大型養路機械基礎制動裝置的研制

吳喜

摘 要

針對車軸齒輪箱安裝空間大的特點，根據設計要求，提出了一種單元制動缸下置的基礎制動裝置。介紹了該基礎制動裝置的主要結構及工作原理，通過對緊急制動距離、停放制動力的校核計算及試驗驗證，表明該基礎制動裝置能滿足新車型的制動要求。

關鍵詞

基礎制動裝置;單元制動缸;制動杠桿;閘瓦傾角調整機構

中圖分類號： U27 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457 . 2020 . 08 . 35

Abstract

According to the characteristics of large installation space of axle gearbox and the design requirements. This paper presents a basic brake device with unit brake cylinder under it. This paper introduces the main structure and working principle of the basic braking device. Through the checking calculation and test verification of the emergency braking distance and parking braking force， it shows that the basic braking device can meet the braking requirements of the new model.

Key words

Basic brake device; Unit brake cylinder; Brake lever; Adjustment mechanism of brake shoe angle

大型養路機械各驅動車軸齒輪箱間通常采用萬向傳動軸的連接方式，在連掛運行過程中需拆除萬向傳動軸，給用戶帶來很大的不便。為了解決這一問題，新的大型養路機械開始采用不需拆卸萬向傳動軸的車軸齒輪箱。但車軸齒輪箱相比傳統的占用空間更大，與大型養路機械常用的杠桿式基礎制動裝置存在干涉，導致傳統的基礎制動裝置無法安裝在新的大型養路機械構架上。因此需研發設計一種滿足大型養路機械使用工況，兼容新車軸齒輪箱安裝空間，結構更為緊湊的基礎制動裝置。

1 設計要求

根據GB/T 25337-2018《鐵路大型養路機械通用技術條件》要求，大型養路機械軸重應控制在23t以內[1]。設計時按整車布置4根車軸考慮，整車重量約為92t，車輪直徑為920mm（新輪）/895mm（半磨耗），軸距為1800mm。要求新設計的大型養路機械以80km/h的速度運行時，平直道上的緊急制動距離不超過630m，并能在20‰的坡道上安全停靠[1]。

2 主要結構及工作原理

2.1 主要結構

新設計的基礎制動裝置如圖1所示，主要由單元制動缸、吊座組成、制動杠桿、閘瓦托、閘瓦及閘瓦傾角調整機構等組成。采用一臺轉向架布局兩套單元制動缸的方式，單元制動缸安裝在兩閘瓦托之間，制動時推動閘瓦壓向輪對，實施制動。4個吊座組成焊接在轉向架上，將整套基礎制動裝置吊裝在轉向架上。制動杠桿連接單元制動缸、閘瓦托等部件，并與摩擦片、摩擦塊、碟簧、閘瓦托等構成閘瓦傾角調整機構，是制動力的傳遞部件。

2.1.1 單元制動缸

傳統的杠桿式基礎制動裝置必須配置手制動機，以滿足整車在坡道上安全停靠，工作時，操作者需轉動手輪直至停放制動力施加，勞動強度較大。隨著閘瓦與車輪的磨耗，操作人員還必須通過調整螺母，使閘瓦間隙始終保持在規定的范圍內。為了減輕勞動強度和操作工序，新設計的基礎制動裝置選用了具有閘瓦間隙自動補償及停放制動能力的單元制動缸。每個單元制動缸可依靠彈簧施加停放制動，輸出1.1t的停放制動力，并可通過壓力空氣緩解停放制動。

2.1.2 制動杠桿

根據相關資料并參考部分車型，制動杠桿長度按車輪半徑的80%左右設計，為避免車輪回轉方向對閘瓦壓力的影響，布置制動杠桿時將閘瓦下移，使閘瓦托和車輪中心的連線向下傾斜，盡量使該連線與制動杠桿相垂直。考慮到運用中閘瓦和車輪都在不斷地磨耗和更換，設計時按磨耗中期（半磨耗13.5mm）狀態來布置，閘瓦中心比車輪中心低60mm（參考值：40～110 mm）[2]。

（1）制動杠桿結構。

根據制動計算，制動力不需要放大，制動杠桿只是作為制動力的傳遞部件，制動杠桿結構示意圖如圖2所示，通過銷軸將單元制動缸、制動杠桿、閘瓦托連在一起。

（2）制動杠桿強度計算。

制動杠桿采用Q235A板材制作，為了驗證制動杠桿在各載荷工況作用下應力與位移的分布，采用有限元分析軟件對制動杠桿進行了結構強度與剛度分析。根據TB/T 1335《鐵道車輛強度設計及試驗鑒定規范》中9.5.2規定，制動杠桿的最大應力不得超過136N/mm2[3]。通過有限元分析軟件，得出的仿真結果如圖3所示：制動杠桿的最大應力為53.76N/mm2，滿足TB/T 1335《鐵道車輛強度設計及試驗鑒定規范》的要求。

2.1.3 閘瓦傾角調整機構

閘瓦傾角調整機構采用鉸鏈摩擦式結構，實現閘瓦運用過程中傾角自動調節的功能，確保閘瓦與踏面良好接觸，均勻磨耗。

調整機構的摩擦片固定于制動杠桿上，并伸入閘瓦托中與兩個摩擦塊接觸，摩擦塊由安裝在閘瓦托上的碟簧壓緊，如圖4所示。制動時閘瓦貼靠在車輪上，閘瓦在制動力的作用下調整相應角度，使制動力指向車輪中心方向;緩解時閘瓦隨閘瓦托、制動杠桿等一起運動，由于碟簧的作用閘瓦保持上一次制動時的角度狀態。當閘瓦、車輪磨耗時，傾角調整機構在制動力作用下自動調整，保證制動時力的有效傳遞，以及緩解時閘瓦不搭靠在車輪上，防止閘瓦偏磨。

2.2 工作原理

新設計的基礎制動裝置可實現車輛高速運行時的空氣制動及車輛停靠后的駐車制動。

2.2.1 高速運行

當車輛施加制動時，壓力空氣進入單元制動缸，推動制動缸的塞桿伸出，制動杠桿以吊座組成的銷軸為中心順時針轉動，隨著制動杠桿的轉動，閘瓦托上的閘瓦壓在輪對上。由于空氣制動力遠大于碟簧對閘瓦托的預緊力，閘瓦托以制動杠桿的中部銷軸為中心順時針轉動，閘瓦沿著輪緣的弧度貼緊輪對，使制動力保持最大。

當車輛需要緩解時，壓力空氣從單元制動缸中排出，制動缸的活塞桿在內部彈簧的作用下縮回，制動杠桿以吊座組成的銷軸為中心逆時針轉動，帶動閘瓦托使閘瓦與輪對分開。由于碟簧的作用，閘瓦保持在上一次制動時的角度狀態，使閘瓦脫離車輪上。

2.2.2 駐車制動

駐車制動只需按下面板上的停放施加或停放緩解按鈕就可以快速的施加或緩解駐車制動。

當車輛施加駐車制動時，壓力空氣從停放缸中排出，停放缸的活塞桿在內部彈簧的作用下伸出，制動杠桿以吊座組成的銷軸為中心順時針轉動，隨著制動杠桿的轉動，閘瓦托上的閘瓦壓在輪對上。

當車輛緩解駐車制動時，壓力空氣進入停放缸，使停放缸的活塞桿克服彈簧作用力縮回，制動杠桿以吊座組成的銷軸為中心逆時針轉動，帶動閘瓦托使閘瓦與輪對分開。當車輛無法提供壓力空氣時，也可通過手動拉動緩解手柄，緩解駐車制動。

3 制動計算及校核

新設計的基礎制動裝置的制動缸徑為255mm，制動倍率為2，駐車制動力為8.8KN，取制動效率為0.9[4]，空走時間為2.5s，摩擦系數根據經驗公式計算[5]。當車輛以80km/h速度運行于平直道上單純施行緊急制動時，制動距離約為545m。在20‰的坡道上駐車制動的防滾動摩擦系數為1.2，防滑動安全系數為5.6，滿足駐車停靠的要求。

2019年3月新設計的基礎制動裝置已安裝在新車型上，實物如圖5所示。2019年10月進行了整車的制動距離試驗，試驗結果表明：當車輛以80km/h速度運行于平直道上單純施行緊急制動時，制動距離約為562m與理論計算值接近，滿足制動距離不超過630m的設計要求。

4 結論

新研制的基礎制動裝置具有結構緊湊、閘瓦傾角自動調整、閘瓦間隙自動補償的優點，能兼容車軸齒輪箱大的特點，并且代替了手制動機，減輕了操作者的勞動強度。通過理論計算及試驗驗證，新研制的基礎制動裝置滿足大型養路機械的設計要求，可應用于車軸齒輪箱大的車型上。

參考文獻

[1]中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局，中國國家標準化管理委員會. GB/T ?25337-2018 ?鐵路大型養路機械 通用技術條件[S].北京：中國標準出版社，2005.

[2]毛必顯.大型養路機械YZ-1型空氣制動機（第二版）[M].成都：西南交大出版社，2006.

[3]中華人民共和國鐵道部. TB/T ?1335-1996.鐵道車輛強度設計及試驗鑒定規范[S].

[4]許洪春.養路機械基礎制動裝置實際傳動效率分析方法探討[J]. 鐵道建筑，2011，（7）：134-137.

[5]中華人民共和國鐵道部.TB/T 1407-1998.列車牽引計算規程[S].北京，中國鐵道出版社，1998.