鐵路貨車轉向架基礎制動裝置技術分析

孫家鋒， 劉振明， 陸正濤

(1　大連交通大學　交通運輸工程學院， 遼寧大連 116028；2　中車齊齊哈爾車輛有限公司　大連研發中心， 遼寧大連 116045)

鐵路貨車轉向架的基礎制動裝置分盤形制動和踏面制動兩大類，前者多用于速度較高的焊接構架式轉向架，后者多用于速度為120 km/h及以下的焊接構架式及鑄鋼3大件式轉向架；盤形制動又包括軸盤制動、輪盤制動2種，踏面制動包括傳統的杠桿式制動裝置和轉向架安裝式制動裝置2種。盤形制動裝置中，無論軸盤還是輪盤制動，結構都是制動缸驅動制動鉗夾住制動盤產生制動力，機構比較簡單；杠桿式制動裝置和轉向架安裝式制動裝置又各有不同的具體結構，常用的如表1所示，文中對這兩種踏面制動進行分析。

1　制動裝置分類(表1)

表1　踏面式轉向架基礎制動裝置

2　制動倍率計算

按照基礎制動裝置制動倍率的定義，制動時制動缸傳至轉向架的作用力經轉向架杠桿機構擴大的倍數，稱之為轉向架的制動倍率，即

(1)

式中n為制動倍率；Pi為第i個閘瓦的制動力；F為制動缸傳至轉向架基礎制動裝置的作用力；

對各種制動裝置進行受力分析，列出力和力矩平衡公式，即可求出其制動倍率。

2.1　杠桿式制動裝置

2.1.1下拉桿式制動裝置(見圖1)

根據受力分析，在將力與杠桿垂直方向的夾角歸到效率中考慮后，通過力和力矩平衡式，可求出下拉桿式制動裝置的制動倍率計算如式(2)所示。

(2)

式中n為制動倍率；a為游動杠桿上部長；b為游動杠桿下部長；c為固定杠桿上部長；d為固定杠桿下部長。

圖1　下拉桿式制動裝置

2.1.2中拉桿式制動裝置(見圖2)

根據受力分析，在將力與杠桿垂直方向的夾角歸到效率中考慮后，通過力和力矩平衡式，可求出中拉桿式制動裝置的制動倍率計算如式(3)所示。

(3)

式中n為制動倍率；a為游動杠桿上部長；b為游動杠桿下部長；c為固定杠桿上部長；d為固定杠桿下部長。

圖2　中拉桿式制動裝置

2.2　轉向架安裝式制動裝置

2.2.1TMX、UBX制動裝置(見圖3)

根據受力分析[1]，在將力與杠桿垂直方向的夾角歸到效率中考慮后，通過力和力矩平衡式，可求出TMX、UBX制動裝置的制動倍率計算如式(4)所示。

(4)

式中n為制動倍率；a為制動缸端杠桿主動端長；b為制動缸端杠桿被動端長；c為非制動缸端杠桿被動端長；d為非制動缸端杠桿主動端長。

2.2.28500型制動裝置(見圖4)

根據受力分析，在將力與杠桿垂直方向的夾角歸到效率中考慮后，通過力和力矩平衡式，可求出8500型制動裝置的制動倍率計算如式(5)所示。

(5)

式中n為制動倍率；a為游動杠桿上部長；b為游動杠桿下部長；c為固定杠桿上部長；d為固定杠桿下部長。

圖3　TMX、UBX制動裝置

圖4　8500制動裝置

2.2.3TMB-60制動裝置(見圖5)

根據受力分析，在將力與杠桿垂直方向的夾角歸到效率中考慮后，通過力和力矩平衡式，可求出TMB-60制動裝置的制動倍率計算如式(6)所示。

(6)

式中n為制動倍率；a為三角杠桿主動端長；b為三角杠桿被動端長。

2.2.4QB-13制動裝置(見圖6)

根據受力分析，在將力與杠桿垂直方向的夾角歸到效率中考慮后，通過力和力矩平衡式，可求出TMB-60制動裝置的制動倍率計算如式(7)所示。

(7)

式中n為制動倍率；a為制動缸端杠桿長；b為閘調器端杠桿長。

圖5　TMB-60制動裝置

圖6　QB-13制動裝置

2.2.5WABCOPAC制動裝置(見圖7)

WABCOPAC制動裝置有2個制動缸、2個推桿，推桿的力等于制動缸的力[2]，每個制動梁的制動力等于2個推桿的力，通過力和力矩平衡式，可求出該系統的制動倍率為2個制動梁的力之和除以2個制動缸的力，即(2+2)/2=2。

圖7　WABCOPAC制動裝置

2.2.6BCFB制動裝置(見圖8)

BCFB制動裝置靠楔形效應增力，它有2個制動缸、2個推桿，根據受力分析，每個制動梁的制動力等于2個推桿的力乘以楔形增力倍數，經列力和力矩平衡式，可求出該系統的制動倍率為2個制動梁的力之和除以2個制動缸的力，即它的制動倍率計算如式(8)所示。

(8)

式中n為制動倍率；α為制動缸推出端斜楔角度。

圖8　BCFB制動裝置

2.2.7CFCB制動裝置(見圖9)

根據受力分析，在將力與杠桿垂直方向的夾角歸到效率中考慮后，通過力和力矩平衡式，可求出CFCB制動裝置的制動倍率計算如式(9)所示，它與TMB-60制動裝置的計算方法相同。

(9)

式中n為制動倍率；a為三角杠桿主動端長；b為三角杠桿被動端長。

圖9　CFCB制動裝置

2.2.8DAB-1制動裝置(見圖10)

根據受力分析，在將力與杠桿垂直方向的夾角歸到效率中考慮后，通過力和力矩平衡式，可求出DAB-1型制動裝置的制動倍率計算如式(10)所示。

(10)

式中n為制動倍率；a為游動杠桿上部長；b為游動杠桿下部長；c為固定杠桿上部長；d為固定杠桿下部長；k為氣缸活塞面積與油缸活塞面積比。

圖10　DAB-1型制動裝置

3　制動效率和緩解性能對比

3.1　杠桿式制動裝置

制動效率方面，杠桿式制動裝置的制動效率與結構型式、銷孔間隙、杠桿角度有關。從結構型式上看，下拉桿式制動裝置由于整體重心偏重小[3]，效率高于中拉桿式制動裝置，吊掛式制動梁的高于滑槽式制動梁的，滾子式制動梁的高于滑塊式制動梁的；從銷孔間隙上看，間隙大的效率高于間隙小的；從杠桿角度上看，豎直杠桿的因為不存在空、重車狀態固定杠桿支點座位置變化導致的制動裝置之間配合不當問題，因此效率高于斜式杠桿。

緩解性能與制動效率是一個問題的兩面，因此，下拉桿式制動裝置的緩解性能優于中拉桿式制動裝置。

3.2　轉向架安裝式制動裝置

制動效率方面，轉向架安裝式制動裝置的制動效率因結構各異，各不相同，但從理論角度仍遵循上述基本原理，即不偏重的、采用吊掛式制動梁的、銷孔間隙大的、杠桿豎直放置的(即圓銷水平放置的)、機構簡單及摩擦環節少的、制動缸內不帶緩解彈簧的效率高，而偏重的、采用滑槽式制動梁的、銷孔間隙小的、杠桿水平放置的(存在杠桿因重力產生的與其他件之間的摩擦)、機構復雜及摩擦環節多的、制動缸內帶緩解簧的效率低。值得說明的是，除上述理論因素外，制動效率還與每種制動裝置的具體設計細節有關，比如杠桿受力與杠桿體軸線接近垂直位的效率高于遠離垂直位的，摩擦環節表面摩擦系統小的效率高于摩擦系統大的等。

同理，緩解性能方面，制動效率高的緩解性能也好；唯一例外的是，帶有緩解簧的緩解性能高于不帶緩解簧的。另外，緩解性能還與制動裝置兩制動梁的質量是否均勻有直接關系，均勻的兩個制動梁基本同步緩解[4]，而如果兩者質量相差懸殊的話，質量大的制動梁的重力引起的分力會通過推桿加在另一個制動梁上，阻礙其緩解。TMB-60、CFCB兩種制動裝置就屬此類，實踐中已證明在緩解狀態TMB-60制動裝置不帶制動缸的制動梁受帶制動缸制動梁的重力影響不易緩解，閘瓦仍貼靠車輪，導致車輪磨耗嚴重。

4　結束語

各種制動裝置都有其各自的特點和優缺點，適應不同的情況。例如杠桿式制動裝置中，雖然下拉桿式制動裝置在很多方面優于中拉桿式制動裝置，尤其在避免制動梁橫移從而導致同一輪對兩車輪非對稱磨耗方面[5]，但是它不能用于下交叉支撐式轉向架，且裝用下拉桿式制動裝置的轉向架搖枕不能適應裝用某些轉向架安裝式制動裝置(例如TMX制動裝置)，因此中拉桿式制動裝置仍然有大量應用；再比如，TMB-60制動裝置雖然緩解性能不好，但是其推桿在兩側下方，不用穿過搖枕孔，因此搖枕易于設計，在一些特殊條件下也可以采用。

對于鐵路貨車來說，選擇基礎制動裝置時應根據該系統的制動效率、緩解性能、安裝拆卸方便性、占用空間、互換性、可靠性、檢修維護成本、質量大小等多方面指標，結合車輛本身的使用條件、轉向架結構型式特點等，進行綜合考慮后確定。