適應超大坡道齒軌車輛用帶式制動裝置的研制*

沈銘乾，艾正武，毛金虎，王麗

（1.中車株洲電力機車有限公司，湖南株洲412001；2.軌道車輛制動技術湖南省工程實驗室，湖南株洲412001）

0 引言

齒軌車輛通過齒軌輪與齒軌間的嚙合傳動，將制動力通過齒軌輪作用在齒軌上，不受輪軌黏著力的限制[1]，實現列車在超大坡度上的安全運行。目前國外既有齒軌線路坡度覆蓋120‰～480‰，而國內尚無載客運營的齒軌線路。根據瑞士鐵路技術規范（AB-EBV）相關規定，齒軌車輛應具備兩套相互獨立的機械制動器，其中至少一套制動器為純齒軌制動器[2]。隨著國內山地軌道交通市場的發展需求，研制適應超大坡道齒軌車輛及其制動裝備勢在必行。

目前，國內城市軌道車輛多采用閘瓦制動和盤形制動兩種，此類制動器均屬輪軌制動，當制動力大于黏著力時，輪對將發生滑行，制動力將迅速下降[3]。受限于黏著力，上述基礎制動裝置無法滿足超大坡道車輛的制動需求。

國內帶式制動裝置主要應用于船舶、港機等領域[4]，帶式制動裝置包角大，制動力矩大，同樣的制動輪直徑時，帶式為塊式的2～2.5倍[5]。為獲得較大制動力，結構往往十分龐大，無法適應軌道車輛走行部的狹小空間。

本文提供的適應超大坡道齒軌車輛用帶式制動裝置是一種純齒軌制動器，其制動鼓與齒軌輪剛性連接，不受黏著力的限制。并通過采用一種復合式帶結構，克服了制動力與走行部空間不足的問題，具有結構緊湊、制動包角大、制動效率高、摩擦面積大、易于維護等特點，為自主化齒軌車輛制動系統的研制提供了解決方案。

1 帶式制動裝置設計原理

帶式制動裝置主要由4大部分構成：（1）動力源，由電磁線圈、氣液動力元件或彈簧等提供；（2）制動力放大機構，包括制動桿及各鉸接副；（3）緩解機構，包括緩解動力元件、杠桿臂及各鉸接副；（4）摩擦副組成，包括制動帶、閘片以及制動鼓等。制動時為了使制動帶與制動鼓更好地貼合，制動帶采用圓弧型薄壁撓性體，對制動帶進行受力分析如圖1所示。

圖1 帶式制動裝置受力分析

1.1 撓性體摩擦原理

取制動帶dθ單元體進行受力分析，其主要受到以下幾個力：正壓力Fn=PBR·dθ；摩擦力Fμ=μ·Fn；離心力Fe=mω2BR·dθ；切向的帶拉力Fτ和Fτ+dF。其中，P為單位面積上的壓力；B為帶寬度；μ為摩擦因數；m為單位面積質量；ω為角速度；α為制動帶包角。根據各向受力平衡可得：

徑向受力平衡：

式（1）可簡化為：

當ω恒定時，離心力Fe為常量，將式（2）微分后得：

切向受力平衡：

當dθ足夠小時

代入參數，且當dθ足夠小時，，式（4）可簡化為：

聯立式（3）和（5），可得：

將式（6）積分得：

制動力矩：

根據力矩平衡原理：

聯立式（2）、（7）、（9），且當ω→0時，可得：

式（10）即為帶傳動撓性摩擦歐拉公式的推導，是帶式制動裝置設計的理論基礎。

1.2 帶式制動裝置制動力計算

蓄能彈簧為整個裝置的動力源，彈簧拉力Ft制動桿的放大作用到制動帶上，產生制動帶兩端的制動力F1和F2，此時制動力F即為F1和F2的合力，制動力F產生的力矩T=F·R。

聯立式（9）、（10）可得：

從圖1受力分析可得：

其中，l為制動力放大力臂，a為阻力臂，η為傳動效率，聯立式（10）、（11），可以得：

設計時，根據整車制動力需求及分配原則，確定帶式制動裝置所需輸出制動力，進而確定制動力矩及蓄能彈簧輸出力值，為蓄能彈簧的設計提供依據。

2 帶式制動裝置結構及安裝布置

2.1 帶式制動裝置結構

DSZD-A2型帶式制動裝置為被動式制動執行部件，其主要由以下幾個部分構成：緩解閘缸、杠桿臂、制動力平衡機構、制動桿、制動帶、制動鼓、防貼輪機構、蓄能彈簧及安裝板等，如圖2所示。帶式制動裝置能夠滿足車輛在不同方向上行駛的制動需求，車輛正常運行時，緩解閘缸處于充風狀態，緩解風壓根據蓄能彈簧組輸出的拉力設定。當車輛在齒軌路段進行緊急制動、保持制動或停放制動時，排出緩解閘缸內壓力空氣，在蓄能彈簧組拉力作用下，制動力經制動桿的放大，使得制動帶抱緊制動鼓，從而將制動力作用到齒軌輪及齒軌上。

圖2 DSZD-A2型帶式制動裝置機構示意圖

2.2 帶式制動裝置安裝布置

適應超大坡道齒軌車輛用DSZD-A2型帶式制動裝置采用軸裝斜對稱布置的方式，安裝在齒軌轉向架的空心軸上，其中帶式制動裝置制動鼓與齒軌輪固定連接。制動力通過制動鼓傳遞到齒軌輪上，最終經齒軌輪將制動力作用到齒軌上，從而實現制動，如圖3所示。帶式制動裝置作為齒軌列車安全制動裝置，參與齒軌列車在超大坡道上列車的緊急制動、保持制動及停放制動。

圖3 DSZD-A2型帶式制動裝置安裝示意圖

3 帶式制動裝置關鍵部件設計

3.1 復合式帶結構設計

DSZD-A2型帶式制動裝置采用復合式帶結構設計，其具備雙制動帶、雙蓄能彈簧以及雙制動桿。該設計優點在于：可以有效增大帶式制動裝置的制動包角，與傳統的單制動帶結構設計相比，能極大地提高制動效率，降低制動帶及閘片的比壓力[6]，提高制動帶的使用壽命，降低閘片的磨耗。

制動帶比壓力計算公式為：

式中：P為比壓力；F為制動帶張力；D為制動鼓直徑；B為制動帶寬度；[P]為許用比壓力。

從式（2）、（14）可以看出，受限于比壓力，制動鼓直徑和制動力需滿足一定的范圍。現有帶式制動器，為了獲得較大制動力，通常采取增大制動鼓直徑來滿足比壓力要求。但由于軌道車輛走行部空間極其有限，制動鼓直徑受到限制。DSZD-A2型帶式制動裝置采用復合式帶結構，通過設置復合式雙制動帶、雙制動桿結構，增大了制動包角，克服了比壓力的限制，滿足了齒軌車輛在超大坡道上大制動力的需求。

此外，復合式帶結構增加制動帶的總寬度，但單根帶的寬度控制在合理范圍內，從而保證上閘制動帶時能較好的貼合，同時滿足散熱的要求。

3.2 制動力平衡結構設計

制動力平衡機構為空間鉸接點，分別連接杠桿臂、蓄能彈簧組以及制動桿組，起主要作用是平衡制動力輸出，以及保證緩解時閘片間隙均勻。對DSZD-A2型帶式制動裝置進行機構分析，建立如圖4所示機構簡圖，其中桿6為平衡座，桿4為平衡關節，平衡關節可以繞D點轉動以平衡蓄能彈簧3和蓄能彈簧7的彈簧拉力Ft3和Ft7。

圖4 DSZD-A2型帶式制動裝置結構分析

對該機構進行自由度分析得：

從式（15）中可以看出，該機構具有一個自由度，即在蓄能彈簧3（7）的彈簧拉力的作用下制動桿2（8）繞點A（J）的轉動。當蓄能彈簧3（7）的輸出的彈簧拉力Ft3=Ft7時，平衡關節將保持平衡，帶式制動裝置具有穩定的運動。當Ft3-Ft7≠0時，機構將增加1個動力源，其力值為此時平衡關節將繞平衡座上的鉸接點D轉動直到Ft3=Ft7，從而實現兩組彈簧輸出的制動力保持一致。

3.3 制動鼓設計

DSZD-A2型帶式制動裝置用制動鼓通過螺栓固定在齒軌輪法蘭上，齒軌輪和制動鼓通過軸承安裝在空心軸上。制動鼓法蘭面上的密封槽與齒軌輪法蘭密封槽形成密閉空腔，空腔內注入潤滑油，為軸承提供潤滑。制動鼓摩擦面外圓設置有突出的輪緣，用以防止制動帶軸向竄動脫出制動鼓。此外，制動鼓摩擦面上設有磨耗極限槽，用以指示制動極限磨耗量。

制動鼓采用特種合金鑄鋼，高溫（600℃）下機械性能σb≥550 MPa，σ0.2≥435 MPa。鼓體材料、熱處理后力學性能、金相組織應符合表1的要求。

表1 鼓體材料要求

3.4 閘片設計

DSZD-A2型帶式制動裝置制動帶由上下兩個半副組成，閘片通過鉚接方式固定在制動帶上。閘片采用有機合成材質，閘片背面埋入鋼絲網，以增強閘片的鉚接強度。為最大程度的保障閘片與制動鼓的貼合，閘片為圓弧形結構，圓弧半徑保持與制動鼓摩擦半徑一致。

該型閘片為非標設計，最大磨耗量不超過3 mm，其最大工作熱負荷溫度不超過400℃[7]。其他物理力學性能參數如表2所示。

表2 帶式制動用合成閘片物理力學性能參數

4 設計驗證

4.1 制動性能驗證

針對齒軌車用帶式制動裝置的結構特殊，搭建齒軌制動器動態試驗平臺，對DSZD-A2型帶式制動裝置開展多工況下的制動力/制動力矩試驗，以充分驗證其制動性能，試驗平臺如圖5所示。

對帶式制動裝置開展制動力/力矩動態試驗，其試驗檢測數據如表3所示，從表中數據可以看出：兩組制動帶兩端制動力近似相等，兩組蓄能彈簧輸出拉力近似相等，符合制動力平衡機構設計要求，能實現力平衡調節功能。制動帶兩端制動力F1與F2的實測值符合帶傳動撓性摩擦歐拉公式（注：F1=F11+F21、F2=F12+F22），制動效率不小于85%。DSZD-A2型帶式制動裝置（制動力/力矩）動態試驗曲線如圖6所示。

圖6 DSZD-A2型帶式制動裝置（制動力/力矩）動態試驗曲線

4.2 熱容量仿真計算

根據參考AB-EBV《瑞士聯邦鐵路規定實施細則》中相關規定，帶式制動器的85%有效制動力的作用下，在前后相繼兩次制動中，必須能將：在AW0工況下，最大坡道上（下坡），以最高允許速度，安全可靠停車，而不會產生制動部件超熱負荷。

特種合金鑄鋼制動鼓熱容量滿足列車在最大軸重為12 t，以初速度40 km/h速度，在250‰坡道上下坡，連續兩次緊急制動，其最高溫度為132℃，允許最高溫度為550℃，最大應力為137 MPa，小于最大屈服極限435 MPa，均滿足熱負荷要求。

圖7 40 km/h速度等級、250‰下坡，3次緊急制動鼓溫度-應力時間曲線

5 結束語

本文針對齒軌車輛制動力需求大，現有軌道交通基礎制動裝置無法滿足制動力要求，以及現有帶式制動裝置結構龐大無法適應齒軌車輛走行部狹小空間的問題，研制出的復合式帶結構帶式制動裝置不受能源限制、安全可靠、結構緊湊、制動包角大、制動效率高及制動力矩大，有效解決了上述問題。并通過搭建齒軌制動器動態試驗平臺，開展了多工況下的制動力性能試驗，試驗數據表明該型帶式制動裝置制動效率大于85%，能夠滿足在超大坡道上的制動力需求。此外，通過熱容量仿真計算，校核了250‰超大坡道上的熱負荷能力，結果表明摩擦副熱負荷能力能夠適應齒軌車輛的運用需求。