中低速磁浮交通車輛閘片試驗方法研究

董振威 崔 雷 劉 帥

(中車青島四方車輛研究所有限公司，266011，青島∥第一作者，工程師)

中低速磁浮交通車輛施加摩擦制動時，夾鉗直接夾緊F型導(dǎo)軌，通過閘片與導(dǎo)軌間的摩擦實施制動[1]，見圖1。與傳統(tǒng)盤片制動相比，中低速磁浮交通車輛沒有制動盤進(jìn)行摩擦配副，對偶間的運動型式也由傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)動相對運動變?yōu)榫€性相對運動。本文針對這種特殊的摩擦形式，提出了一種適用于中低速磁浮交通車輛閘片的試驗方法，用于驗證閘片的使用性能。

圖1 夾鉗與F型導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)

1 閘片試驗?zāi)康?/h2>

傳統(tǒng)軌道交通車輛的閘片試驗通常指摩擦磨耗性能試驗，其目的為驗證閘片的以下性能是否滿足要求：① 不允許造成制動盤的異常磨耗和損傷；② 摩擦系數(shù)位于適當(dāng)?shù)膮^(qū)間范圍；③ 磨耗量必須小于要求的上限；④ 物理力學(xué)性能、火花及噪聲等滿足要求。

對于中低速磁浮交通車輛，閘片試驗除了需要驗證上述性能，還需額外驗證以下性能：

1)閘片的低速磨耗量。車輛在中高速條件下制動時，主要采用電制動；在進(jìn)站停車過程中，當(dāng)車速達(dá)到電液轉(zhuǎn)換點時，電制動逐漸退出，轉(zhuǎn)為施加液壓摩擦制動[2]。可見，閘片在低速區(qū)段的使用頻率遠(yuǎn)高于中高速區(qū)段。此外，中低速磁浮交通車輛每次制動時，閘片和導(dǎo)軌的接觸位置和貼合程度均不一致，使得摩擦面長期處于非磨合狀態(tài)，故需單獨對低速工況下閘片的磨耗性能進(jìn)行試驗評估。

2)抗沖擊性能。中低速磁浮交通車輛的導(dǎo)軌是分段布置的，考慮熱脹冷縮的影響，在每2段導(dǎo)軌接頭處預(yù)留接縫[3]。接縫長度為0～10 mm、10～20 mm和20～40 mm等3種[4]。根據(jù)中低速磁浮軌排組裝要求，每2段F型導(dǎo)軌接縫的橫向錯位極限偏差為±1 mm(見圖2)。在制動過程中，當(dāng)閘片夾緊導(dǎo)軌通過接縫時，導(dǎo)軌的橫向錯位會對閘片產(chǎn)生沖擊(見圖3)。這種沖擊可能導(dǎo)致閘片被破壞，因此需對閘片的抗沖擊性能進(jìn)行試驗評估。

圖2 導(dǎo)軌接縫結(jié)構(gòu)

圖3 接縫沖擊示意圖

2 試驗對象設(shè)計

試驗對象包含閘片和對偶導(dǎo)軌兩部分。

傳統(tǒng)摩擦磨耗性能試驗僅需把實車使用的制動盤和閘片裝配在1∶1試驗臺上即可[5-6]。對于中低速磁浮車，實車閘片和對偶導(dǎo)軌均為線性結(jié)構(gòu)[7]，無法直接在1∶1試驗臺上裝配使用，需要針對試驗臺的工作原理和試驗需求進(jìn)行單獨設(shè)計。

2.1 對偶導(dǎo)軌設(shè)計

為了和1∶1試驗臺的回轉(zhuǎn)運動方式匹配，需要將對偶導(dǎo)軌設(shè)計為盤型結(jié)構(gòu)來替代模擬，并使其材質(zhì)與實車導(dǎo)軌保持一致。

閘片的摩擦系數(shù)和磨耗量等參數(shù)，需要在平整的盤面上進(jìn)行試驗；閘片的抗沖擊性能參數(shù)需要在有接縫和橫向錯位的盤面上進(jìn)行試驗。

基于以上考慮，將模擬盤設(shè)計為圖4所示結(jié)構(gòu)。每個模擬盤由盤主體、嵌入塊和連接螺栓組成。

圖4 模擬盤結(jié)構(gòu)

盤主體采用大直徑環(huán)形結(jié)構(gòu)，其中一段環(huán)向角度為60°的區(qū)域(以下簡為“60°段”)進(jìn)行了開槽處理，用于與嵌入塊配合。此外，盤主體在60°段開槽的一側(cè)，額外設(shè)計1段淺槽，來模擬2段導(dǎo)軌間的接縫，見圖5。

圖5 盤主體結(jié)構(gòu)

嵌入塊為1段環(huán)向角度為60°的環(huán)塊。通過改變摩擦面的形狀，可得到適用于不同試驗的嵌入塊。

常規(guī)試驗和低速磨耗試驗使用平面型嵌入塊。這種嵌入塊的摩擦面設(shè)計為平面。裝配到盤主體后，嵌入塊摩擦面與盤主體摩擦面等高，見圖6。

圖6 平面型嵌入塊

在抗沖擊試驗中使用的螺旋型嵌入塊(見圖7)。其摩擦面設(shè)計為螺旋結(jié)構(gòu)。嵌入塊裝配到盤主體后，摩擦面遠(yuǎn)離軌縫的一端與盤主體摩擦面等高，靠近軌縫的一端高出盤主體摩擦面，可模擬實際接縫的橫向錯位。

圖7 螺旋型嵌入塊

此外，還可以通過調(diào)整沖擊塊軌縫一側(cè)的尺寸，設(shè)計不同臺階高度和不同的軌縫寬度。

盤主體和嵌入塊在軌縫位置均進(jìn)行倒角處理，模擬實際導(dǎo)軌在接縫處的倒角。

2.2 閘片設(shè)計

在1∶1試驗臺試驗中，閘片與模擬盤之間做轉(zhuǎn)動相對運動。為保證試驗閘片的摩擦受力方向與實際的受力方向一致，將試驗閘片摩擦體設(shè)計為弧形結(jié)構(gòu)，以適應(yīng)模擬盤的旋轉(zhuǎn)運動(見圖8)。

a)實車線性摩擦體

2.3 模擬盤和閘片匹配方式

模擬盤和閘片在設(shè)計完成后，借助既有標(biāo)準(zhǔn)的機(jī)車車輪作為試驗工裝，在1∶1試驗臺上進(jìn)行安裝配合。

模擬盤設(shè)計為輪盤結(jié)構(gòu)。根據(jù)不同的試驗流程，在車輪兩側(cè)的模擬盤上裝配不同的嵌入塊。

在常規(guī)試驗和低速磨耗試驗時，兩側(cè)的模擬盤均裝配平面型嵌入塊。

抗沖擊試驗包含有沖擊試驗和無沖擊試驗。在無沖擊試驗中，車輪兩側(cè)的模擬盤均裝配平面型嵌入塊；在有沖擊試驗中，車輪一側(cè)的模擬盤裝配平面型嵌入塊，另一側(cè)模擬盤裝配螺旋型嵌入塊。

3 試驗流程設(shè)計

目前，城市軌道交通車輛、動車組及交流傳動機(jī)車等軌道交通車輛均出臺了相關(guān)的閘片標(biāo)準(zhǔn)，但并不適用于中低速磁浮交通車輛。本文針對中低速磁浮交通車輛特有的制動要求和特性，設(shè)計了1套閘片摩擦磨耗性能試驗流程。該試驗流程包含常規(guī)試驗、低速磨耗試驗和抗沖擊試驗等3部分。

3.1 常規(guī)試驗

常規(guī)試驗的主要目的為驗證閘片在不同速度、不同夾緊力及不同干濕環(huán)境下的摩擦系數(shù)和磨耗量是否滿足要求。

常規(guī)試驗包含最大常用制動、緊急制動及持續(xù)制動等車輛常用制動工況。在試驗過程中，需實時記錄環(huán)境溫度、濕度、閘片壓力、初始速度、制動時間、制動距離、摩擦系數(shù)、制動盤溫度及磨耗量等參數(shù)。常規(guī)試驗流程見表1。

表1 常規(guī)試驗流程

3.2 低速磨耗試驗

低速磨耗試驗的目的為驗證閘片在低速停車條件下的磨耗量。

列車進(jìn)站停車的電液轉(zhuǎn)換速度通常為8 km/h左右。若采用此速度進(jìn)行模擬，則每一閘的制動能量過低，且需要試驗臺反復(fù)加速減速并施加速度控制，使試驗過程復(fù)雜低效。由于從8 km/h減速至0的速度跨度較小，且速度變化對磨耗量的影響較小，因此，將停車制動工況優(yōu)化為8 km/h持續(xù)1 min，并采用3級制動力，以加速閘片磨耗，提高試驗效率。試驗共制動120次，且每制動20次就停機(jī)觀察閘片和盤表面狀態(tài)，測量閘片磨耗量(共觀察測量6組數(shù)據(jù))。

假定3級制動的停車減速度為0.5 m/s2，則車輛從初速度v0=8 km/h制動至停車所需時間為4.4 s，低速磨耗制動總制動時間設(shè)定為120 min，則相當(dāng)于單對閘片施加1 636次制動，以北京市郊鐵路城市副中心線(以下稱為“S1線”)中低速磁浮車的發(fā)車間隔和運營時間為參照，單輛車單日停站次數(shù)約230次，則整個低速磨耗試驗流程約等效于車輛運行7天的單對閘片制動次數(shù)。

3.3 抗沖擊試驗

抗沖擊試驗的目的是測量車輛通過軌道接縫時，閘片承受的沖擊載荷。試驗過程中需實時記錄夾鉗的制動扭矩，從而計算得到閘片承受的沖擊載荷。試驗包含有沖擊試驗和無沖擊試驗兩部分。

有沖擊試驗采用持續(xù)制動。考慮到高速沖擊可能對試驗設(shè)備造成的破壞，試驗從v0=10 km/h的低速開始，逐漸增加速度，直至測得的扭矩峰值達(dá)到試驗臺允許的最大值或閘片被破壞。制動力選擇小級位B3和大級位B7。制動過程中，需監(jiān)測并計算得到夾鉗在固定速度下的平均沖擊扭矩。

無沖擊試驗制動工況和有沖擊試驗相同，其目的是為有沖擊試驗提供參照和扭矩計算依據(jù)。在制動過程中，監(jiān)測并計算得到夾鉗的平均扭矩。

單個閘片承受的沖擊載荷F為：

F=(M1-M2/2)/R

式中：

M1——有沖擊試驗平均沖擊扭矩；

M2——無沖擊試驗平均扭矩；

R——制動半徑。

具體試驗流程見表2。

表2 抗沖擊試驗流程

4 結(jié)語

本文總結(jié)了中低速磁浮交通車輛閘片試驗在低速磨耗性能和抗沖擊性能方面的特殊需求；提出了中低速磁浮交通車輛閘片試驗專用的模擬盤和閘片設(shè)計方法，以及針對不同試驗流程的匹配方法；設(shè)計了適用于中低速磁浮交通車輛閘片專用的摩擦磨耗試驗流程，涵蓋了對閘片一般性能、低速磨耗性能和抗沖擊性能的驗證方法。