一種基于純電制動系統的鐵路貨車多功能電制動缸研制

丁 穎 ,王洪昆 ,曾德涼 ,張金發 ,涂智文

(1.國能鐵路裝備有限責任公司,北京 100000;2.中車長江集團科技分公司,湖北 武漢 430212)

制動系統作為鐵路貨車的重要組成部分,其技術狀態直接影響到車輛運行安全。隨著鐵路重載運輸的進一步發展,對車輛制動性能的要求越來越高[1],純電制動技術已作為一種解決方案正在研究當中。而制動缸作為制動系統的關鍵部件之一,其性能的優劣對制動系統的可靠性影響極大[2]。在現有鐵路貨車制動技術中,為保證空氣制動缸的密封可靠性,需要經常進行檢修,否則將導致制動缸漏泄故障。

為保持在運用后制動缸活塞行程不隨車輪、閘瓦等磨耗而增大,基礎制動裝置一般需采用閘瓦間隙調整器(以下簡稱閘調器),這樣會導致系統結構復雜,同時由于運用后制動杠桿角度發生偏轉,車輛各相關部件剛度、間隙產生變化,即使有閘調器的作用,制動缸活塞行程也會產生一定程度的變化[3],使得車輛制動力一致性難以保證,給列車運行特別是長大下坡道運行造成安全隱患。為使空氣制動缸活塞在緩解時能夠復位,還設置有復位彈簧[4],但復位彈簧會對制動缸推力產生較大反力,從而降低制動效率。另外,現有貨車加裝了人力制動裝置,以保證長時間停車時車輛也能停駐,但人力制動裝置存在需人工操作、現場工作量大、易出現誤操作等缺點。

為了解決上述空氣制動缸存在的問題,同時配套重載列車電制動系統研發,本文提出了一種多功能電制動缸,旨在徹底解決制動缸漏泄問題,簡化基礎制動結構,提高制動缸緩解性能、作用可靠性及制動力一致性。

1 電制動缸主要結構及工作原理

1.1 主要結構

電制動缸是借鑒電動缸在工業領域大范圍應用的成熟經驗,如升降臺、機械自動化生產線及壓裝設備等,以取代功能單一的空氣制動缸,產生制動力,達到車輛調速、停車及駐車的目的,適用于采用電制動系統的軌道車輛[5]。

多功能電制動缸主要由直流伺服電機、缸蓋、缸體、蝸輪、蝸桿、螺桿、轉換螺母、外套、伸縮桿及螺桿頭等組成,如圖1、圖2所示。

圖1 多功能電制動缸

圖2 多功能電制動缸三維示意圖

缸蓋與缸體左側通過螺栓連接,外套與缸體右側通過螺紋連接。螺桿置于缸體與外套形成的空腔內,螺桿中部擋肩左側設有蝸輪,螺桿右端帶梯形螺紋并與轉換螺母通過螺紋相連。伸縮桿為中空結構,左端置于外套空腔內,并與轉換螺母相連,右端從外套伸出并與螺桿頭相連。蝸輪置于缸體中央大空腔內,蝸輪通過擋鍵與螺桿連接。蝸桿置于缸體左側空腔內,中部與蝸輪通過齒相連,并從缸體左側腔體的頂部伸出。直流伺服電機轉軸從下方伸出置于蝸桿上端桿內孔中,并通過鍵與蝸桿相連。直流伺服電機轉軸除從電機下方伸出外,也從電機上方伸出。蝸桿頭數為1,以增加結構單向自鎖性。

多功能電制動缸具備自動制動、自動緩解、電控手動制動、電控手動緩解、機械手動制動、機械手動緩解、自動駐車、自動調整閘瓦間隙等功能,通過伺服電機確保輸出力穩定準確,以取消傳統閘調器。利用蝸輪、蝸桿單向自鎖特性實現自動駐車功能,利用雙向伸出轉軸,實現自動及機械手動操作功能。通過設置在車輛上的按鈕與驅動器,可電控手動制動及緩解,以利于現場換瓦作業。

為保證配件強度,鑄件均采用C 級鋼;考慮減摩性,蝸輪及轉換螺母均采用鋁青銅材料;為提高配件防塵、防水性能,密封件采用耐油耐寒橡膠;為防止鋼與鋼的對磨,伸縮桿的支承件采用改性尼龍材料。

1.2 工作原理

制動缸采用直流電驅動伺服電機,電機旋轉驅動蝸桿,進而驅動與蝸桿相嚙合的蝸輪,再由蝸輪帶動內部的螺桿轉動,螺桿上的轉換螺母沿著螺桿的方向前后移動,伸縮桿與轉換螺母為一體,在轉換螺母的推動下相對于筒體前后伸縮運動,從而實現將電機的旋轉運動轉換成直線運動。

伺服電機的轉軸從電機兩端伸出,以保證電制動缸在電機失電的情況,亦可手動實施制動及緩解[6]。利用蝸輪蝸桿單向自鎖特性,即只能蝸桿驅動蝸輪,蝸輪不能驅動蝸桿,實現自動駐車及制動保壓功能。

2 主要技術參數的確定

2.1 適用環境溫度

國內空氣制動系統運用環境溫度為-40～+40℃,110℃、3 h恢復常溫能正常作用;部件應滿足-50～+70℃運用要求。基于此,適應環境溫度設定為-50～+70℃,110℃、3 h恢復常溫能正常作用[7]。

2.2 重車緊急制動輸出力

以制動能力符合《鐵路技術管理規程》及TB/T 1407.1—2018《列車牽引計算 第1部分:機車牽引式列車》的相關規定進行核算。國內305 mm 空氣制動缸在制動缸壓力420 kPa、效率100%時提供的輸出力為30.67 kN。以車輛倍率7.8、轉向架倍率4考慮,同時電制動缸布置于車體的制動杠桿中部,則此時對應的電制動缸輸出力為60.57 kN。經取整,電制動缸重車緊急制動輸出力取不小于60 kN。

2.3 工作行程

國內空氣制動缸全行程普遍為254 mm,以車輛倍率7.8、轉向架倍率4考慮,同時電制動缸布置于車體的制動杠桿中部[8],此時電制動缸對應國內空氣制動缸全行程的行程應為254×2×4÷(7.8+2×4)=129 mm。

由于電制動缸集成了閘調器功能,工作行程還應考慮車輪與閘瓦磨耗的影響。根據車輪閘瓦磨耗限度,車輪允許磨耗為27 mm,閘瓦允許磨耗為25 mm,輪瓦總磨耗為52 mm。則輪瓦磨耗引起的行程變化量為52×7.8×2×4÷(7.8+2×4)=205 mm。綜上,經取整并預留一定制動能力提升空間,電制動缸的工作行程取350 mm。

3 主要技術參數及基本尺寸

多功能電制動缸的基本尺寸為:最短安裝長度為1 110 mm,外套直徑為80 mm,缸體內徑為176 mm,蝸桿渦輪中心距為100 mm,主要技術參數如表1所示。

表1 電制動缸主要技術參數

4 技術特點

多功能電制動缸主要有以下特點:

(1) 采用電驅動,無需壓力空氣,徹底解決了傳統空氣制動缸漏泄故障。

(2) 采用伺服電機控制輸出力,制動力輸出穩定可靠,避免了傳統空氣制動缸輸出力不穩定的問題。

(3) 制動、緩解雙向驅動,解決了傳統空氣制動缸制動力與緩解力相互制約問題,緩解性能好。

(4) 無氣動密封要求,檢修周期更長。

(5) 集成自動駐車、自動調整閘瓦間隙功能,基礎制動系統結構簡單,列檢作業量少,可靠性高。

(6) 具有自動、手動制動緩解功能,可適應多種應用工況。

5 結束語

本文研制的多功能電制動缸采用具有精準輸出能力的伺服直流電機以及具有單向自鎖特性的蝸輪蝸桿傳動結構,實現了多功能、高集成、準輸出設計,耗能清潔,節約能源,符合我國碳達峰碳中和發展戰略,可為鐵路貨車電制動系統設計提供關鍵技術支撐。