變軌距轉向架用制動夾鉗變軌裝置設計與試驗*

李 輝，郝 亮，張慶爽，趙彥利

（1 北京縱橫機電科技有限公司，北京100094；2 中國鐵道科學研究院集團有限公司 機車車輛研究所，北京100081）

據統計，全世界目前一共有100多種不同的軌距，主要尺寸位于600~1 676 mm之間。當前，不同軌距跨國跨地區鐵路運輸一般采用換裝或換乘、更換走行部的方式進行，大大降低了鐵路運輸的效率，提高了運輸成本。不同軌距間的互聯互通、直通運行是亟待解決的問題，采用變軌距轉向架是行之有效的首選方案［1］。變軌距轉向架與傳統轉向架的不同在于采用了軌距可變輪對。

變軌距轉向架基礎制動裝置的設計需要滿足不同軌距下的兼容問題，在轉向架變軌過程中，輪裝制動盤與車輪一起發生橫向移動，因此，輪裝制動夾鉗單元需要跟隨車輪的橫向移動進行隨動，并且能夠在新的軌距位置進行自鎖固定，這是傳統夾鉗不具備的功能。

根據科技部400 km/h制動系統研制任務書分工，北京縱橫機電科技有限公司研制了一種適用于1 435 mm/1 520 mm變軌距轉向架的制動夾鉗變軌裝置，并進行了試驗驗證。

1 制動夾鉗變軌裝置設計

變軌距夾鉗整體方案如圖1所示。該夾鉗為四點緊湊式夾鉗，主要由3部分組成，分別為變軌裝置、制動夾鉗和膜板式制動缸。與傳統夾鉗相比，所增加的變軌裝置用于感應變軌過程中車輪的橫向移動并跟隨移動，最終實現變軌前后變軌裝置與車輪相對位置不變的目的。

圖1 變軌距制動夾鉗整體方案

1.1 變軌裝置模式

變軌裝置的設計一般分為有源和無源2種模式。所謂有源，一般在輪裝制動夾鉗安裝座設置電氣控制隨動機構，在變軌過程中主動的施加電氣控制指令，通過油缸/氣缸等驅動機構將夾鉗同步隨著車輪進行移動［1］。這種模式必須為每個輪對增設相應的液壓/氣動控制和操作系統，相應地提高了系統復雜程度和故障風險。所謂無源，僅通過以車輪的橫向移動和推力作為輸入信號，夾鉗被動/被迫在變軌裝置滑動部件上進行橫向移動，最終達到與車輪相對位置保持不變的目的。

盧權等設計的變軌裝置采用的是無源模式，變軌過程中以車輪的橫向移動作為輸入，通過設置W形越程回復機構和鎖緊機構實現變軌裝置的變軌到位和位置鎖定功能［2］。

1.2 變軌裝置原理

本變軌裝置采用無源模式，其原理如圖2所示。變軌裝置主要由觸發機構、導向及承載機構和變位鎖緊機構等組成。觸發機構在變軌過程中采集和接收車輪的橫向移動，觸發機構左右2個觸點與車輪保持一定距離（無作用距離），以保證車輛高速運行時（轉向架構架與輪對存在橫向位移）觸點不與輪對接觸。導向和承載結構由導向承載軌和承載軌組成，在變軌工況時導向承載軌起到隨動部件的導向作用，在制動工況時導向承載軌和承載軌共同承載夾鉗制動力。變位鎖緊機構用于鎖定變軌裝置，保證車輛高速運行時夾鉗位置不變。

本變軌裝置利用2個鉸接桿件壓縮的不穩定性和位置限定的原理實現位置變換并鎖定，用于軌道運輸車輛（包括有動力或無動力）運行中自動變軌距并鎖定。具體實現原理如圖2所示，點A1和點A2為固定鉸接部，點B1為活動鉸接部，固定在制動夾鉗上，點O是機構中心。在2個彈簧力F的作用下，點B1豎直方向（轉向架縱向）的分力為0，點B1水平方向（轉向架橫向）的分力為2Fsinα，在該水平分力作用下，能夠克服由于轉向架橫向振動引起的制動夾鉗橫向移動的慣性力。在制動夾鉗從右側變軌至左側過程中，當車輪變軌到位時，制動夾鉗點B1移動距離為：變軌距離-無作用距離，即點B1移動至點B20，2個彈簧力F在點B20水平方向的分力為2Fsinβ，方向向左，該水平分力推動制動夾鉗自行移動（無作用距離），到達點B2并在該位置受到彈簧力水平方向分力2Fsinα，實現制動夾鉗變軌到位并鎖定的功能。

圖2 變軌裝置原理示意圖

1.3 變軌裝置結構

變軌裝置組成結構如圖3所示，變軌裝置組成主要由托架、前擋、后擋、滑動塊、彈簧座、彈簧和感應軸承組成。滑動塊左端設有感應軸承，感應軸承接收到車輪變軌位移后，滑動塊可沿滑動軸橫向移動，在托架左右兩側設置有滑動塊限位端面。

圖3 變軌裝置組成

變軌裝置能夠實現隨動功能的關鍵部件為彈簧座與彈簧配合的組件，共6組，每組包括2個孔軸導向配合的彈簧座和1個彈簧，相互配合的2個彈簧座分別安裝在滑動塊和前擋（或后擋），且彈簧座全部鉸接活動部件。

托架通過4點連接至轉向架構架，前擋和后擋與托架通過螺栓剛性連接。6組壓縮彈簧會在橫向產生分力，該力將滑動塊固定在托架限位位置。當完成標準軌—寬軌變軌切換后，滑動塊被固定在托架的另一側限位位置。

2 變軌裝置隨動過程

車輪在速度15~30 km/h時實現寬軌—標準軌切換，現以動車轉向架用TKD609CU30L型夾鉗變軌裝置為對象闡述變軌過程，軌距由寬軌向標準軌切換［單個車輪或隨動機構的變軌移動量為43.5 mm］過程中變軌裝置狀態如下：

（1）軌距切換之前，即在寬軌狀態時，車輪與左右兩側的感應軸承橫向間隙（無作用距離）均為10 mm；

（2）車輛進入變軌區域后，車輪在地面設施引導軌的擠壓作用下向左側移動10 mm時，車輪與隨動機構左側感應軸承接觸，與右側感應軸承間隙為20 mm；

（3）車輪向左側移動10 mm+43.5 mm/2=31.75 mm時，隨動機構完成1/2變軌位移（21.75 mm）時間內，車輪仍與隨動機構左側感應軸承接觸，與右側感應軸承間隙為20 mm；

（4）車輪繼續向左移動時，變軌裝置彈簧力在水平方向分力的方向由向右切換為向左，理論上滑動塊在彈簧力的作用下可自行向左加速移動，此后左側感應軸承與車輪分離；

（5）在彈簧力作用下，滑動塊加速向左移動至托架定位面，同時車輪繼續向左移動，直至滑動塊和車輪均完成43.5 mm變軌位移量。至此，變軌裝置實現了由寬軌至標準軌的軌距切換。

軌距由標準軌向寬軌切換時變軌機構的隨動過程與上述內容基本一致，呈對稱關系，在此不再贅述。

3 結構及功能特點

3.1 變軌功能可靠性

本變軌裝置的設計采用的是無源模式，夾鉗的橫向移動不依靠單獨的控制及驅動系統，僅依靠車輪的橫向移動作為動力源，可以很好地與車輪移動保持同步。另外，該變軌裝置動作原理及內部結構簡單，因此變軌功能可靠性良好。

3.2 橫向振動適應能力

變軌裝置安裝在轉向架構架上，高速動車組在涵蓋所有運用工況下，構架橫向振動加速度實測幅值為50 m/s2左右［3］。經理論計算，在本變軌裝置6組彈簧所提供的鎖止力可保證構架在橫向振動加速度≤150 m/s2（15g）時，制動夾鉗位置保持不動，滑動軸無振動磨耗。因此在動車組在高速運行時，該變軌裝置具有良好的橫向振動鎖止能力。

本變軌裝置在車輛固定軌距高速運行時依靠6組壓縮彈簧將制動夾鉗在橫向固定，在構架發生橫向較大量級振動加速度（>15g）時，6組彈簧可以起到緩沖吸能減振的作用，這種結構相對鎖定銷（鎖定塊）固定方式，不存在橫向振動沖擊時受剪及磨耗的優勢，因此該結構具有更好的耐久疲勞性能。

4 地面試驗情況

裝有本變軌裝置的變軌距制動夾鉗在北京縱橫機電科技有限公司和中鐵檢驗認證中心先后進行了常溫例行試驗、低溫型式試驗和沖擊振動型式試驗，各項試驗結果均滿足設計要求，性能良好。

4.1 常溫例行試驗

常溫條件下，在制動夾鉗單元專用試驗臺上對變軌距制動夾鉗單元的氣密性、靈敏度、一次調整量、最大調整量、緩解間隙、輸出力、靜態傳動效率、變軌動作等項點進行例行試驗，以上項點均滿足例行試驗規范要求。

圖4 例行試驗

4.2 低溫型式試驗

按照項目使用環境溫度最低為-50℃的要求，將變軌距制動夾鉗單元在-50℃低溫箱內保溫48 h后，檢測氣密性、靈敏度、一次調整量、最大調整量、緩解間隙、變軌動作等試驗項點，以上項點均滿足型式試驗規范要求。

4.3 振動沖擊試驗

按照IEC 61373：2010標準［4］（轉向架2類）試驗工況對變軌距制動夾鉗單元進行功能性隨機振動試驗、模擬長壽命振動試驗及沖擊試驗，完成振動沖擊試驗后對試驗樣品進行外觀檢查及常溫全性能試驗，各項試驗結果均符合規定要求。

5 總結

作為保障動車組制動安全的基礎，變軌距制動夾鉗單元是變軌距轉向架的關鍵部件，該部件需要在轉向架變軌過程中實現夾鉗同步變軌動作，且變軌前后夾鉗需要保持在固定位置，應具有結構簡單、變軌定位準確、功能可靠、耐久性良好等特點。

文中著重對制動夾鉗變軌裝置的設計、變軌隨動過程和試驗進行了詳細說明，各項地面試驗結果表明本變軌裝置滿足設計要求。后續將結合變軌距制動夾鉗單元的裝車和使用，對該裝置進行進一步的研究。