轉向架制動夾鉗單元閘片防脫結構分析

張 羽，付躍杰，陳 杰

（1.中車南京浦鎮車輛有限公司，江蘇 南京 210031；2.中國鐵路沈陽局集團有限公司車輛部，遼寧 沈陽 110001）

引言

鐵路機車車輛使用的制動夾鉗單元中，常會發生閘片脫落故障。制動夾鉗單元結構中采用閘片托以安裝閘片，在閘片托的底部會設計止擋塊以垂向支撐閘片，止擋塊通過連接組件與閘片托安裝。通常，閘片脫落故障發生的直接原因為止擋塊的連接組件因結構、自身制造缺陷、異物擊打損傷等種種因素發生折損，導致止擋塊打開而無法止擋閘片。

除了加強零件的質量控制外，一般還會采用鐵絲捆扎止擋塊的方式來加強防脫措施，即便零件發生折損了，止擋塊也不會立即就打開，這種方式成本低廉，也很有效[1]。但是由于捆扎操作不便，更換閘片時需將捆扎鐵絲拆除。針對這種情況，筆者考慮利用現有的零件和空間來設計一種結構，能夠實現對止擋塊的防脫功能。

1 制動夾鉗單元結構簡介

鐵路機車車輛使用的制動夾鉗單元一般由制動缸、制動夾鉗杠桿、閘片托和吊座等部分組成，如圖1所示。制動缸將空氣壓力轉化為活塞桿的推力，杠桿將推力放大傳遞至閘片托，閘片托帶動閘片抱緊制動盤，達到制動的目的。閘片背部設計了燕尾結構，安裝于閘片托的燕尾槽上，閘片托底部設置一個卡槽以安裝止擋塊，止擋塊從底部支撐閘片使其不會脫落。

止擋塊與閘片托有兩種結構安裝連接方式。一種是雙圓銷加開口銷結構，如下頁圖2-1所示，該結構中，止擋塊安裝于閘片托卡槽中，兩端各安裝一根圓銷用以與閘片托固定，圓銷頭部開孔，橫穿安裝開口銷，使得圓銷不會竄出。該結構因制造公差無法完全避免，圓銷會存在一定的垂向躥動量，車輛運行過程中存在著較大的振動，圓銷在振動作用下不斷上下微小躥動，開口銷始終承受一定的剪切載荷，若圓銷的垂向竄動量達到一定的程度，則開口銷最終會發生斷裂，引發故障。目前采用控制零件精度、組裝加墊調整等手段以盡量消除圓銷的垂向躥動量，并輔以鐵絲捆扎方式來消除故障隱患。

另一種是彈性圓柱銷加鎖止彈簧結構，如下頁圖2-2所示，該結構中止擋塊一端穿入彈性圓柱銷，可繞之自由轉動，彈性圓柱銷固定安裝于閘片托上，止擋塊另一端通過鎖止彈簧連接閘片托，止擋塊的打開和鎖閉是通過鎖止彈簧的扭轉來實現的。該結構中，鎖止彈簧端頭折彎與止擋塊安裝，折彎處為應力集中點，是整個鎖止彈簧的薄弱處，若操作不當，可能會在折彎處造成損傷，或者由于車輛運行過程中軌道碎石擊打而導致表面損傷。而閘片更換較為頻繁，鎖止彈簧需要頻繁地來回撬動扭轉，最終會在表面損傷處產生裂紋，最終折斷并引發故障。目前采用規范組裝作業、鐵絲捆扎止擋塊等方式來消除隱患。

2 閘片防脫結構

為解決上述問題，筆者擬充分利用現有空間和零件結構進行改進，提出一種結構，即便止擋塊的連接件發生故障斷裂后，止擋塊也不會脫出，同時還需滿足方便拆裝閘片和零部件可靠性的要求。閘片脫出故障主要是因為止擋塊連接件失效而導致止擋塊打開，本結構思路是利用現有零件在止擋塊連接件失效后，仍然能夠保證止擋塊不會打開[2]，將利用閘片托與杠桿的連接圓銷來實現這一目標。

現有結構（如圖3-1所示）中，閘片托與杠桿通過一根不帶孔光圓銷連接，圓銷由上向下安裝，圓銷頭部與閘片托吊間隙很小，安裝閘片托吊后圓銷被止擋無法躥出，閘片托與杠桿得以可靠連接。改進結構（如圖3-2所示）中，將閘片托與杠桿的安裝圓銷拆分為兩根圓銷，上圓銷仍然為不帶孔光圓銷，由上向下安裝，利用閘片托吊止擋，下圓銷設置螺紋，采用螺母由下向上安裝。下圓銷正常安裝后，頭部在止擋塊位置，在止擋塊連接件發生失效后，止擋塊會被下圓銷的頭部止擋無法轉出，從而實現閘片的防脫。

為了能夠便于更換閘片，該結構中在下圓銷的頭部與閘片托之間設一根彈簧，下圓銷的桿徑略大于螺紋直徑，螺母通過墊圈緊固于下圓銷上，彈簧采用較小的剛度能夠方便用手推動壓縮。更換閘片時將下圓銷向上推動壓縮彈簧至止擋塊能夠轉出。該結構中只將原閘片托與杠桿連接的圓銷改為上下兩段圓銷，下圓銷采用了彈簧結構，其余零部件均未發生變化，以最小的改動實現了閘片的防脫。

3 防脫結構強度計算

針對上述提出的防脫結構，開展有限元計算以驗證結構強度。

3.1 有限元模型及網格劃分

本次計算選取一款主型制動夾鉗單元，分析重點針對防脫結構，故簡化了制動夾鉗的結構及各零件的連接結構。對模型進行網格劃分，對結構復雜的零件劃分四面體網格，結構規則的零件劃分六面體網格。其中共劃分單元320 376個，共包含節點497 210個。

3.2 載荷及邊界條件

吊座安裝孔進行固定約束，各零件之間、螺紋連接的零件、過盈安裝的零件之間采用綁定約束，具有相對運動趨勢的所有接觸對均采用摩擦接觸，摩擦因素根據潤滑狀態及材料類型設定。將閘片托幾何去除后，保留雙側閘片托與杠桿的連接，在兩側連接的中心點施加向外的閘片推力的支反力。

當制動缸工作壓力為420 kPa時，閘片單側推出力大小為21 kN。強度試驗，制動缸最大壓力為600 kPa，閘片單側推出力大小為30 kN。停放制動與常用制動疊加時，閘片單側推出力大小為54 kN。

3.3 計算結果

經仿真，在常用制動工況（21 kN載荷）下，分體銷的最大載荷為72.83 MPa。在最大制動氣壓工況（30 kN載荷）下，分體銷的最大載荷為106.5 MPa。在疊加載荷工況（54 kN載荷）下，分體銷的最大載荷為185.2 MPa。圓銷采用42CrMo材質，各工況下，圓銷的應力水平均遠低于材料的許用應力。

4 結語

本文通過對閘片脫落的直接引發因素及既有結構的分析，充分利用現有結構的零件，以最小的結構改動從根本上實現閘片防脫，同時兼顧了閘片方便更換的功能。對結構中的改變部分開展了有限元計算以校核其強度，驗證了結構的可靠性。為制動夾鉗單元設計制造廠商提供了一種新的思路，以徹底消除閘片脫落風險。