軌道交通中閘瓦托結(jié)構(gòu)分析和研究

王 振，韓曉輝，趙 屹，張慶爽，張思遠(yuǎn)

（中國(guó)鐵道科學(xué)研究院 機(jī)車車輛研究所，北京100081）

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，城市人口的不斷增加，軌道交通作為有效緩解交通壓力的運(yùn)輸型式也得到了迅猛的發(fā)展。盡管電制動(dòng)技術(shù)發(fā)展已經(jīng)比較成熟，但是基礎(chǔ)制動(dòng)作為軌道交通中最后一道制動(dòng)保障系統(tǒng)，為保證乘客的生命安全，等待救援發(fā)揮著非常重要的作用。

基礎(chǔ)制動(dòng)單元是制動(dòng)系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，而根據(jù)其機(jī)構(gòu)的不同可以分為踏面制動(dòng)單元和夾鉗制動(dòng)單元，由于目前大部分的地鐵設(shè)計(jì)速度都是低于80km／h，所以在城市軌道車輛制動(dòng)系統(tǒng)中的基礎(chǔ)制動(dòng)采用踏面制動(dòng)單元就成了首選。踏面基礎(chǔ)制動(dòng)單元型式多種多樣，有橫體結(jié)構(gòu)、直體結(jié)構(gòu)等多種結(jié)構(gòu)，其制動(dòng)原理就是將車輛的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為閘瓦與車輪的摩擦熱能，而作為摩擦副的閘瓦安裝在閘瓦托上，所以將空氣壓力轉(zhuǎn)變成摩擦力的執(zhí)行機(jī)構(gòu)是閘瓦托，因而閘瓦托材質(zhì)以及結(jié)構(gòu)的研究就會(huì)是非常必要的。

1 閘瓦托主要結(jié)構(gòu)

目前城市軌道中常用的閘瓦托，從成形方法上分類主要有板材焊接成型和鑄造成型兩種結(jié)構(gòu)；從適應(yīng)車型上主要有A型車用閘瓦托和B型車用閘瓦托。下面逐一介紹常用的閘瓦托結(jié)構(gòu)：

圖1的閘瓦托應(yīng)用于北京地鐵13號(hào)線、八通線以及天津?yàn)I海地鐵等，閘瓦托是一個(gè)焊接件，主要結(jié)構(gòu)用7mm厚的Q235-A鋼板焊接而成；圖2的閘瓦托應(yīng)用于大連EMD機(jī)車和后期城軌新B型車，為了增強(qiáng)其整體的穩(wěn)定性，閘瓦托采用鑄造而成；圖3的閘瓦托應(yīng)用于廣州地鐵1、2、8號(hào)線以及上海地鐵線，同樣為了適應(yīng)A型車的要求，閘瓦托采用鑄造而成。

圖1 板材焊接結(jié)構(gòu)閘瓦托結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 鑄造成型結(jié)構(gòu)機(jī)車、B型車閘瓦托結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 鑄造成型結(jié)構(gòu)A型車閘瓦托結(jié)構(gòu)示意圖

2 閘瓦托結(jié)構(gòu)以及功能研究

從上面3種閘瓦托的結(jié)構(gòu)分析可以看出，閘瓦托主要有閘瓦托弧板、閘瓦托支撐側(cè)板、閘瓦釬、閘瓦釬卡銷、閘瓦托導(dǎo)槽、閘瓦托調(diào)整部分等組成，下面針對(duì)閘瓦托的主要組成部分論述其作用及功用，并詳細(xì)分析每一種閘瓦托結(jié)構(gòu)和功能上的差異。

閘瓦托弧板是閘瓦和閘瓦托的安裝結(jié)合面，也是將制動(dòng)單元的空氣壓力轉(zhuǎn)化為摩擦力的部分?；“宓幕《扔蛇x定閘瓦的背板弧度決定，背板弧度主要是由車輪的直徑計(jì)算決定，但是弧板弧度的設(shè)計(jì)會(huì)比經(jīng)過(guò)計(jì)算得出的閘瓦托半徑略小一些，預(yù)留一定的彈性變形量以保證閘瓦與車輪能夠結(jié)合的比較好。

閘瓦托側(cè)板是由兩塊結(jié)構(gòu)完全相同的平板組成，其作用是支撐閘瓦托弧板，在整個(gè)閘瓦托結(jié)構(gòu)中起著非常重要的支撐作用，制動(dòng)單元經(jīng)過(guò)力學(xué)放大產(chǎn)生的制動(dòng)作用力將全部經(jīng)過(guò)這兩塊板作用到車輪上，所以其厚度的不同主要取決于閘瓦托所承受的作用力。側(cè)板的另一項(xiàng)作用是將缸體和閘瓦托連接起來(lái)，完成閘瓦托的伸出和縮回動(dòng)作，這個(gè)作用主要是通過(guò)側(cè)板的旋轉(zhuǎn)孔實(shí)現(xiàn)。

閘瓦釬是將閘瓦和閘瓦托能夠固定在一起的彈性?shī)A緊部件，為了增加其彈性強(qiáng)度，閘瓦釬一般采用高碳合金鋼，例如65Mn，60Cr2Mn等，同時(shí)為了在狹小的空間有足夠的、穩(wěn)定的彈性強(qiáng)度，閘瓦釬會(huì)設(shè)計(jì)成弓形。

閘瓦釬定位銷是用來(lái)防止閘瓦釬在車輛運(yùn)行的過(guò)程中受到振動(dòng)和沖擊而脫落設(shè)計(jì)的，其端部有一個(gè)卡銷，同時(shí)也是保證其自身在車輛運(yùn)行中不會(huì)滑出定位孔，這樣的雙重保險(xiǎn)設(shè)計(jì)可以大大避免事故的發(fā)生。由于閘瓦銷的作用只是吊掛，不承受大作用力，所以其材質(zhì)一般采用45鋼。

閘瓦釬導(dǎo)槽有兩個(gè)基本的功能，一方面是用于在閘瓦釬穿入時(shí)的導(dǎo)向作用，另一方面限制閘瓦和閘瓦托產(chǎn)生較大的橫向竄動(dòng)。由于閘瓦釬是靠自身的彈性將閘瓦和閘瓦托進(jìn)行連接，這樣當(dāng)制動(dòng)單元進(jìn)行剎車制動(dòng)時(shí)，同時(shí)如果車輛在彎道上行駛，那么閘瓦可能會(huì)受到高約8kN的橫向力，所以很容易造成閘瓦和閘瓦托的橫向錯(cuò)位。為了防止發(fā)生錯(cuò)位，閘瓦釬設(shè)計(jì)時(shí)要進(jìn)行合理的寬度計(jì)算，使其既能順利通過(guò)，又能達(dá)到限制錯(cuò)位的功能。

閘瓦托調(diào)整部分是閘瓦托設(shè)計(jì)的核心，是用于調(diào)整閘瓦托運(yùn)動(dòng)軌跡的部件，所以筆者將就各種閘瓦托的該部分進(jìn)行深入的講解說(shuō)明。由于閘瓦托的軌跡要繞著缸體固定軸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，其軌跡是一段弧線。如果沒(méi)有調(diào)整部分，那么閘瓦就會(huì)是一段更大的弧線，這樣接觸車輪的瞬間，會(huì)是閘瓦的某一部分接觸，長(zhǎng)此以往閘瓦會(huì)產(chǎn)生磨耗不均勻。而增加調(diào)整部分的作用就是要讓閘瓦的弧形運(yùn)動(dòng)，變成閘瓦平行的移動(dòng)，這樣將很好的貼合車輪。如圖4、圖5。

圖4 帶有調(diào)整部分的閘瓦托運(yùn)動(dòng)軌跡

圖5 沒(méi)有調(diào)整部分的閘瓦托運(yùn)動(dòng)軌跡

從圖4、圖5可以看出，如果沒(méi)有調(diào)整機(jī)構(gòu)，閘瓦托在制動(dòng)時(shí)總是一端先接觸車輪，這樣就會(huì)造成嚴(yán)重的閘瓦偏磨。正是為了防止發(fā)生閘瓦偏磨，閘瓦托設(shè)計(jì)了調(diào)整機(jī)構(gòu)，下面就幾種典型的結(jié)構(gòu)進(jìn)行說(shuō)明：

（1）閘瓦托調(diào)整類型1（圖6）

圖6 閘瓦托調(diào)整部分組成圖

該結(jié)構(gòu)采用“Ω”形簧2和“V”形簧1以及滑塊3相結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)閘瓦托4的平行移動(dòng)的。當(dāng)閘瓦托4向前運(yùn)動(dòng)時(shí)，絲杠的端面會(huì)沿著滑塊3的平面進(jìn)行上下移動(dòng)，這時(shí)“V”形簧1的作用是保證絲杠的端面與滑塊3的平面緊密貼合，而“Ω”形簧2是調(diào)整滑塊與閘瓦托通過(guò)“U”形面緊密貼合，最終使得閘瓦托上下擺動(dòng)時(shí)會(huì)受到“Ω”形簧2的彈性限制，使得閘瓦托和絲杠會(huì)在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中一直處于垂直狀態(tài)，從而保證了閘瓦托制動(dòng)緩解過(guò)程的平行移動(dòng)。

（2）閘瓦托調(diào)整類型2（圖7）

圖7 閘瓦托調(diào)整部分組成圖

圖8 彈性摩擦面組成圖

該機(jī)構(gòu)采用的是圓形螺桿頭3結(jié)合彈性摩擦面來(lái)實(shí)現(xiàn)的，這種結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)時(shí)考慮的是仿生結(jié)構(gòu)，模仿了人的手掌和手臂的連接，圓形螺桿頭3猶如手關(guān)節(jié)，可以實(shí)現(xiàn)閘瓦托4在垂向上有一定的擺動(dòng)，以利于更好的與車輪貼合。而閘瓦托側(cè)板2（圖8）和閘瓦托活動(dòng)吊桿軸5的彈性摩擦面一方面能夠保持與車輪貼合的形狀，實(shí)現(xiàn)與車輪比較理想的貼合，另一方面限制閘瓦托不能有較大尺度的橫向擺動(dòng)。這是因?yàn)樵擃愋偷拈l瓦托應(yīng)用于大連生產(chǎn)的HXN3內(nèi)燃機(jī)車上，其要求的軸重較大，而且采用的是3軸轉(zhuǎn)向架，中間軸在轉(zhuǎn)彎時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的橫向作用力，所以該閘瓦托具有較好的抗橫向力功能。

（3）閘瓦托調(diào)整類型3（圖9）

圖9 閘瓦托調(diào)整部分組成圖

該機(jī)構(gòu)是為了適應(yīng)A型車的特點(diǎn)而設(shè)計(jì)的閘瓦托機(jī)構(gòu)，A型車的特點(diǎn)是車體寬，車廂容積大，所以載客量大，體現(xiàn)在轉(zhuǎn)向架上就是軸重比較大，而廣州、上海等地A型車又采用大車輪。鑒于以上特點(diǎn)，閘瓦托采用的是獨(dú)立的雙閘瓦結(jié)構(gòu)，巧妙的通過(guò)一根閘瓦釬6實(shí)現(xiàn)對(duì)雙閘瓦7的固定，便于檢修人員操作。從作用原理分析，與HXN3內(nèi)燃機(jī)車閘瓦托具有一定的相似性，概括來(lái)說(shuō)也是通過(guò)圓形螺桿頭結(jié)合彈性摩擦面來(lái)實(shí)現(xiàn)的，但是實(shí)現(xiàn)的方法有所不同。從圖上可以看出，HXN3內(nèi)燃機(jī)車中閘瓦托側(cè)板和活動(dòng)吊桿軸的平面彈性摩擦變?yōu)殚l瓦托側(cè)板4和制動(dòng)螺桿3的彈性摩擦面，而且不是平面摩擦，而是帶有一定錐度的錐面摩擦，錐面摩擦的目的就是要實(shí)現(xiàn)制動(dòng)螺桿和閘瓦托4通過(guò)適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，既能有一定的垂向擺動(dòng)，又能使得閘瓦托沿著平行的方向貼向車輪，同時(shí)也能夠產(chǎn)生足夠的支撐力來(lái)支持A型車的雙閘瓦和自身較重的閘瓦托。該類型的閘瓦托在廣州1號(hào)線、2號(hào)線、8號(hào)線以及上海的3號(hào)線上都有應(yīng)用，這些線路采用的都是A型車。

3 閘瓦托材質(zhì)分析

閘瓦托作為反復(fù)承受制動(dòng)缸壓力的制動(dòng)和緩解作用的部件，尤其是城市軌道交通中，每2～3min就有制動(dòng)和緩解一次，所以閘瓦托材質(zhì)的機(jī)械性能是設(shè)計(jì)者特別需要考慮的問(wèn)題。目前接觸到的閘瓦托承受的最大正壓力能夠達(dá)到50kN，材質(zhì)為鑄造碳鋼（ZG230-450），利用Solidworks應(yīng)力分析軟件進(jìn)行應(yīng)力計(jì)算如下：

應(yīng)力分析輸入條件：

①選取閘瓦托弧面為約束面；

②在閘瓦托與螺桿頭的圓弧面上添加法向力50 kN；

③分別輸入材質(zhì)QT400-18、ZG230-450的彈性模量、泊松比、抗剪模量和密度；

④運(yùn)行算例。

應(yīng)力分析結(jié)果如圖10、圖11；表1、表2。

圖10 武漢2號(hào)線B型車用閘瓦托應(yīng)力分析圖

圖11 廣州1，2，8號(hào)線A型車用閘瓦托應(yīng)力分析圖

從表1和表2看出，閘瓦托承受的最大應(yīng)力值σmax為101MPa，而且在設(shè)計(jì)選取材料時(shí)屈服強(qiáng)度一般考慮取1.5～2.0的安全系數(shù)（用字母K表示），同時(shí)考慮到車輛在制動(dòng)過(guò)程會(huì)產(chǎn)生制動(dòng)沖擊，所以選取閘瓦托材質(zhì)時(shí)，建議最小屈服強(qiáng)度選取σ0.2min≥K×σmax≈200MPa（安全系數(shù)K取2）。

表1 武漢2號(hào)線用閘瓦托應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

表2 廣州128號(hào)線A型車用閘瓦托應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

另外，由于閘瓦托承受的是交變載荷，所以閘瓦托材質(zhì)不但需要具有一定的剛性，還需要有一定的韌性。針對(duì)上述分析，建議設(shè)計(jì)者在閘瓦托材質(zhì)選取上主要從材料的屈服強(qiáng)度和延伸率兩個(gè)方面進(jìn)行考慮，另外批量生產(chǎn)時(shí)需要考慮到閘瓦托成型加工工藝方面的因素，將目前常用到的閘瓦托材質(zhì)列舉如表3，供設(shè)計(jì)者選用時(shí)參考。

表3 常用閘瓦托材質(zhì)

4 結(jié)束語(yǔ)

隨著我國(guó)城市軌道交通在各大城市的發(fā)展，不斷有新式的基礎(chǔ)制動(dòng)單元被設(shè)計(jì)和制造，而閘瓦托作為基礎(chǔ)制動(dòng)單元中承受壓力的重要部件，其重要性不言而喻。從中選取幾種比較有代表性的閘瓦托對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)、功能以及材質(zhì)選用上的說(shuō)明，一方面讓讀者知曉不同的車型決定著不同的閘瓦托結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，比如上面提到的A型車、B型車以及HXN3機(jī)車；另一方面能夠讓檢修人員更多的了解設(shè)計(jì)者的設(shè)計(jì)思路和使用原理，為軌道交通車輛的檢修維護(hù)、安全行駛提供必要的技術(shù)支持。

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