和諧型電力機車用制動摩擦副結(jié)構(gòu)設(shè)計

王 磊，潘祺睿，陳 輝

（1.3南京鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院機車車輛學(xué)院，1、高級工程師 3、副教授 江蘇南京 210031;2.中車戚墅堰機車車輛工藝研究所有限公司，工程師 江蘇常州 213011）

0 引言

和諧型電力機車自投入中國市場以來已有近十多年時間，市場規(guī)模逐年增大。和諧型電力機車用制動摩擦副產(chǎn)品以德國克諾爾公司較為先進，其產(chǎn)品在市場上一直保持壟斷地位。近年來，我國軌道交通制造水平不斷提高，為進一步降低采購和維修成本，打破國外公司技術(shù)壟斷，越來越多的國內(nèi)院所企業(yè)開始進行制動摩擦副產(chǎn)品的國產(chǎn)化研究。

德國克諾爾公司生產(chǎn)的和諧型電力機車用制動摩擦副有2 種，一種是適用于時速低于160 km 電力機車的鑄鐵制動盤和合成閘片；另一種是適用于時速高于160 km 電力機車的鑄鋼制動盤和粉末冶金閘片。在國內(nèi)，中國鐵道科學(xué)研究院研制了多種鐵路車輛用的基礎(chǔ)制動裝置，如踏面制動裝置和時160 km及以下鑄鐵制動盤及配套合成閘片，但對于時速160 km 及以上等級客運機車用制動摩擦副仍沒有完成開發(fā)。青島四方車輛研究所有限公司也在進行機車制動系統(tǒng)的開發(fā)，其開發(fā)的JZ-8機車制動系統(tǒng)已經(jīng)在大功率貨運機車上裝車試用，配套的摩擦副為鑄鐵制動盤和合成閘片，但對時速超過160 km的和諧型電力機車并不適用。中車株洲電力機車有限公司完成了機車基礎(chǔ)制動系統(tǒng)（摩擦副為鑄鐵制動盤和合成閘片）的自主開發(fā)，其研制的DK-2制動系統(tǒng)在HXD1系列大功率客運電力機車上已實現(xiàn)批量裝車，但其制動系統(tǒng)配套的鑄鋼制動盤和粉末冶金閘片均從德國克諾爾公司購買，在運用過程中出現(xiàn)多起制動盤盤面異常磨耗，制動閘片的掉塊、脫落、制動抖動等可能對行車安全造成威脅的嚴重問題，此外產(chǎn)品采購周期較長和運用維護成本較高。

本文深入研究現(xiàn)有和諧型電力機車用制動摩擦副結(jié)構(gòu)特點，充分考慮制動摩擦副性能匹配因素，提出和諧型電力機車用制動摩擦副結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，實現(xiàn)國產(chǎn)化替代，保障和諧型電力機車安全、可靠、經(jīng)濟地運營。

1 制動摩擦副結(jié)構(gòu)設(shè)計要求

目前，客運機車盤形制動摩擦副主要采用制動盤輪裝方式。制動盤和制動閘片是盤形制動裝置中最重要的部件，通過制動盤和制動閘片之間的摩擦將巨大的列車動能轉(zhuǎn)化為摩擦熱能，并散逸到周圍環(huán)境中。因此，要求制動盤和制動閘片的結(jié)構(gòu)連接可靠，性能匹配較好，且具有良好的通風(fēng)散熱性能。

1）制動盤結(jié)構(gòu)設(shè)計要求。制動盤主要采用輪裝盤形結(jié)構(gòu)設(shè)計形式，材質(zhì)為鑄鐵和鑄鋼。制動盤結(jié)構(gòu)設(shè)計中，首先應(yīng)具有可靠的連接結(jié)構(gòu)，保證制動盤在工作時不發(fā)生零件松動或脫落；其次，具有良好的通風(fēng)散熱性能，降低制動盤的工作溫度；最后，制動盤應(yīng)具有一定的徑向自由度，以最大限度地降低制動時產(chǎn)生的熱應(yīng)力。

2）制動閘片結(jié)構(gòu)設(shè)計要求。制動閘片主要采用UIC 燕尾接口型結(jié)構(gòu)，材質(zhì)為合成和粉末冶金。制動閘片結(jié)構(gòu)設(shè)計中，首先考慮摩擦材料與背板連接的可靠性，防止在工作中發(fā)生摩擦塊或摩擦體脫落；其次，具有良好的通風(fēng)散熱和排屑性能，摩擦體上或附近有明顯的磨耗到限標志；最后，摩擦塊（粒子）尺寸合理，布局科學(xué)。

2 制動摩擦副結(jié)構(gòu)設(shè)計

制動盤和制動閘片的結(jié)構(gòu)、性能和組織等指標對摩擦副性能有直接影響，是制動摩擦副設(shè)計中重點考慮的內(nèi)容。圖1為和諧型電力機車制動盤螺栓連接結(jié)構(gòu)示意圖、圖2 和諧型電力機車制動盤盤體三維結(jié)構(gòu)圖、圖3 和諧型電力機車制動盤定位銷結(jié)構(gòu)示意圖。圖1示意了一種典型和諧型電力機車用制動盤輪裝結(jié)構(gòu)，輪裝制動盤布置在車輪輻板兩側(cè)。根據(jù)這一特點，盤體設(shè)計為單片形式（見圖2），內(nèi)側(cè)面設(shè)計有片狀徑向散熱筋，以利于制動過程中盤體的散熱。盤面中間設(shè)計有連接螺栓孔及布置定位銷的鍵槽，盤體通過定位銷和連接螺栓組安裝在車輪上（見圖1）。依靠螺栓預(yù)緊力產(chǎn)生的靜摩擦力以及布置在盤體上的6根定位銷承受制動過程中產(chǎn)生的摩擦扭矩（見圖3）。連接螺栓只承受預(yù)緊力，不承受剪切力，保證了螺栓連接的可靠性。采用定位銷連接方式改善了圓盤體應(yīng)力狀態(tài)分布，為制動盤在周期性熱負荷作用下自由膨脹和收縮提供了足夠的空間，盤體沿定位銷能徑向自由伸縮，不受約束。這樣，盤體在制動工況下，主要受熱應(yīng)力作用，其抵抗熱沖擊的能力則完全取決于材料本身的性能。

圖1 和諧型電力機車制動盤螺栓連接結(jié)構(gòu)

圖2 和諧型電力機車制動盤盤體三維結(jié)構(gòu)圖

圖3 和諧型電力機車制動盤定位銷結(jié)構(gòu)

制動閘片采用國際通用的UIC燕尾接口與制動夾鉗閘片托進行配合，采用2 個半片組成單片閘片的設(shè)計方式，有利于減小閘片制動過程中受熱膨脹，解決制動閘片拆裝困難的問題。制動閘片主要由摩擦塊（10個）、安裝板、燕尾板、連接部件和彈性元件等部件組成，摩擦塊通過鉚釘固定連接到安裝板上（見圖4）。

圖4 制動閘片結(jié)構(gòu)圖

摩擦塊采用間隙布置形式，每個摩擦塊之間留有一定間隙，形成排屑通道，便于摩擦碎屑的排出，解決了前期研究中發(fā)現(xiàn)的德國克諾爾公司研制的制動摩擦副因磨屑沒有及時排出導(dǎo)致劃傷制動盤表面的問題。調(diào)整了摩擦塊結(jié)構(gòu)形狀和尺寸大小（見圖5），采用圓角結(jié)構(gòu)，避免摩擦塊尖角在制動盤螺栓孔附近產(chǎn)生的劃傷問題；適當(dāng)增大了摩擦塊尺寸，螺栓孔徑為20 mm 時，建議摩擦塊的最小尺寸應(yīng)大于50 mm，防止摩擦塊與制動盤螺栓孔產(chǎn)生啃咬拉傷現(xiàn)象。在摩擦塊與安裝板之間加裝彈性墊片，浮動式結(jié)構(gòu)的摩擦塊能夠最大限度地與制動盤貼合在一起，達到更好的制動效果。

圖5 摩擦塊結(jié)構(gòu)形狀和尺寸大小

此外，制動盤和制動閘片之間的間隙小，不利于像小砂粒等異物的及時排出也可能造成異物夾雜在摩擦面上，在機車制動時對制動盤和制動閘片造成表面劃傷。因此，除了制動盤和制動閘片結(jié)構(gòu)設(shè)計外，還應(yīng)考慮摩擦副周邊部件對摩擦副性能的影響，使制動閘片和制動盤的間隙保持在1～2 mm（單邊）。

3 1:1型式試驗

為進一步驗證本文所述制動摩擦副結(jié)構(gòu)的可靠性，對該結(jié)構(gòu)產(chǎn)品進行了1:1型式試驗，試驗結(jié)果如表1所示，試驗結(jié)果表明：列車在制動初速為160 km/h和200 km/h 進行緊急制動時對應(yīng)的制動距離均在1.4 km和2 km以內(nèi)，同時試驗過程中制動盤盤面最高溫度為550℃，尚未超出700℃的制動盤最高許用溫度。

表1 制動摩擦副1:1型式試驗結(jié)果

試驗后對制動盤和制動閘片分別進行檢測，圖6 所示為制動盤盤面磁粉探傷結(jié)果，盤體表面未發(fā)現(xiàn)任何初裂紋。制動盤表面狀態(tài)良好（見圖7），未出現(xiàn)任何裂紋、熱斑、擦傷等異常情況，螺栓緊固件未松動；制動閘片平均磨耗量不超過0.5 cm3/MJ 的規(guī)定要求，試驗后閘片表面狀態(tài)良好，未出現(xiàn)掉塊、掉渣等異常情況（見圖8）。

圖6 制動盤表面磁粉探傷

圖7 試驗結(jié)束后制動盤表面狀態(tài)

圖8 試驗結(jié)束后制動閘片表面狀態(tài)

4 結(jié)論

通過對和諧型電力機車用制動摩擦副結(jié)構(gòu)特點的深入研究，充分考慮了制動摩擦副性能匹配因素，對制動摩擦副的制動盤采用內(nèi)側(cè)面分布片狀徑向散熱筋結(jié)構(gòu)，解決制動盤面受熱不均導(dǎo)致盤面翹曲變形問題；制動閘片則增加了排屑通道，解決了制動盤表面劃傷問題，提高了制動閘片與制動盤的制動效果，并在制動盤與制動閘片匹配設(shè)計上給出建議。通過1:1型式試驗進行驗證，證明該設(shè)計能有效避免制動盤表面異常劃傷和制動閘片摩擦塊掉塊、脫落等現(xiàn)象，提高使用壽命，安全可靠，符合使用要求，可以進行國產(chǎn)化替代。