉗單元各主要部件上安裝相應的速度傳感器的方式，對制動夾鉗單元的振動性能進行分析。加速度傳感器安裝位置如圖4所示，每車布置3個振動測點。每個測點安裝橫向、縱向和垂向3種類型加速度傳感器。

圖4 加速度傳感器位置

2.1 速度對制動夾鉗單元振動性能影響

依據跟蹤試驗數據，選取車輛在300km／h，采用緊急純空氣制動，得到在不同速度下，動車和拖車的制動夾鉗各部件的加速度如下表1、表2所示。

表1 動車速度制動夾鉗單元振動性能——動車制動夾鉗單元各部件平均振動加速度 m·s－2

表2 拖車速度制動夾鉗單元振動性能——動車制動夾鉗單元平均振動加速度 m·s－2

依據跟蹤試驗數據，選取車輛在200km／h，采用緊急純空氣制動，得到在不同速度下，動車和拖車的制動夾鉗各部件的加速度如表3、表4所示。

由表1～表4可以得出制動夾鉗振動具有一下規律：

表3 速度對動車制動夾鉗單元振動性能影響——動車制動夾鉗單元各部件振動加速度 m·s－2

表4 速度對拖車制動夾鉗單元振動性能影響——拖車制動夾鉗單元各部件平均振動加速度 m·s－2

（1）速度越高，制動夾鉗單元各部件的振動越大。

（2）從制動開始，直到停車，制動夾鉗各部件振動呈逐漸減小的趨勢。

（3）在相同工況下，動車制動夾鉗的振動比拖車制動夾鉗要大，這主要是由于動車在轉向架上安裝有驅動系統，會增大車輛系統的簧下質量，從而加劇整個系統的沖擊和振動。因此在相同工況下，動車制動夾鉗的振動要大于拖車制動夾鉗。

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

（5）在相同的制動工況下，制動夾鉗各部件中，每個部件的橫向振動要大于其它方向的振動。因為整個車輛在運行中，其車輛系統蛇形運動方向主要表現在橫向上，而且系統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，因此車輛系統橫向振動較其余方向要大，而制動夾鉗作為車輛系統的一部分，其各部件的橫向振動符合整個系統的振動規律，即橫向振動要大于其它方向的振動。

2.2 制動模式對制動夾鉗振動性能的影響

選取車輛在300km／h的運行速度下，列車采用6級制動、7級制動及緊急制動模式時，制動夾鉗各部件的振動加速度。制動夾鉗各部件在不同制動模式下的振動加速度如表5所示。

表5 不同制動模式下制動夾鉗單元各部件的振動加速度

由表5可以看出，在相同運行速度下，采用不同的制動模式，隨著制動夾鉗制動力的增加，制動夾鉗各部件的振動平均加速度逐漸增大。這可能是因為作用在制動盤上的制動力不通過車輪幾何中心，會對輪對產生一個周期性的激擾力，而且隨著激擾力的增大，會加劇輪對的振動。此外，輪對以及軌道不平順等激勵的振動，通過輪對傳遞給制動夾鉗單元，也會增大制動夾鉗單元的振動。

3 卡簧振動性能分析

制動夾鉗單元中的卡簧用于鎖緊閘片，如發生脫出會導致閘片脫落危機列車安全，因此卡簧的振動狀態尤其值得關注。車輛在運行中由于施加制動、軌道的不平順等因素造成的沖擊和振動，直接通過車輪和制動盤傳遞給閘片托，而且軌道不平順的因素造成的沖擊和振動對閘片托振動性能影響最大，作為鎖緊閘片的卡簧，會隨著閘片托的振動而產生相應的振動。由試驗數據可以看出，動車和拖車卡簧振動的頻譜分析如圖5和圖6所示。

圖5 拖車卡簧振動的頻譜分析圖

圖6 動車卡簧振動的頻譜分析圖

由圖5、圖6可以看出，列車在運行過程中，動車的卡簧振動幅值比拖車卡簧大。動車卡簧振動頻率在20～1 300Hz，其振動幅值普遍較大；拖車振動頻率在300～1 100Hz，其振動的峰值較大。由此可以看出，動車卡簧在整個低頻及高頻區段，都會造成卡簧較大的振動。所以動車卡簧的運行工況較拖車卡簧更為惡劣，在實際運用中，動車卡簧發生脫出現象較拖車更多，這與卡簧振動有很大關系。

4 卡簧振動對其性能的影響

采用有限元軟件ANSYS，建立卡簧的有限元模型。采用SOLID186對卡簧進行網格劃分，共有35 951個單元及58 423個節點。卡簧的實體模型及有限元模型如圖7和圖8所示。

圖7 卡簧實體模型

圖8 卡簧有限元模型

隨著卡簧的振動，卡簧端部會與閘片托產生摩擦，使卡簧被磨耗。分別計算卡簧未磨耗、磨耗0.05mm、磨耗0.1mm、磨耗0.2mm時卡簧的強度。依據卡簧的結構特點，對卡簧施加載荷及約束。卡簧的坐標系如圖9所示，在卡簧與開口銷的固定端施加X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

卡簧無磨耗及磨耗0.05mm的應力云圖如下圖10、圖11所示，其余工況卡簧的應力變化趨勢與卡簧磨耗0.05mm時基本相同。卡簧各工況下的應力大小及最大應力變化趨勢如圖12所示。

圖10 卡簧無磨耗應力云圖

圖11 卡簧磨耗0.05mm應力云圖

圖12 卡簧最大應力與磨耗的關系圖

由上述分析可以看出，隨著卡簧的振動，卡簧逐漸產生磨耗。隨著卡簧磨耗的增加，卡簧的應力逐漸增大。當無磨耗時，在產生1mm的位移變形時，卡簧最大應力為108MPa，當卡簧產生0.05mm磨耗時，卡簧的最大應力為111MPa，卡簧磨耗0.1mm，卡簧最大應力為117MPa，卡簧磨耗0.2mm，卡簧最大應力120 MPa，既卡簧磨耗0.2mm相對于無磨耗時的卡簧，其最大應力增加11.1%。因此隨著夾鉗和卡簧的振動，會導致卡簧逐漸脫出及磨耗，并且卡簧的應力也逐步增大，從而縮短卡簧的疲勞壽命，甚至使卡簧斷裂。

4 結論

通過對制動夾鉗單元振動特性進行分析，得到以下結論：

（1）對于同一類型的車輛，在相同工況下，制動夾鉗單元各部件中閘片托的平均振動加速度最大，而吊架的平均振動加速度最小。

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

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

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