軌道交通中閘瓦托結構分析和研究

王 振，韓曉輝，趙 屹，張慶爽，張思遠

（中國鐵道科學研究院 機車車輛研究所，北京100081）

隨著我國經濟的迅速發展，城市人口的不斷增加，軌道交通作為有效緩解交通壓力的運輸型式也得到了迅猛的發展。盡管電制動技術發展已經比較成熟，但是基礎制動作為軌道交通中最后一道制動保障系統，為保證乘客的生命安全，等待救援發揮著非常重要的作用。

基礎制動單元是制動系統的執行機構，而根據其機構的不同可以分為踏面制動單元和夾鉗制動單元，由于目前大部分的地鐵設計速度都是低于80km／h，所以在城市軌道車輛制動系統中的基礎制動采用踏面制動單元就成了首選。踏面基礎制動單元型式多種多樣，有橫體結構、直體結構等多種結構，其制動原理就是將車輛的動能轉化為閘瓦與車輪的摩擦熱能，而作為摩擦副的閘瓦安裝在閘瓦托上，所以將空氣壓力轉變成摩擦力的執行機構是閘瓦托，因而閘瓦托材質以及結構的研究就會是非常必要的。

1 閘瓦托主要結構

目前城市軌道中常用的閘瓦托，從成形方法上分類主要有板材焊接成型和鑄造成型兩種結構；從適應車型上主要有A型車用閘瓦托和B型車用閘瓦托。下面逐一介紹常用的閘瓦托結構：

圖1的閘瓦托應用于北京地鐵13號線、八通線以及天津濱海地鐵等，閘瓦托是一個焊接件，主要結構用7mm厚的Q235-A鋼板焊接而成；圖2的閘瓦托應用于大連EMD機車和后期城軌新B型車，為了增強其整體的穩定性，閘瓦托采用鑄造而成；圖3的閘瓦托應用于廣州地鐵1、2、8號線以及上海地鐵線，同樣為了適應A型車的要求，閘瓦托采用鑄造而成。

圖1 板材焊接結構閘瓦托結構示意圖

圖2 鑄造成型結構機車、B型車閘瓦托結構示意圖

圖3 鑄造成型結構A型車閘瓦托結構示意圖

2 閘瓦托結構以及功能研究

從上面3種閘瓦托的結構分析可以看出，閘瓦托主要有閘瓦托弧板、閘瓦托支撐側板、閘瓦釬、閘瓦釬卡銷、閘瓦托導槽、閘瓦托調整部分等組成，下面針對閘瓦托的主要組成部分論述其作用及功用，并詳細分析每一種閘瓦托結構和功能上的差異。

閘瓦托弧板是閘瓦和閘瓦托的安裝結合面，也是將制動單元的空氣壓力轉化為摩擦力的部分。弧板的弧度由選定閘瓦的背板弧度決定，背板弧度主要是由車輪的直徑計算決定，但是弧板弧度的設計會比經過計算得出的閘瓦托半徑略小一些，預留一定的彈性變形量以保證閘瓦與車輪能夠結合的比較好。

閘瓦托側板是由兩塊結構完全相同的平板組成，其作用是支撐閘瓦托弧板，在整個閘瓦托結構中起著非常重要的支撐作用，制動單元經過力學放大產生的制動作用力將全部經過這兩塊板作用到車輪上，所以其厚度的不同主要取決于閘瓦托所承受的作用力。側板的另一項作用是將缸體和閘瓦托連接起來，完成閘瓦托的伸出和縮回動作，這個作用主要是通過側板的旋轉孔實現。

閘瓦釬是將閘瓦和閘瓦托能夠固定在一起的彈性夾緊部件，為了增加其彈性強度，閘瓦釬一般采用高碳合金鋼，例如65Mn，60Cr2Mn等，同時為了在狹小的空間有足夠的、穩定的彈性強度，閘瓦釬會設計成弓形。

閘瓦釬定位銷是用來防止閘瓦釬在車輛運行的過程中受到振動和沖擊而脫落設計的，其端部有一個卡銷，同時也是保證其自身在車輛運行中不會滑出定位孔，這樣的雙重保險設計可以大大避免事故的發生。由于閘瓦銷的作用只是吊掛，不承受大作用力，所以其材質一般采用45鋼。

閘瓦釬導槽有兩個基本的功能，一方面是用于在閘瓦釬穿入時的導向作用，另一方面限制閘瓦和閘瓦托產生較大的橫向竄動。由于閘瓦釬是靠自身的彈性將閘瓦和閘瓦托進行連接，這樣當制動單元進行剎車制動時，同時如果車輛在彎道上行駛，那么閘瓦可能會受到高約8kN的橫向力，所以很容易造成閘瓦和閘瓦托的橫向錯位。為了防止發生錯位，閘瓦釬設計時要進行合理的寬度計算，使其既能順利通過，又能達到限制錯位的功能。

閘瓦托調整部分是閘瓦托設計的核心，是用于調整閘瓦托運動軌跡的部件，所以筆者將就各種閘瓦托的該部分進行深入的講解說明。由于閘瓦托的軌跡要繞著缸體固定軸旋轉運動，其軌跡是一段弧線。如果沒有調整部分，那么閘瓦就會是一段更大的弧線，這樣接觸車輪的瞬間，會是閘瓦的某一部分接觸，長此以往閘瓦會產生磨耗不均勻。而增加調整部分的作用就是要讓閘瓦的弧形運動，變成閘瓦平行的移動，這樣將很好的貼合車輪。如圖4、圖5。

圖4 帶有調整部分的閘瓦托運動軌跡

圖5 沒有調整部分的閘瓦托運動軌跡

從圖4、圖5可以看出，如果沒有調整機構，閘瓦托在制動時總是一端先接觸車輪，這樣就會造成嚴重的閘瓦偏磨。正是為了防止發生閘瓦偏磨，閘瓦托設計了調整機構，下面就幾種典型的結構進行說明：

（1）閘瓦托調整類型1（圖6）

圖6 閘瓦托調整部分組成圖

該結構采用“Ω”形簧2和“V”形簧1以及滑塊3相結合的方式實現閘瓦托4的平行移動的。當閘瓦托4向前運動時，絲杠的端面會沿著滑塊3的平面進行上下移動，這時“V”形簧1的作用是保證絲杠的端面與滑塊3的平面緊密貼合，而“Ω”形簧2是調整滑塊與閘瓦托通過“U”形面緊密貼合，最終使得閘瓦托上下擺動時會受到“Ω”形簧2的彈性限制，使得閘瓦托和絲杠會在運動過程中一直處于垂直狀態，從而保證了閘瓦托制動緩解過程的平行移動。

（2）閘瓦托調整類型2（圖7）

圖7 閘瓦托調整部分組成圖

圖8 彈性摩擦面組成圖

該機構采用的是圓形螺桿頭3結合彈性摩擦面來實現的，這種結構在設計時考慮的是仿生結構，模仿了人的手掌和手臂的連接，圓形螺桿頭3猶如手關節，可以實現閘瓦托4在垂向上有一定的擺動，以利于更好的與車輪貼合。而閘瓦托側板2（圖8）和閘瓦托活動吊桿軸5的彈性摩擦面一方面能夠保持與車輪貼合的形狀，實現與車輪比較理想的貼合，另一方面限制閘瓦托不能有較大尺度的橫向擺動。這是因為該類型的閘瓦托應用于大連生產的HXN3內燃機車上，其要求的軸重較大，而且采用的是3軸轉向架，中間軸在轉彎時會產生較大的橫向作用力，所以該閘瓦托具有較好的抗橫向力功能。

（3）閘瓦托調整類型3（圖9）

圖9 閘瓦托調整部分組成圖

該機構是為了適應A型車的特點而設計的閘瓦托機構，A型車的特點是車體寬，車廂容積大，所以載客量大，體現在轉向架上就是軸重比較大，而廣州、上海等地A型車又采用大車輪。鑒于以上特點，閘瓦托采用的是獨立的雙閘瓦結構，巧妙的通過一根閘瓦釬6實現對雙閘瓦7的固定，便于檢修人員操作。從作用原理分析，與HXN3內燃機車閘瓦托具有一定的相似性，概括來說也是通過圓形螺桿頭結合彈性摩擦面來實現的，但是實現的方法有所不同。從圖上可以看出，HXN3內燃機車中閘瓦托側板和活動吊桿軸的平面彈性摩擦變為閘瓦托側板4和制動螺桿3的彈性摩擦面，而且不是平面摩擦，而是帶有一定錐度的錐面摩擦，錐面摩擦的目的就是要實現制動螺桿和閘瓦托4通過適當的調整，既能有一定的垂向擺動，又能使得閘瓦托沿著平行的方向貼向車輪，同時也能夠產生足夠的支撐力來支持A型車的雙閘瓦和自身較重的閘瓦托。該類型的閘瓦托在廣州1號線、2號線、8號線以及上海的3號線上都有應用，這些線路采用的都是A型車。

3 閘瓦托材質分析

閘瓦托作為反復承受制動缸壓力的制動和緩解作用的部件，尤其是城市軌道交通中，每2～3min就有制動和緩解一次，所以閘瓦托材質的機械性能是設計者特別需要考慮的問題。目前接觸到的閘瓦托承受的最大正壓力能夠達到50kN，材質為鑄造碳鋼（ZG230-450），利用Solidworks應力分析軟件進行應力計算如下：

應力分析輸入條件：

①選取閘瓦托弧面為約束面；

②在閘瓦托與螺桿頭的圓弧面上添加法向力50 kN；

③分別輸入材質QT400-18、ZG230-450的彈性模量、泊松比、抗剪模量和密度；

④運行算例。

應力分析結果如圖10、圖11；表1、表2。

圖10 武漢2號線B型車用閘瓦托應力分析圖

圖11 廣州1，2，8號線A型車用閘瓦托應力分析圖

從表1和表2看出，閘瓦托承受的最大應力值σmax為101MPa，而且在設計選取材料時屈服強度一般考慮取1.5～2.0的安全系數（用字母K表示），同時考慮到車輛在制動過程會產生制動沖擊，所以選取閘瓦托材質時，建議最小屈服強度選取σ0.2min≥K×σmax≈200MPa（安全系數K取2）。

表1 武漢2號線用閘瓦托應力計算結果

表2 廣州128號線A型車用閘瓦托應力計算結果

另外，由于閘瓦托承受的是交變載荷，所以閘瓦托材質不但需要具有一定的剛性，還需要有一定的韌性。針對上述分析，建議設計者在閘瓦托材質選取上主要從材料的屈服強度和延伸率兩個方面進行考慮，另外批量生產時需要考慮到閘瓦托成型加工工藝方面的因素，將目前常用到的閘瓦托材質列舉如表3，供設計者選用時參考。

表3 常用閘瓦托材質

4 結束語

隨著我國城市軌道交通在各大城市的發展，不斷有新式的基礎制動單元被設計和制造，而閘瓦托作為基礎制動單元中承受壓力的重要部件，其重要性不言而喻。從中選取幾種比較有代表性的閘瓦托對其進行結構、功能以及材質選用上的說明，一方面讓讀者知曉不同的車型決定著不同的閘瓦托結構設計，比如上面提到的A型車、B型車以及HXN3機車；另一方面能夠讓檢修人員更多的了解設計者的設計思路和使用原理，為軌道交通車輛的檢修維護、安全行駛提供必要的技術支持。

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