CRH2A 統(tǒng)型動(dòng)車組制動(dòng)閘片偏磨分析及改進(jìn)

楊九河

（1 中國(guó)鐵路成都局集團(tuán)有限公司，成都610082；2 西南交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，成都610031）

中國(guó)鐵路成都局集團(tuán)有限公司現(xiàn)配屬CRH2A統(tǒng)型動(dòng)車組53 列，自2016 年以來共平均完成運(yùn)營(yíng)里程達(dá)194.6 萬(wàn)km/列。在CRH2A 統(tǒng)型動(dòng)車組的二級(jí)檢修及一級(jí)檢修中，發(fā)現(xiàn)閘片出現(xiàn)偏磨現(xiàn)象，如圖1 所示。通過跟蹤調(diào)查閘片的偏磨情況，發(fā)現(xiàn)閘片偏磨僅發(fā)生在部分夾鉗上，同一片閘片上下的偏磨量δ約為3～5 mm，偏磨截面示意圖如圖2所示。

大量的學(xué)者及動(dòng)車組工程技術(shù)人員針對(duì)動(dòng)車組制動(dòng)閘片磨耗行為開展了長(zhǎng)期的研究和試驗(yàn)。張祥杰等通過跟蹤測(cè)量CRH2A 型動(dòng)車制動(dòng)閘片磨耗量，認(rèn)為拖車閘片比動(dòng)車閘片磨損快，同一個(gè)夾鉗的閘片存在偏磨的規(guī)律，從制動(dòng)夾鉗結(jié)構(gòu)、工作原理等方面對(duì)閘片的磨耗原因進(jìn)行分析，并給出了5 種降低閘片磨耗，減少同一夾鉗閘片偏磨的措施［1］。黃傳東等對(duì)動(dòng)車組不同控車模式閘片磨耗進(jìn)行跟蹤分析，得出減少空氣制動(dòng)，提供電制動(dòng)可以減少閘片磨耗［2］。李繼山認(rèn)為高寒動(dòng)車組閘片異常磨耗是由天氣寒冷、渦流效應(yīng)、夾鉗結(jié)構(gòu)和制動(dòng)壓力等多個(gè)因素共同造成［3］。孟繁輝等對(duì)一種動(dòng)車組閘片裂損進(jìn)行仿真和實(shí)車試驗(yàn)，給出閘片裂損解決措施［4］。張一喆等對(duì)我國(guó)的高速動(dòng)車組閘片壽命進(jìn)行研究，使用威布爾分布建立閘片壽命模型，得出現(xiàn)行閘片更換周期過于頻繁的結(jié)論［5］。蘇州艾特光視電子技術(shù)有限公司基于機(jī)器視覺設(shè)計(jì)了動(dòng)車組閘片測(cè)量系統(tǒng)，可以在動(dòng)車組運(yùn)用中測(cè)量閘片厚度［6］。李萬(wàn)新通過對(duì)在蘭新線運(yùn)行的一種動(dòng)車組的制動(dòng)盤仿真分析，給出在長(zhǎng)大坡道運(yùn)行需要限速［7］。茍青炳等使用軟件仿真分析了一種動(dòng)車組制動(dòng)夾鉗吊裝方式的合理性，滿足疲勞和強(qiáng)度要求［8］。文獻(xiàn)［9-10］對(duì)動(dòng)車組基礎(chǔ)制動(dòng)進(jìn)行研究，給出當(dāng)前基礎(chǔ)制動(dòng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，并對(duì)更高速度等級(jí)的基礎(chǔ)制動(dòng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)。

圖1 動(dòng)車組閘片偏磨實(shí)物圖

針對(duì)成都局集團(tuán)有限公司配屬CRH2A 統(tǒng)型動(dòng)車組的閘片偏磨現(xiàn)象，首先對(duì)該型動(dòng)車組制動(dòng)夾鉗閘片的磨耗情況進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和分析，其次根據(jù)制動(dòng)夾鉗結(jié)構(gòu)分析閘片偏磨的原因，以此為依據(jù)提出了加裝夾鉗防傾斜裝置的方案，最后通過裝車運(yùn)用考核驗(yàn)證該方案的應(yīng)用效果。

圖2 動(dòng)車組閘片偏磨示意圖

1 基礎(chǔ)制動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)及原理

CRH2A 統(tǒng)型動(dòng)車組基礎(chǔ)制動(dòng)裝置安裝于轉(zhuǎn)向架上，采用空氣夾鉗盤形制動(dòng)裝置，主要由制動(dòng)輪盤、軸盤、夾鉗及防滑閥等構(gòu)成。動(dòng)車采用輪盤制動(dòng)，每軸配置2 套輪裝制動(dòng)盤和輪裝制動(dòng)夾鉗單元；拖車采用輪盤制動(dòng)+軸盤制動(dòng)，每軸配置2 套輪裝制動(dòng)盤和2 套軸裝制動(dòng)盤及對(duì)應(yīng)的制動(dòng)夾鉗單元。制動(dòng)夾鉗單元又分為輪盤型RZKKTYPE18和軸盤型RZKKTYPE12 這2 種型號(hào)，其結(jié)構(gòu)基本相同，不同的是在部分軸盤型上裝有停放制動(dòng)裝置。制動(dòng)夾鉗采用4 點(diǎn)吊掛緊湊式結(jié)構(gòu)，夾鉗結(jié)構(gòu)如圖3 所示。制動(dòng)時(shí)制動(dòng)缸充入壓縮空氣，推動(dòng)活塞運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)推桿使閘調(diào)器張開，使杠桿圍繞曲軸轉(zhuǎn)動(dòng)，閘片抱緊制動(dòng)盤，從而產(chǎn)生制動(dòng)力。

停放制動(dòng)裝置布置在全列拖車（1、4、5、8 車）的每個(gè)轉(zhuǎn)向架1、4 位軸盤，停放制動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)如圖4 所示，全列共計(jì)16 套，能夠滿足動(dòng)車組定員載荷時(shí)在20‰的坡度上停放不溜逸。停放制動(dòng)單元缸為彈簧儲(chǔ)能式制動(dòng)缸，在停放制動(dòng)緩解時(shí)，壓縮空氣充入停放制動(dòng)缸，彈簧被壓縮。停放制動(dòng)施加時(shí)，停放缸內(nèi)的壓縮空氣被排出，彈簧力施加到制動(dòng)夾鉗上。停放制動(dòng)裝置處配有停放制動(dòng)緩解拉繩，通過拉動(dòng)拉繩可手動(dòng)緩解停放制動(dòng)。

圖3 制動(dòng)夾鉗結(jié)構(gòu)圖

2 閘片偏磨數(shù)據(jù)采集與分析

2.1 閘片偏磨數(shù)據(jù)采樣方案

為分析偏磨和制動(dòng)夾鉗動(dòng)作之間的關(guān)系，獲取動(dòng)車和拖車轉(zhuǎn)向架偏磨位置及趨勢(shì)，選取1 列CRH2A 統(tǒng)型動(dòng)車組為研究對(duì)象。對(duì)該列動(dòng)車組每一輛車的2 個(gè)轉(zhuǎn)向架進(jìn)行位置劃分并進(jìn)行編號(hào)，如圖5 所示。其中W 和A 分別代表輪盤制動(dòng)和軸盤制動(dòng)，L 和R 分別代表左側(cè)和右側(cè)。CRH2A 統(tǒng)型動(dòng)車組的每副閘片由左右2 片組成，每片閘片有17 個(gè)粉末冶金摩擦塊，左側(cè)閘片從下到上依次編為1～17 號(hào)，右側(cè)閘片從下到上依次編為18～34 號(hào)，如圖6所示。跟蹤測(cè)量時(shí)，左側(cè)閘片1、9、10、17 號(hào)，1、17號(hào)摩擦塊剩余厚度之差即閘片上下偏磨量，9、10號(hào)摩擦塊剩余厚度之差即閘片左右偏磨量；右側(cè)閘片偏磨量測(cè)量原理與左側(cè)閘片一致。

圖4 停放制動(dòng)裝置

2.2 閘片偏磨測(cè)量結(jié)果

選取1 組CRH2A 統(tǒng)型動(dòng)車組中04 車（拖車）和06 車（動(dòng)車）進(jìn)行跟蹤，跟蹤結(jié)束后測(cè)量閘片偏磨量。測(cè)量發(fā)現(xiàn)04 車2、3、6、7 輪盤，1、2、3、6、7 位軸盤閘片偏磨量在0～3 mm；1、5 位輪盤，4、5、8 位軸盤閘片偏磨量在3～5 mm；4、8 位輪盤閘片偏磨大于5 mm。06 車1、2、3、4、6、7、8 輪盤閘片偏磨量在0～3 mm；5 位輪盤閘片偏磨量在3～5 mm。通過分析發(fā)現(xiàn)采樣動(dòng)車組中的閘片磨損分布不均等。

進(jìn)一步測(cè)量全列96 副閘片偏磨值和剩余的最小閘片厚度，測(cè)量情況如圖7 所示，每個(gè)點(diǎn)代表了輪盤與軸盤閘片的偏磨值和剩余最小厚度。結(jié)果表明大部分閘片的偏磨范圍為1～3 mm，偏磨量＞5 mm 的有15 副，占閘片總量的15.6%。拖車上的偏磨通常比動(dòng)車嚴(yán)重，帶停放制動(dòng)的夾鉗單元閘片更容易發(fā)生偏磨。

圖5 采樣夾鉗編號(hào)

圖6 閘片上粉末冶金摩擦塊的測(cè)量位置

圖7 全列閘片偏磨分布

3 閘片偏磨原因分析

CRH2A 統(tǒng)型動(dòng)車組采用的是直通式電空復(fù)合制動(dòng)，其制動(dòng)力混合分配優(yōu)先順序?yàn)椋菏紫仁莿?dòng)車轉(zhuǎn)向架的再生制動(dòng)，其次是拖車轉(zhuǎn)向架的空氣制動(dòng)，最后是動(dòng)車轉(zhuǎn)向架的空氣制動(dòng)。列車控制系統(tǒng)盡量?jī)?yōu)先采用再生制動(dòng)實(shí)施要求的制動(dòng)，如果采用再生制動(dòng)的制動(dòng)效果不夠，列車控制系統(tǒng)將采用空氣制動(dòng)進(jìn)行補(bǔ)充。在混合制動(dòng)過程中，由列車控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)空氣制動(dòng)的參考信號(hào)，以便于在動(dòng)車和拖車轉(zhuǎn)向架之間均勻分配制動(dòng)效果。在制動(dòng)過程中，列車控制系統(tǒng)將持續(xù)監(jiān)控達(dá)到的再生制動(dòng)效果，并將制動(dòng)參考信號(hào)分配給不同車輛。通過以上原理并結(jié)合測(cè)量數(shù)據(jù)，不難看出，由于動(dòng)車組制動(dòng)力分配中拖車空氣制動(dòng)使用比動(dòng)車的空氣制動(dòng)多，閘片磨耗也多，出現(xiàn)偏磨的可能性增加。下面從3 個(gè)方面分析閘片偏磨原因。

3.1 制動(dòng)夾鉗重心傾斜影響

制動(dòng)夾鉗由4 個(gè)緊固螺栓固定在轉(zhuǎn)向架的制動(dòng)吊座上實(shí)現(xiàn)。當(dāng)轉(zhuǎn)向架構(gòu)架繞著X軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，中心懸掛銷允許制動(dòng)夾鉗單元傾斜并進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，從而與制動(dòng)盤平行。制動(dòng)夾鉗單元的重心與懸掛銷在Y軸上的中心有輕微偏移，導(dǎo)致夾鉗單元順時(shí)針方向傾斜，如圖8 所示。

圖8 制動(dòng)夾鉗重心傾斜示意圖

3.2 制動(dòng)軟管連接影響

經(jīng)收集不同位置偏磨閘片，觀察閘片偏磨現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)輪裝制動(dòng)夾鉗閘片和軸裝制動(dòng)夾鉗閘片的偏磨方向都是相同的，從不同位置、側(cè)位的夾鉗背后看，閘片磨損形狀總是朝著順時(shí)針方向，如圖9 所示。考慮制動(dòng)軟管連接緊固方向同樣為順時(shí)針方向，存在制動(dòng)軟管完成緊固后對(duì)夾鉗產(chǎn)生順時(shí)針附加力的可能，導(dǎo)致夾鉗更換閘片后即開始逐漸偏磨，后續(xù)隨著車組運(yùn)用，閘片的偏磨造成了重心的偏移，共同造成了偏磨的加劇。因此，考慮制動(dòng)軟管連接產(chǎn)生的附加力可能是偏磨的初始影響因素。

圖9 制動(dòng)軟管分析

3.3 遠(yuǎn)程緩解拉繩影響

調(diào)查發(fā)現(xiàn)，帶停放的制動(dòng)夾鉗閘片出現(xiàn)偏磨的概率明顯高于不帶停放的軸裝制動(dòng)夾鉗閘片，50%的帶停放的制動(dòng)夾鉗出現(xiàn)了逆時(shí)針方向的傾斜（從夾鉗后視圖看）。當(dāng)拆掉2 根遠(yuǎn)程緩解拉繩后，制動(dòng)夾鉗的傾斜消除，垂直的扭矩從14 N·m 減到4 N·m 左右。

根據(jù)以上分析，夾鉗自身的重心不對(duì)中，當(dāng)與制動(dòng)軟管和遠(yuǎn)程緩解拉繩產(chǎn)生的力矩疊加后，會(huì)導(dǎo)致夾鉗出現(xiàn)一定的傾斜，從而誘發(fā)閘片的偏磨。

4 閘片防偏磨結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和運(yùn)用考核

4.1 閘片防傾斜裝置

由于夾鉗的傾斜是引起閘片偏磨的主要原因，因此在制動(dòng)夾鉗上加裝了防傾斜裝置，使夾鉗保持在正確位置上。防傾斜裝置包括2 個(gè)彈簧墊圈包，在制動(dòng)夾鉗支架銷殼體兩邊各安裝一個(gè)，向支架銷產(chǎn)生約為18～20 N·m 的力矩，在緩解時(shí)迫使夾鉗回到垂直位置，防止制動(dòng)夾鉗單元出現(xiàn)傾斜的現(xiàn)象，如圖10 所示。

防傾斜裝置的作用原理為：彈簧墊圈通過對(duì)中的外殼將橫向的力傳遞至黃色高亮顯示的活塞上，活塞可以沿軸向運(yùn)動(dòng)，壓縮的彈簧墊圈則實(shí)現(xiàn)了外殼和支撐銷垂直方向的運(yùn)動(dòng)。假設(shè)夾鉗初始在垂直位置，左右對(duì)中；當(dāng)外部載荷超出了內(nèi)部彈簧墊圈的力，則活塞在彈簧墊圈進(jìn)一步的壓縮作用下開始移動(dòng)，使夾鉗出現(xiàn)傾斜；當(dāng)外部載荷減小至小于內(nèi)部彈簧墊圈的壓縮力，則外殼會(huì)重新定位至垂直的位置，如圖11 所示。

圖10 防傾斜裝置

圖11 對(duì)中裝置作用原理

4.2 裝車運(yùn)用考核驗(yàn)證

選取配屬貴陽(yáng)車輛段的2 組CRH2A 統(tǒng)型動(dòng)車組CRH2A-2365 和CRH2A-2373 進(jìn)行制動(dòng)夾鉗防傾斜裝置的運(yùn)用考核，考核周期為40 萬(wàn)km。車輛上線運(yùn)行后，每次入庫(kù)檢查制動(dòng)夾鉗、制動(dòng)盤、閘片狀態(tài)，重點(diǎn)檢查防傾斜裝置的狀態(tài)。40 萬(wàn)km 的運(yùn)用考核結(jié)果表明，加裝防傾斜裝置的制動(dòng)閘片未出現(xiàn)大于3 mm 以上的偏磨，對(duì)制動(dòng)閘片的偏磨有較好的抑制作用。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過CRH2A 統(tǒng)型動(dòng)車組閘片偏磨數(shù)據(jù)采樣和制動(dòng)夾鉗結(jié)構(gòu)的分析，動(dòng)車組閘片偏磨的主要原因是：夾鉗自身的重心不對(duì)中，同時(shí)制動(dòng)軟管和遠(yuǎn)程緩解拉繩產(chǎn)生附加力矩，使夾鉗出現(xiàn)一定的傾斜，從而誘發(fā)閘片的偏磨。針對(duì)制動(dòng)夾鉗對(duì)中的問題，設(shè)計(jì)了制動(dòng)夾鉗防傾斜裝置，通過裝車運(yùn)用考核證明了該裝置的有效性。