HXD1D型電力機車用盤形制動裝置結構設計

王磊，陳輝

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HXD1D型電力機車用盤形制動裝置結構設計

王磊，陳輝

（南京鐵道職業(yè)技術學院，江蘇 南京 210031）

針對HXD1D型電力機車盤形制動裝置在運用過程中暴露出的異常損害現(xiàn)象，在對現(xiàn)車盤形制動裝置的結構特點深入研究的基礎上，分析制動盤和制動閘片的零部件組成和產品結構設計要求，設計出符合要求的盤形制動裝置，并利用1:1制動動力試驗臺模擬HXD1D型電力機車的實際運用工況對盤形制動裝置制動摩擦磨損性能和可靠性進行了試驗驗證，試驗結果表明：該盤形制動裝置結構設計合理，性能可靠，可有效提升機車運用的安全性和穩(wěn)定性。

HXD1D型電力機車；盤形制動裝置；結構設計；臺架試驗

和諧型電力機車自2006年引入中國，并進行技術引進消化在創(chuàng)新的近十多年時間里，市場規(guī)模逐年增大。HXD1D型電力機車是中車株洲電力機車有限公司根據(jù)HXD1C平臺研發(fā)的設計時速160 km/h、7200 kW的準高速交流傳動大功率客運電力機車，該電力機車應用初期的盤形制動裝置一直由德國克諾爾獨家供應。德國克諾爾公司的盤形制動裝置產品由于其先進的產品結構和優(yōu)異的產品性能，在我國的和諧型電力機車市場上一直保持著壟斷地位。近年來，隨著我國軌道交通整體制造水平不斷提高，為進一步降低采購和維修成本，打破國外公司技術壟斷，越來越多的國內院所企業(yè)開始進行電力機車盤形制動裝置產品的結構改進和本土化研究。

德國克諾爾公司生產的和諧型電力機車用盤形制動裝置有2種，一種是適用于時速低于160公里電力機車的鑄鐵制動盤和合成閘片組合；另一種是適用于時速高于160公里電力機車的鑄鋼制動盤和粉末冶金閘片組合。在國內，中國鐵道科學研究院研制了多種鐵路車輛用的基礎制動裝置，如踏面制動裝置和時速160公里及以下鑄鐵制動盤及配套合成閘片，但對于時速160公里及以上等級客運機車用盤形制動裝置仍沒有完成開發(fā)。中車青島四方車輛研究所有限公司也在進行機車制動系統(tǒng)開發(fā)，其開發(fā)的JZ-8機車制動系統(tǒng)已經在大功率貨運機車上裝車試用，配套的盤形制動裝置為鑄鐵制動盤和合成閘片組合，但無法滿足時速超過160公里的和諧型電力機車的使用要求。中車株洲電力機車有限公司也完成了機車基礎制動系統(tǒng)（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，但其研制的 HXD1D型電力機車制動系統(tǒng)配套的鑄鋼制動盤和粉末冶金閘片仍需從德國克諾爾公司采購，在實際運用過程中出現(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，此外進口產品采購周期較長和運用維護成本較高。基于以上分析，亟待開發(fā)一種適用于HXD1D型電力機車這樣的時速160公里及以上大功率客運機車盤形制動裝置，滿足日益增長的市場需求。

本文深入研究國內目前應用速度等級最高的HXD1D型和諧型電力機車用盤形制動裝置結構特點，結合制動摩擦對偶性能匹配因素，提出HXD1D型電力機車用盤形制動裝置的結構設計方案，實現(xiàn)本土化替代，有效降低電力機車運營成本，保障HXD1D型電力機車安全和可靠地運營。

1 制動摩擦副結構設計要求

目前，我國的HXD1D型客運電力機車盤形制動裝置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，工作原理是通過制動盤和制動閘片之間的摩擦將巨大的列車動能轉化為摩擦熱能，并散逸到周圍環(huán)境中。因此，制動盤和制動閘片既要結構連接可靠，性能匹配較好，又要具有良好的通風散熱性能。

（1）制動盤結構設計要求

制動盤主要采用輪裝盤形結構設計形式，材質為鑄鐵和鑄鋼。制動盤結構設計中，首先應具有可靠的連接結構，保證制動盤在工作時不發(fā)生零件松動或脫落；其次，具有良好的通風散熱性能，降低制動盤的工作溫度；最后，制動盤應具有一定的徑向自由度，以最大限度的降低制動時產生的熱應力。

（2）制動閘片結構設計要求

制動閘片結構主要是采用國際鐵路聯(lián)盟（International Union of Railways）簡稱鐵盟（UIC）燕尾接口型結構，材質為合成和粉末冶金。制動閘片結構設計中，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。

2 盤形制動裝置結構設計

制動盤和制動閘片的結構、性能和組織等指標對盤形制動裝置性能有直接影響，是制動摩擦副設計中重點考慮的內容。

圖1示意了HXD1D型電力機車用制動盤輪裝結構，輪裝制動盤布置在車輪輻板兩側。

根據(jù)這一特點，盤體設計為單片形式（見圖1），內側面設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2）。依靠螺栓預緊力產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生的摩擦扭矩（見圖3）。連接螺栓只承受預緊力，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 HXD1D型電力機車制動盤結構

圖2 HXD1D型電力機車制動盤螺栓連接結構

制動閘片采用符合國際規(guī)定的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）。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致劃傷制動盤表面的問題。調整了摩擦塊結構形狀和尺寸大小，采用圓角結構，避免摩擦塊尖角在制動盤螺栓孔附近產生的劃傷問題；適當增大了摩擦塊尺寸，制動盤螺栓孔直徑為20 mm時，建議單個摩擦塊的最小尺寸應大于50 mm，防止摩擦塊與制動盤螺栓孔產生啃咬拉傷現(xiàn)象。在摩擦塊與安裝板之間加裝彈性墊片，彈性浮動式結構的摩擦塊能夠最大限度地與制動盤貼合在一起，達到更好地制動效果。

圖3 HXD1D型電力機車制動盤定位銷結構

圖4 制動閘片結構圖

此外，制動盤和制動閘片之間的間隙應設計合理，如果間隙過小，不利于細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構設計外，還應考慮周邊部件對盤形制動裝置性能的影響，其中制動夾鉗應保證制動閘片和制動盤的單邊間隙不低于1～2 mm，還應避免出現(xiàn)帶閘拖磨等損害盤形制動裝置的現(xiàn)象。

3 臺架試驗

為進一步驗證本文所述盤形制動裝置結構的可靠性，對該結構產品參照UIC 541-3-2010試驗項目和試驗程序，并且結合HXD1D型電力機車的實際制動壓力，在國內具有鐵路產品認證資質的1:1型式試驗臺上完成了臺架試驗，試驗條件是：車輪直徑1250 mm，模擬軸重22.5 t，最高試驗速度200 km/h，為進一步與現(xiàn)車的實際運用工況相接近，本試驗程序包括干燥條件、潮濕條件（噴水量25 L/h）、坡道持續(xù)制動和變壓力制動等試驗工況。試驗結果如表1所示，試驗結果表明：列車在制動初速為160 km/h進行緊急制動（實施最大制動壓力）時對應的制動距離為936 m，未超過我國鐵路技術規(guī)范要求的1400 m（干燥條件下），同時試驗過程中制動盤盤面最高溫度為308℃，尚未超出700℃的合金鋼制動盤最高許用溫度。

表1 盤形制動裝置臺架試驗結果

試驗后對制動盤和制動閘片進行分別檢測，圖5所示為制動盤盤面磁粉探傷結果，盤體表面未發(fā)現(xiàn)任何初裂紋。

圖5 制動盤表面磁粉探傷

制動盤表面狀態(tài)良好（見圖6），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UIC541-3-2010規(guī)定的0.5 cm3/MJ要求，且試驗后制動閘片表面狀態(tài)良好，未出現(xiàn)掉塊、掉渣等異常情況，如圖7所示。

圖6 試驗結束后制動盤表面狀態(tài)

圖7 試驗結束后制動閘片表面狀態(tài)

4 結論

通過對HXD1D型電力機車用盤形制動裝置結構特點的深入研究，充分考慮了盤形制動裝置摩擦副性能匹配因素，對盤形制動裝置的制動盤采用內側面分布片狀徑向散熱筋結構，解決制動盤面受熱不均導致盤面翹曲變形問題；而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盤形制動效果，并對制動閘片與制動盤匹配方面提出設計建議。通過多工況的臺架試驗對盤形制動裝置進行了安全性、可靠性和匹配性驗證，結果證明：該盤形制動裝置結構設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，可以進行進口產品替代。

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Structural Design of Disc Brake Device for HXD1D Electric Locomotive

WANG Lei，CHEN Hui

( Nanjing Institute of Railway Technology, Nanjing 210031, China )

For disc brake device of type HXD1D electric locomotive abnormal damages caused by during the applying process; based on the deep research on the structure characteristics of brake disc device; analyzed the brake disc and brake pads components and product structure design requirements, designed to meet the requirements of the disc brake device, and the use of 1:1 brake dyno-test rig simulation of HXD1D electric locomotive application conditions on the disc brake, brake friction and wear performance and reliability were tested. The test results showed that the disc brake device structure design was reasonable, reliable performance, and the safety and stability of the locomotive effectively improved.

HXD1D electric locomotive；disc brake device；structural design；dyno-test

TD534+.5

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2018.06.008

1006－0316 (2018) 06－0047－05

2017－11－22

江蘇省“333工程”科研資助項目（BRA2015078）和諧型機車用制動摩擦副匹配特性研究（Y170005）

王磊（1979－），男，遼寧海城人，碩士研究生，高級工程師，主要從事軌道交通制動裝置研究工作。