高速變軌距動(dòng)車組用制動(dòng)夾鉗單元分析研究

刁有彬，王 震，徐少亭，孔德鵬，覃立偉，王令軍

（中車青島四方車輛研究所有限公司，山東青島 266031）

1 引言

目前，世界各國鐵路運(yùn)輸一直保持多種軌距的現(xiàn)狀，嚴(yán)重阻礙跨國及跨地區(qū)間鐵路運(yùn)輸及經(jīng)濟(jì)貿(mào)易活動(dòng)的發(fā)展。研制變軌距轉(zhuǎn)向架可有效解決軌距不同區(qū)間的直通運(yùn)行問題，實(shí)現(xiàn)國內(nèi)外軌道交通互聯(lián)互通，滿足國家“一帶一路”運(yùn)輸?shù)陌l(fā)展需求，促進(jìn)跨國及跨地區(qū)間的鐵路運(yùn)輸及經(jīng)濟(jì)貿(mào)易活動(dòng)的發(fā)展。

變軌距轉(zhuǎn)向架關(guān)鍵技術(shù)在于輪對(duì)經(jīng)過地面變軌距過渡裝置后能夠自動(dòng)實(shí)現(xiàn)軸向移動(dòng)及限位鎖定，以適應(yīng)2 種不同規(guī)格的軌距要求，由于動(dòng)車轉(zhuǎn)向架空間限制，基礎(chǔ)制動(dòng)裝置需采用結(jié)構(gòu)緊湊的盤型制動(dòng)，同時(shí)需跟隨車輪實(shí)現(xiàn)軸向移動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)不同軌距時(shí)的車輛制動(dòng)需求。本文對(duì)速度400 km/h 變軌距（1 435/1 520 mm）動(dòng)車組用制動(dòng)夾鉗單元配置及方案進(jìn)行介紹。

2 動(dòng)車組基礎(chǔ)制動(dòng)配置及技術(shù)要求

動(dòng)車組采用8輛編組，包括4輛拖車和4輛動(dòng)車，結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。轉(zhuǎn)向架輪對(duì)具備變軌距功能，可適應(yīng)1 435/1 520 mm的軌距。

2.1 動(dòng)車轉(zhuǎn)向架基礎(chǔ)制動(dòng)裝置配置及要求

動(dòng)車轉(zhuǎn)向架裝有牽引電機(jī)和齒輪箱，空間較小，每軸配置2套輪盤制動(dòng)裝置，如圖2所示。輪盤制動(dòng)裝置包括輪裝制動(dòng)夾鉗單元、輪裝制動(dòng)盤和閘片。輪裝制動(dòng)盤安裝在車輪副板上，輪裝制動(dòng)夾鉗單元按制動(dòng)缸安裝方向不同分為左件和右件。在變軌距前后，由于車輪相對(duì)轉(zhuǎn)向架中心位置沿軸向發(fā)生變化，與輪裝制動(dòng)盤配合使用的輪裝制動(dòng)夾鉗單元應(yīng)具備隨動(dòng)變軌距功能，動(dòng)車轉(zhuǎn)向架每軸需安裝2套具有隨動(dòng)變軌距功能的輪裝制動(dòng)夾鉗單元。

2.2 拖車轉(zhuǎn)向架基礎(chǔ)制動(dòng)裝置配置及要求

拖車轉(zhuǎn)向架空間較大，經(jīng)核算制動(dòng)熱負(fù)荷能力，可得每軸需配置2套輪盤制動(dòng)裝置和2套軸盤制動(dòng)裝置，如圖3所示。輪盤制動(dòng)裝置形式與動(dòng)車的形式相同，僅與動(dòng)車制動(dòng)倍率不同。軸盤制動(dòng)裝置包括軸裝制動(dòng)夾鉗單元、軸裝制動(dòng)盤和閘片，2套軸裝制動(dòng)夾鉗單元中1套為軸裝停放制動(dòng)夾鉗單元。

2.3 制動(dòng)夾鉗單元技術(shù)性能要求

制動(dòng)夾鉗單元作為高速變軌距動(dòng)車組基礎(chǔ)制動(dòng)裝置核心部件，應(yīng)滿足以下性能要求：

（1）滿足-50～+50℃環(huán)境使用要求，能適應(yīng)風(fēng)、沙、雨、雪、霧霾天氣，及鹽霧、酸雨、沙塵暴等偶有現(xiàn)象；

（2）輪裝制動(dòng)夾鉗單元應(yīng)具備隨動(dòng)變軌距功能，可自動(dòng)識(shí)別車輪動(dòng)作，保證在不同軌距時(shí)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)對(duì)中功能，并具備制動(dòng)、緩解、間隙自動(dòng)調(diào)整和手動(dòng)復(fù)位等功能；

（3）受空間限制，軸裝制動(dòng)夾鉗單元采用不同于輪裝制動(dòng)夾鉗單元形式的緊湊型制動(dòng)夾鉗單元，需具備制動(dòng)、緩解、間隙自動(dòng)調(diào)整和手動(dòng)復(fù)位等功能，軸裝停放制動(dòng)夾鉗單元還需具備停放制動(dòng)、停放制動(dòng)緩解和停放制動(dòng)手動(dòng)緩解等功能。

3 輪裝制動(dòng)夾鉗單元技術(shù)方案

輪裝制動(dòng)夾鉗單元主要由隨動(dòng)裝置、制動(dòng)夾鉗和制動(dòng)缸3部分組成，采用模塊化設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)緊湊、體積小，能適應(yīng)轉(zhuǎn)向架緊湊的安裝空間，外觀展示如圖4所示。

3.1 隨動(dòng)裝置

3.1.1 隨動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)組成

隨動(dòng)裝置由安裝座、連接座、識(shí)別摩擦片、柔性滑動(dòng)軸承、隨動(dòng)銷軸及鋼球定位機(jī)構(gòu)等組成，平面示意如圖5所示，其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)如下：

（1）安裝座采用4點(diǎn)安裝接口，與轉(zhuǎn)向架通過4個(gè)M 20螺栓進(jìn)行緊固連接；

（2）連接座上端通過隨動(dòng)銷軸和安裝座連接，下端通過吊掛銷軸和制動(dòng)夾鉗單元連接，前段設(shè)置2個(gè)剛性懸臂梁，輪裝制動(dòng)夾鉗單元安裝后，懸臂梁位于車輪兩側(cè)；

（3）識(shí)別摩擦片位于懸臂梁前端，采用粉末冶金材料，具有良好的耐磨性；

（4）隨動(dòng)裝置內(nèi)置耐低溫柔性滑動(dòng)軸承和鋼球定位機(jī)構(gòu)，隨動(dòng)銷軸設(shè)置2個(gè)具有一定坡度的定位孔，當(dāng)車輪進(jìn)行變軌動(dòng)作時(shí)，車輪輪緣通過識(shí)別摩擦片帶動(dòng)連接座及制動(dòng)夾鉗單元在隨動(dòng)銷軸上滑動(dòng)，順利實(shí)現(xiàn)橫移動(dòng)作；當(dāng)車輪完成變軌距動(dòng)作時(shí)，通過彈簧壓縮鋼球運(yùn)動(dòng)到定位孔最底端，可準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)自動(dòng)對(duì)中及鎖定功能；

（5）隨動(dòng)識(shí)別摩擦片鎖定機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠，如圖6所示，通過推動(dòng)止擋墊片可實(shí)現(xiàn)識(shí)別摩擦片的快速更換。

3.1.2 隨動(dòng)裝置工作原理

如圖7所示，隨動(dòng)裝置前端設(shè)置懸臂梁，懸臂梁安裝有識(shí)別車輪位置的識(shí)別摩擦片，識(shí)別摩擦片和車輪之間存在一定的識(shí)別間距S，當(dāng)車輪變軌距時(shí)，車輪運(yùn)動(dòng)距離S后，車輪輪緣和識(shí)別摩擦片接觸，懸臂梁觸發(fā)變軌距機(jī)構(gòu)帶動(dòng)輪裝制動(dòng)夾鉗單元同步運(yùn)動(dòng)，當(dāng)車輪移動(dòng)距離L完成變軌距時(shí)，輪裝制動(dòng)夾鉗單元受隨動(dòng)裝置內(nèi)部鋼球定位機(jī)構(gòu)作用繼續(xù)移動(dòng)距離S，直至完成隨動(dòng)距離L，使2個(gè)識(shí)別摩擦片始終保持和車輪處于對(duì)中位置。

3.1.3 隨動(dòng)裝置技術(shù)參數(shù)

（1）隨動(dòng)開啟壓力穩(wěn)定，隨動(dòng)阻力小，開啟壓力及隨動(dòng)阻力不超過5 000 N。

（2）IP防護(hù)性高，采用橡膠保護(hù)套防護(hù)，可滿足GB/T 4208-2017《外殼防護(hù)等級(jí)》IP66S相關(guān)要求。

（3）內(nèi)部采用柔性滑動(dòng)軸承及低溫潤滑脂，可滿足低溫-50℃環(huán)境要求。

（4）隨動(dòng)裝置連接制動(dòng)夾鉗單元和轉(zhuǎn)向架，內(nèi)部采用非金屬絕緣襯套，具備良好的絕緣性能，閘片托（閘片安裝面）與吊座（螺紋安裝孔）間在DC24V電壓下，電流值小于20 mA。

3.2 制動(dòng)夾鉗

制動(dòng)夾鉗由杠桿支架、夾鉗杠桿、閘片托等組成，如圖8所示，制動(dòng)夾鉗通過吊掛銷軸和隨動(dòng)裝置連接，并通過4個(gè)鉸接螺栓和制動(dòng)缸連接，可將制動(dòng)缸推力轉(zhuǎn)化成閘片推力，通過杠桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)制動(dòng)缸推力的放大。

制動(dòng)夾鉗工作原理如圖9所示，制動(dòng)時(shí)向制動(dòng)缸充入壓縮空氣，制動(dòng)缸伸長(zhǎng)推動(dòng)夾鉗杠桿繞轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)閘片抱緊制動(dòng)盤實(shí)現(xiàn)制動(dòng)。緩解時(shí)排出壓縮空氣，制動(dòng)缸縮回時(shí)帶動(dòng)閘片與制動(dòng)盤分離實(shí)現(xiàn)緩解。其中，制動(dòng)夾鉗杠桿倍率為j= 2×L1/L2。

3.3 制動(dòng)缸

為滿足動(dòng)車和拖車的制動(dòng)力配置要求，閘片輸出力的控制通過調(diào)節(jié)制動(dòng)夾鉗杠桿倍率和采用具有內(nèi)部放大功能的制動(dòng)缸來實(shí)現(xiàn)。

制動(dòng)缸倍率調(diào)節(jié)原理如圖10所示，制動(dòng)缸內(nèi)置斜楔放大機(jī)構(gòu)，斜楔角度為α，空氣壓力（Fp）推動(dòng)活塞垂直向下運(yùn)動(dòng)，通過斜面推動(dòng)調(diào)整機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)化成水平推力 （Fk），并實(shí)現(xiàn)推力放大。其中，制動(dòng)缸斜楔放大倍率為i= 1 / tanα。當(dāng)制動(dòng)夾鉗杠桿倍率確定后，可通過調(diào)節(jié)斜楔角度對(duì)制動(dòng)倍率進(jìn)行調(diào)節(jié)，在制動(dòng)夾鉗外形接口一定的條件下提高方案配置的靈活性，此調(diào)節(jié)方式適用性強(qiáng)。

4 軸裝制動(dòng)夾鉗單元技術(shù)方案

軸裝制動(dòng)夾鉗單元基于傳統(tǒng)3點(diǎn)吊裝制動(dòng)夾鉗單元進(jìn)行設(shè)計(jì)，減小夾鉗杠桿、杠桿支架的體積和重量，設(shè)計(jì)連接吊座，體積小，重量輕，并且擁有3點(diǎn)吊裝制動(dòng)夾鉗適用性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。

軸裝停放制動(dòng)夾鉗單元由制動(dòng)夾鉗、制動(dòng)缸和停放缸組成，如圖11所示。

（1）將3點(diǎn)吊裝結(jié)構(gòu)通過連接吊座轉(zhuǎn)換成4點(diǎn)緊湊安裝接口，前吊點(diǎn)設(shè)置絕緣軸承，后吊點(diǎn)設(shè)置橡膠節(jié)點(diǎn)，此種結(jié)構(gòu)可使制動(dòng)夾鉗動(dòng)作靈活，具有良好的絕緣性。同時(shí)連接機(jī)構(gòu)具備柔性節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)，以適應(yīng)轉(zhuǎn)向架相對(duì)車軸在各方向的橫移擺動(dòng)。

（2）制動(dòng)缸內(nèi)部無放大機(jī)構(gòu)，通過制動(dòng)夾鉗杠桿倍率匹配設(shè)計(jì)，可保證所有制動(dòng)夾鉗單元輸出力統(tǒng)一。

（3）停放缸位于制動(dòng)缸下方，采用垂向組合的方式，合理利用有效空間。基于制動(dòng)力匹配需求，拖車制動(dòng)夾鉗杠桿倍率設(shè)置較低，基于低夾鉗杠桿倍率的軸裝停放制動(dòng)夾鉗裝置設(shè)計(jì)是關(guān)鍵。為使停放缸輸出力不完全受限于杠桿倍率，停放缸與制動(dòng)缸連接裝置單獨(dú)設(shè)置放大機(jī)構(gòu)。制動(dòng)缸和停放缸之間采用斜楔拉桿連接，如圖12所示，內(nèi)部放大原理同制動(dòng)缸內(nèi)部放大原理類似，當(dāng)施加停放制動(dòng)力時(shí)，停放缸活塞向下運(yùn)動(dòng)，通過斜楔拉桿推動(dòng)調(diào)整機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)化成水平運(yùn)動(dòng)，并實(shí)現(xiàn)推力放大，當(dāng)制動(dòng)夾鉗杠桿倍率確定后，可通過調(diào)節(jié)斜楔拉桿斜面角度調(diào)整停放缸輸出力的大小。

5 試驗(yàn)研究

5.1 制動(dòng)夾鉗單元試驗(yàn)

制動(dòng)夾鉗單元裝車前需完成型式試驗(yàn)及例行試驗(yàn)，試驗(yàn)方法及要求按照TB/T 3431-2015 《機(jī)車車輛制動(dòng)夾鉗單元》執(zhí)行，標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定制動(dòng)夾鉗單元的試驗(yàn)要求，包括外觀檢查、稱重、強(qiáng)度試驗(yàn)、靈敏度試驗(yàn)、密封性試驗(yàn)、一次調(diào)整量試驗(yàn)、最大調(diào)整量試驗(yàn)、緩解間隙試驗(yàn)、輸出力試驗(yàn)、手動(dòng)復(fù)位試驗(yàn)、停放缸動(dòng)作試驗(yàn)、停放缸手動(dòng)緩解試驗(yàn)、靜態(tài)傳動(dòng)效率試驗(yàn)、低溫試驗(yàn)、沖擊和振動(dòng)試驗(yàn)和疲勞試驗(yàn)等。目前，關(guān)于隨動(dòng)變軌距功能沒有相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及試驗(yàn)方法參考，本文研究制定隨動(dòng)變軌距試驗(yàn)方法及要求，包括變軌距功能試驗(yàn)、橫移復(fù)位試驗(yàn)和疲勞試驗(yàn)。

5.1.1 變軌距功能試驗(yàn)

（1）試驗(yàn)要求。列車變軌距時(shí)車輪軸向需移動(dòng)一定的距離，從準(zhǔn)軌（1 435 mm）變?yōu)閷捾墸? 520 mm）需移動(dòng)距離43.5 mm，當(dāng)車輪移動(dòng)到和隨動(dòng)裝置識(shí)別摩擦片接觸時(shí)，隨動(dòng)裝置開啟隨動(dòng)變軌距動(dòng)作，當(dāng)車輪完成變軌距動(dòng)作時(shí)，制動(dòng)夾鉗單元需繼續(xù)運(yùn)動(dòng)，直至實(shí)現(xiàn)自動(dòng)對(duì)中，隨動(dòng)變軌距過程中制動(dòng)夾鉗單元的移動(dòng)距離需符合要求，移動(dòng)阻力應(yīng)穩(wěn)定。

（2）試驗(yàn)方法。制動(dòng)夾鉗單元處于緩解狀態(tài)，將試驗(yàn)臺(tái)車輪調(diào)整至制動(dòng)夾鉗單元2個(gè)識(shí)別摩擦片中間位置，首先將車輪由寬軌位置移動(dòng)到準(zhǔn)軌位置，制動(dòng)夾鉗單元通過識(shí)別摩擦片觸發(fā)隨動(dòng)變軌距，完成隨動(dòng)變軌距動(dòng)作后仿形車輪和識(shí)別摩擦片之間應(yīng)存在間隙。然后將車輪由準(zhǔn)軌位置移動(dòng)到寬軌位置，重復(fù)上述試驗(yàn)。記錄2次隨動(dòng)變軌距過程中制動(dòng)夾鉗單元的相對(duì)位移和阻力，并判定是否合格。

5.1.2 橫移復(fù)位試驗(yàn)

（1）試驗(yàn)要求。車輛運(yùn)行轉(zhuǎn)彎或受振動(dòng)沖擊時(shí)，轉(zhuǎn)向架與車輪間會(huì)存在橫向移動(dòng)，當(dāng)隨動(dòng)裝置識(shí)別間距小于車輪橫移距離時(shí)，可觸發(fā)制動(dòng)夾鉗單元變軌距動(dòng)作，當(dāng)轉(zhuǎn)向架橫移復(fù)位時(shí)，變軌距裝置應(yīng)能自動(dòng)實(shí)現(xiàn)對(duì)中功能。

（2）試驗(yàn)方法。制動(dòng)夾鉗單元處于緩解狀態(tài)，將試驗(yàn)臺(tái)車輪調(diào)整至制動(dòng)夾鉗單元2個(gè)識(shí)別摩擦片中間位置，首先將車輪置于寬軌位置，并向右橫移距離S，車輪回位后制動(dòng)夾鉗單元能夠自動(dòng)復(fù)位，再將仿形車輪向左橫移距離S重復(fù)其試驗(yàn)，然后將仿形車輪移動(dòng)到準(zhǔn)軌位置，重復(fù)上述操作。判定制動(dòng)夾鉗單元在寬軌與準(zhǔn)軌位置左右橫移是否能夠自動(dòng)復(fù)位。

5.1.3 疲勞試驗(yàn)

隨動(dòng)變軌距可靠性需經(jīng)疲勞試驗(yàn)驗(yàn)證，列車變軌距動(dòng)作僅發(fā)生在2條不同軌距交接處，按每天進(jìn)行1次變軌距動(dòng)作、使用壽命30年計(jì)算，同時(shí)考慮運(yùn)營期間檢修情況，疲勞試驗(yàn)次數(shù)為1萬次。

5.2 裝車試驗(yàn)

將制動(dòng)夾鉗單元安裝于變軌距轉(zhuǎn)向架，除進(jìn)行常規(guī)氣密性、制動(dòng)、緩解、停放制動(dòng)、停放緩解、手動(dòng)緩解試驗(yàn)外，還需在變軌距線路上進(jìn)行變軌距試驗(yàn)，主要驗(yàn)證車輪動(dòng)態(tài)旋轉(zhuǎn)變軌距時(shí)制動(dòng)夾鉗單元是否能順利實(shí)現(xiàn)隨動(dòng)變軌距，變軌距完成后制動(dòng)夾鉗單元各項(xiàng)功能是否正常。

本文配置的方案已完成制動(dòng)夾鉗單元地面型式試驗(yàn)，并已在速度400 km/h跨國互聯(lián)互通高速動(dòng)車組進(jìn)行裝車，完成車上變軌距及相關(guān)試驗(yàn)，制動(dòng)夾鉗單元各項(xiàng)功能均正常。

6 結(jié)語

根據(jù)高速變軌距動(dòng)車組轉(zhuǎn)向架對(duì)基礎(chǔ)制動(dòng)配置要求，研制具有隨動(dòng)變軌距功能的輪裝制動(dòng)夾鉗單元和緊湊型軸裝制動(dòng)夾鉗單元，介紹隨動(dòng)變軌距試驗(yàn)要求及方法，通過裝車驗(yàn)證，證明具有隨動(dòng)變軌距功能的輪裝制動(dòng)夾鉗單元和緊湊型軸裝制動(dòng)夾鉗單元滿足轉(zhuǎn)向架變軌距性能要求。本文所研究的內(nèi)容可為解決制動(dòng)夾鉗單元安裝空間小、制動(dòng)力配置多樣性問題提供新思路，為動(dòng)車組及其他類似軌道交通車輛隨動(dòng)變軌距制動(dòng)夾鉗單元設(shè)計(jì)提供參考。