制動鉗體彈性滯后特性研究

陳炳偉，孟永帥，梅卓民

（中車戚墅堰機車車輛工藝研究所有限公司，江蘇常州 213011）

當列車在運行過程中需要實施制動時，向分布在制動盤兩側的制動鉗體的制動缸內充入壓縮空氣，制動鉗體產生閘片正壓力，夾緊制動盤，將列車的動能轉化成熱能，散發到大氣中去，實施列車制動。在制動過程中為保證列車制動距離的精度，制動系統需要隨時調整制動缸內的氣壓值，也就是調整制動鉗體的閘片正壓力值。在現車運營過程中出現制動缸體內氣壓上升時制動鉗體的閘片正壓力值要小于氣壓下降時相同氣壓下的閘片正壓力值，這一現象在一定程度上影響了制動系統對列車制動距離的控制精度［1］。

1 制動鉗體的功能

1.1 制動鉗體的結構

制動鉗體主要由制動缸、制動桿、吊座、轉銷、閘片托等部件組成如圖1 所示。其中制動缸將充入的氣壓值轉化為制動缸的推力，制動桿繞著吊座旋轉，利用杠桿原理，將制動缸推力放大，轉化制動所需的閘片正壓力。

圖1 鉗體結構力傳遞簡圖

1.2 制動鉗體彈性滯后特性

依據制動鉗體制動力傳遞原理，制動缸充入壓縮空氣時，由于制動鉗體內部阻力的作用，如圖2 所示，當氣壓值達到A時，制動鉗體開始夾緊制動盤，形成閘片正壓力。隨著氣壓值的增大，在B點閘片正壓力F值達到最大，形成一條閘片正壓力值隨氣壓值升高而增大的加載線。

圖2 制動鉗體彈性滯后特性

當制動鉗體開始排氣卸載時，閘片正壓力值逐步減小，形成一條閘片正壓力值隨壓力值下降而減小的卸載線。但是在相同氣壓P1 值下，卸載線的力值F2 明顯大于加載線的力值F1，兩者差值就是彈性滯后量ΔF，彈性滯后量ΔF與理論閘片正壓力值的比值就是彈性滯后率γ。

隨著閘片正壓力值的繼續卸載，氣壓值達到C點時，閘片正壓力值完全消失，由于彈性滯后特性的影響，C點介于0 點和A點之間。

2 彈性滯后機理分析

2.1 加載過程

制動鉗體力和力矩平衡原理如圖3 所示，依據制動桿作用原理，形成加載線過程中如圖3（a）所示，可以判斷出制動桿上3 個鉸接處的摩擦力矩為順時針方向，得到如下力和力矩平衡方程為式（1）：

圖3 制動鉗體力和力矩平衡原理圖

2.2 卸載過程

依據制動桿作用原理，形成卸載線過程中如圖3（b）所示，可以判斷出制動桿上3 個鉸接處的摩擦力矩為逆時針方向，得到如下力和力矩平衡方程為式（3）：

3 彈性滯后特性仿真與試驗驗證

3.1 制動鉗體彈性滯后特性仿真分析

根據制動鉗體的工作原理及結構對稱性，對模型進行簡化［2］，如圖4 所示，將制動缸的推力施加在制動桿上，同時在閘片端施加位移約束，零件間的所有連接均采用接觸連接。

圖4 有限元仿真計算模型及計算結果

將轉銷與制動桿間的摩擦系數作為變量，從0～0.5 之間進行有限元仿真分析，如圖5 所示。轉銷與制動桿間摩擦系數為0 時，加載線與卸載線完全一致。當摩擦系數逐漸增大時，加載線保持一致，而卸載線的力值逐漸增大，最大滯后量ΔF的值也逐漸增大。最大滯后量與理論值的比值變化曲線如圖6 所示。不考慮其他影響因素，當摩擦系數達到0.3 時，彈性滯后率達到10%以上。

圖5 不同摩擦系數下的夾緊力曲線（藍色為被加載線，紅色為卸載線）

圖6 最大滯后量與理論值的比值變化曲線

3.2 制動鉗體彈性滯后特性試驗驗證

對同一套制動鉗體，在轉銷和制動桿之間采用不同的潤滑措施，模擬不同摩擦系數的方案進行彈性滯后特性的試驗驗證。經過摩擦系數測試數據可知，在轉銷處涂抹相應潤滑油的摩擦系數在0.2～0.25 范圍，無任何潤滑措施的摩擦系數在0.3～0.4 范圍。試驗驗證數據表明：2 種方案的彈性特性曲線與有限元分析數據趨勢及加載線擬合基本一致，但涂抹油脂的卸載線較不涂油的要小，如圖7 所示。

圖7 不同潤滑狀態的制動鉗體夾緊力曲線

4 制動鉗體彈性滯后特性影響

制動鉗體彈性滯后現象在列車運用過程中不可避免，受摩擦阻力等因素的影響，彈性滯后量在一定范圍內波動［2］，波動越大，對列車制動系統的控制精度影響也越大。主要有以下幾個方面的影響：

（1）制動起始氣壓值A：主要考核在低氣壓工況下，制動鉗體靈敏度以及制動力值的穩定性。A值越大，制動鉗體可能會出現氣壓過小時無制動力值的情況，嚴重時影響乘客安全。A越小，制動鉗體靈敏度過高，制動管路本身的氣壓值可能會帶動制動夾鉗單元開始動作，導致異常制動。

（2）制動卸載氣壓值C：主要考核制動管路中的殘余氣壓值對制動鉗體動作的影響。由于制動桿卸載過程中摩擦阻力對扭矩的影響，C值會比A值要小一些。但過小的C值容易造成制動鉗體復位緩慢，甚至與制動盤虛抱的異常，導致閘片偏磨等故障。

（3）彈性滯后率γ：主要考核制動鉗體相同氣壓值下彈性滯后量與理論閘片正壓力的比值對制動系統控制過程的精度影響。γ越大，對制動系統控制精度的影響越大，γ值在一定程度上量化了彈性滯后特性，其值越小越好。

5 彈性滯后特性控制理論

5.1 彈性滯后特性控制

經過機理分析、有限元仿真分析及試驗驗證的方式驗證了彈性滯后特性不可避免，轉銷和制動桿間的摩擦系數是影響彈性滯后特性量值的主因，且彈性滯后量值越小越好。可以通過如下方法改善轉銷和制動桿間的摩擦系數，如圖8 所示。

圖8 制動鉗體試驗驗證方案

（1）將鋼襯套改為摩擦系數小、磨損率低、吸水率低的尼龍襯套，同時提升轉銷的表面粗糙度，可在較大程度上減小摩擦系數。

（2）選用適合高壓、低溫環境使用的高性能油脂，油脂通過注油孔螺堵注入轉銷內，在制動鉗體整個維護周期內提供較好的潤滑效果。

（3）在轉銷的上下端增大的油槽和注油孔，可實施定期注油保養，確保與轉銷接觸的制動桿和吊座接觸部位一直都有潤滑油脂。

5.2 彈性滯后特性評價

結合列車制動管路氣壓精度、制動系統的算法等因素的影響，對制動起始壓力值A、制動卸載壓力值C和彈性滯后率γ的范圍進行了系列化產品的多樣本試驗驗證，模擬列車逐級施加制動和逐級進行緩解的工況。試驗樣品包括客車軸裝制動鉗體、機車輪裝制動鉗體、動車輪裝制動鉗體、動車軸裝制動鉗體、動車輪裝緊湊式制動鉗體、動車軸裝緊湊式制動鉗體，以上所有試驗樣品均進行了摩擦系數優化，驗證結果匯總如圖9 所示。

圖9 彈性滯后特性驗證結果

對不同類型制動鉗體的制動起始壓力值、制動卸載壓力值和最大滯后量進行了充分驗證和數據匯總，結合制動鉗體的靈敏度、緩解彈簧復原力等內部阻力的影響因素，確定了制動鉗體彈性滯后特性的控制參數范圍，見表1。

表1 制動鉗體彈性滯后特性評價指標

6 結 論

（1）建立了制動鉗體彈性滯后理論分析模型、仿真分析模型，并通過試驗驗證了轉銷與制動桿間的摩擦系數在較大程度上影響著彈性滯后的量值，且彈性滯后量越小越好。

（2）通過優化襯套材料、轉銷粗糙度、采用性能更優越的潤滑脂以及轉向增加注油結構等方式，改善了制動鉗體在整個維護周期內的摩擦系數，有效控制制動鉗體彈性滯后特性。

（3）制動鉗體彈性滯后特性不可避免，通過多樣本試驗驗證，提出了通過制動鉗體的制動起始氣壓值A、制動卸載氣壓值C以及彈性滯后率γ來評價和控制所設計的制動鉗體產品。