中低速磁浮列車基礎(chǔ)制動(dòng)裝置制動(dòng)效率的影響因素

廖志堅(jiān) 徐少亭 李 龍 古龍瑞

(中車制動(dòng)系統(tǒng)有限公司制動(dòng)事業(yè)部,266031,青島∥第一作者,工程師)

基礎(chǔ)制動(dòng)裝置作為制動(dòng)系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu),對(duì)城市軌道交通列車制動(dòng)系統(tǒng)的整體性能有著重要的影響。對(duì)于中低速磁浮列車及有軌電車等,受安裝空間及車體質(zhì)量等因素的影響,其基礎(chǔ)制動(dòng)裝置多采用無(wú)間隙調(diào)整機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu),相應(yīng)的制動(dòng)輸出效率會(huì)受制動(dòng)缸壓力及一次動(dòng)作行程等多重因素的影響。從產(chǎn)品結(jié)構(gòu)原理分析來(lái)看,無(wú)間隙調(diào)整機(jī)構(gòu)基礎(chǔ)制動(dòng)裝置輸出的制動(dòng)力與輸入壓力間呈非線性關(guān)系。這給提高制動(dòng)系統(tǒng)的控制精度帶來(lái)一定難度,進(jìn)而影響制動(dòng)控制策略和邏輯。

對(duì)于中低速磁浮列車所采用的無(wú)間隙調(diào)整機(jī)構(gòu)基礎(chǔ)制動(dòng)裝置,我國(guó)目前尚缺乏相關(guān)研究。為了更好地提高制動(dòng)系統(tǒng)性能,本文以某中低速磁浮列車的無(wú)間隙調(diào)整機(jī)構(gòu)基礎(chǔ)制動(dòng)裝置為對(duì)象,基于試驗(yàn)臺(tái)及現(xiàn)車測(cè)試數(shù)據(jù),研究其制動(dòng)效率的影響因素及制動(dòng)特性。

1 基礎(chǔ)制動(dòng)裝置的工作原理

基礎(chǔ)制動(dòng)按作用方式可分為踏面制動(dòng)和盤形制動(dòng),按制動(dòng)力傳遞介質(zhì)可分為氣壓制動(dòng)和液壓制動(dòng)。某中低速磁浮列車的無(wú)間隙調(diào)整機(jī)構(gòu)基礎(chǔ)制動(dòng)裝置采用氣-液轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu),由空氣加力泵和液壓夾鉗組成,通過(guò)空氣加力泵將空氣壓力轉(zhuǎn)換成液壓油的油壓,由液壓夾鉗將油壓轉(zhuǎn)換成機(jī)械推力(即閘片壓力)。

空氣加力泵為氣-液轉(zhuǎn)換部件,由氣缸和油缸兩部分組成。氣缸活塞與油缸活塞固定連接,氣缸內(nèi)部裝有活塞復(fù)位彈簧。空氣加力泵結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 空氣加力泵結(jié)構(gòu)示意簡(jiǎn)圖

液壓夾鉗主要包括外側(cè)杠桿、內(nèi)側(cè)杠桿、液壓缸及閘片等部件,是制動(dòng)系統(tǒng)的最終執(zhí)行機(jī)構(gòu)。液壓夾鉗結(jié)構(gòu)如圖2所示。液壓缸結(jié)構(gòu)如圖3所示。液壓缸內(nèi)部設(shè)有活塞、活塞桿及活塞復(fù)位彈簧等。受安裝空間、質(zhì)量等限制,該液壓夾鉗結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,無(wú)閘片間隙調(diào)整機(jī)構(gòu)。

圖2 液壓夾鉗結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 液壓缸結(jié)構(gòu)示意圖

該基礎(chǔ)制動(dòng)裝置中,空氣加力泵的氣液轉(zhuǎn)換倍率為18,液壓缸活塞直徑為40 mm,液壓缸工作行程≥70 mm,液壓缸最高工作壓力為10.0 MPa,液壓缸充入0.3 MPa液壓油時(shí)的活塞桿動(dòng)作量≥30 mm,閘片的最大磨耗厚度為8 mm[1]。

在施加制動(dòng)時(shí),空氣加力泵利用輸入的壓縮空氣,通過(guò)氣轉(zhuǎn)液結(jié)構(gòu)輸出高壓液壓油;高壓液壓油通過(guò)油路充入液壓夾鉗的液壓缸;液壓缸內(nèi)部活塞桿伸出,推動(dòng)液壓夾鉗的內(nèi)側(cè)杠桿與外側(cè)杠桿動(dòng)作;與內(nèi)外側(cè)杠桿連接的閘片托貼靠軌道,使安裝在閘片托上的閘片夾緊軌道制動(dòng)面,進(jìn)而產(chǎn)生制動(dòng)力。

在緩解制動(dòng)時(shí),在空氣加力泵和液壓缸各自的復(fù)位彈簧作用下,二者內(nèi)部活塞回退復(fù)位,閘片與軌道分離,實(shí)現(xiàn)緩解。

2 影響因素

2.1 影響因素的理論分析

液壓夾鉗的閘片壓力為:

F=(P1iη1d2π/4-f)γη2

(1)

式中:

F——閘片壓力;

P1——空氣壓力;

i——?dú)狻⒁恨D(zhuǎn)換放大倍率;

η1——?dú)狻⒁恨D(zhuǎn)換效率;

d——液壓缸活塞直徑;

f——液壓缸阻力;

γ——夾鉗杠桿倍率;

η2——夾鉗靜態(tài)傳動(dòng)效率。

由于該基礎(chǔ)制動(dòng)裝置采用氣轉(zhuǎn)液結(jié)構(gòu),故相對(duì)純空氣和純液壓形式的制動(dòng)機(jī)構(gòu),該制動(dòng)裝置力的轉(zhuǎn)換及傳遞路徑相對(duì)復(fù)雜。

在閘片厚度不變的情況下,由于液壓油存在難以壓縮的特性,故可認(rèn)為不同空氣壓力下的空氣加力泵和液壓夾鉗活塞行程不變。此時(shí),空氣加力泵和液壓夾鉗的內(nèi)部阻力(復(fù)位彈簧力及內(nèi)部摩擦力)基本保持不變。因此,空氣壓力越大,制動(dòng)輸出力越大,整個(gè)基礎(chǔ)制動(dòng)裝置內(nèi)部阻力占制動(dòng)輸出力的比例就越小,相應(yīng)的制動(dòng)效率就越高。

對(duì)于不同磨耗厚度的閘片,液壓夾鉗無(wú)閘片間隙調(diào)整機(jī)構(gòu),因此,在同一空氣壓力下,若閘片磨耗越多,則空氣加力泵和液壓夾鉗內(nèi)部活塞桿的運(yùn)動(dòng)行程越大,空氣加力泵和液壓夾鉗的復(fù)位彈簧力就越大,整個(gè)基礎(chǔ)制動(dòng)裝置的制動(dòng)輸出力就越小,制動(dòng)效率就越低。

綜上分析可知,同一閘片厚度下,空氣壓力越小,空氣加力泵與液壓夾鉗的轉(zhuǎn)換效率就越低;同一空氣壓力下,閘片磨耗越多,液壓夾鉗的轉(zhuǎn)換效率就越低。可見(jiàn),該基礎(chǔ)制動(dòng)裝置制動(dòng)效率主要受空氣壓力及閘片磨耗量等因素影響。

2.2 制動(dòng)效率所受影響的試驗(yàn)研究

在AW0(空載)工況下,分別采用新閘片和磨耗閘片(摩擦體磨耗厚度約為允許磨耗厚度的2/3),對(duì)不同制動(dòng)級(jí)位下的制動(dòng)輸出效率進(jìn)行試驗(yàn)研究。每個(gè)制動(dòng)級(jí)位各進(jìn)行3次試驗(yàn),采集空氣加力泵的空氣壓力P1、液壓缸的油壓P2和閘片壓力F等數(shù)據(jù)。試驗(yàn)測(cè)得的數(shù)據(jù)平均值見(jiàn)表1。

表1 試驗(yàn)測(cè)得的數(shù)據(jù)平均值

為了研究該基礎(chǔ)制動(dòng)裝置在不同制動(dòng)級(jí)位下的制動(dòng)效率,定義空氣加力泵效率因數(shù)α=1 000P2/P1,液壓夾鉗效率因數(shù)β=F/P2,整個(gè)基礎(chǔ)制動(dòng)裝置效率因數(shù)δ=1 000F/P1。計(jì)算可得各制動(dòng)級(jí)位下的α、β、δ如表2所示。

表2 各制動(dòng)級(jí)位下的α、β、δ值統(tǒng)計(jì)表

對(duì)于新閘片,α、β、δ隨制動(dòng)級(jí)位的變化曲線如圖4所示。

圖4 新閘片α、β、δ隨制動(dòng)級(jí)位的變化曲線

從圖4可以看出,制動(dòng)級(jí)位越大,液壓夾鉗、空氣加力泵轉(zhuǎn)換效率越高,整個(gè)基礎(chǔ)制動(dòng)裝置的輸出效率越高。同時(shí),制動(dòng)級(jí)位越大,基礎(chǔ)制動(dòng)裝置的輸出效率變化越小,越趨于穩(wěn)定。

從表2中α的數(shù)據(jù)可以看出,在同一制動(dòng)級(jí)位下,新閘片下空氣加力泵的效率高于磨耗閘片下空氣加力泵的效率。

為了進(jìn)一步研究更低空氣壓力下新閘片和磨耗閘片對(duì)制動(dòng)效率的影響,通過(guò)調(diào)整試驗(yàn)臺(tái)AW0工況下各制動(dòng)級(jí)位的空氣壓力來(lái)進(jìn)行試驗(yàn),得到不同制動(dòng)級(jí)位下的P1及P2平均值如表3所示。

表3 試驗(yàn)臺(tái)測(cè)得的不同制動(dòng)級(jí)位下的P1及P2平均值

依據(jù)表3數(shù)據(jù),不同磨耗閘片下α值隨制動(dòng)級(jí)位的變化曲線如圖5所示。

圖5 不同磨耗閘片下α值隨制動(dòng)級(jí)位的變化曲線

從圖5可見(jiàn),制動(dòng)級(jí)位越大,閘片磨耗對(duì)制動(dòng)效率影響越小;隨著制動(dòng)級(jí)位的增大,閘片磨耗對(duì)制動(dòng)效率的影響逐漸減小。

3 結(jié)語(yǔ)

對(duì)于無(wú)間隙調(diào)整機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)制動(dòng)裝置,空氣壓力及閘片磨耗對(duì)基礎(chǔ)制動(dòng)裝置制動(dòng)效率有明顯影響,影響特性結(jié)論如下:

1) 同一工況下,空氣壓力越小,閘瓦/閘片的磨耗量越大,制動(dòng)效率越低。此外,對(duì)于本文所研究的基礎(chǔ)制動(dòng)裝置,在同樣閘片磨耗量下,當(dāng)?shù)陀贐2制動(dòng)級(jí)位時(shí)(AW0),制動(dòng)效率的降低更為明顯。因此,在進(jìn)行制動(dòng)控制時(shí),為提高制動(dòng)系統(tǒng)的控制精度,有必要在不同的空氣壓力下,采用不同的制動(dòng)效率參數(shù),而且在進(jìn)行各制動(dòng)級(jí)位下的空氣壓力值設(shè)定時(shí)應(yīng)選取合適的壓力值。比如,本文中的對(duì)象應(yīng)盡量避免各制動(dòng)級(jí)位下的空氣壓力值低于B2制動(dòng)級(jí)位下的空氣壓力值。

2) 同一工況下,空氣壓力越小,閘片的磨耗對(duì)制動(dòng)效率的影響越大,表現(xiàn)出來(lái)的即空氣壓力越小,分別采用新閘片和磨耗閘片時(shí),制動(dòng)力的離散程度越大。對(duì)于本文所研究的基礎(chǔ)制動(dòng)裝置,同樣的,應(yīng)盡量避免各級(jí)位下的空氣壓力值低于B2制動(dòng)級(jí)位下的空氣壓力值。

針對(duì)上述影響特性提出以下建議:

1) 進(jìn)行基礎(chǔ)制動(dòng)裝置設(shè)計(jì)時(shí),合理選擇彈簧參數(shù)、制動(dòng)倍率等參數(shù),并優(yōu)化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)降低摩擦阻力,從而降低內(nèi)部阻力對(duì)制動(dòng)輸出力的影響效果,使制動(dòng)輸入壓力與制動(dòng)輸出效率盡量處于線性區(qū)間。

2) 進(jìn)行閘瓦/閘片設(shè)計(jì)時(shí),合理選取閘瓦/閘片的摩擦因數(shù)、磨耗量等參數(shù),盡量減小閘瓦/閘片磨耗量對(duì)制動(dòng)效率的影響。

3) 進(jìn)行制動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí),注意結(jié)合基礎(chǔ)制動(dòng)裝置本身特性,合理設(shè)定各制動(dòng)級(jí)位下的制動(dòng)壓力,盡量減小空氣壓力和閘瓦/閘片磨耗量對(duì)制動(dòng)效率的影響,降低各制動(dòng)級(jí)位下制動(dòng)力的離散性,提高制動(dòng)控制精度。