一種機(jī)車車輛制動缸參數(shù)誤差影響分析

郭 壘， 劉 鵬， 范志軍

(1 中國鐵道科學(xué)研究院 機(jī)車車輛研究所， 北京 100081；2 北京縱橫機(jī)電技術(shù)開發(fā)公司， 北京 100094)

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專題研究

一種機(jī)車車輛制動缸參數(shù)誤差影響分析

郭 壘1， 劉 鵬1， 范志軍2

(1 中國鐵道科學(xué)研究院 機(jī)車車輛研究所， 北京 100081；2 北京縱橫機(jī)電技術(shù)開發(fā)公司， 北京 100094)

制動缸是制動裝置中的關(guān)鍵部件，其可靠性對機(jī)車車輛的安全有重大影響。介紹了一種制動缸的工作原理及其關(guān)鍵零件參數(shù)的意義。分析了關(guān)鍵零件參數(shù)誤差對制動力和磨耗補(bǔ)償?shù)挠绊?，以及參?shù)出現(xiàn)誤差時(shí)制動缸相應(yīng)的調(diào)整策略。分析結(jié)果表明，該制動缸在參數(shù)出現(xiàn)誤差后，有自適應(yīng)調(diào)整能力，能可靠地完成機(jī)車車輛制動任務(wù)。

機(jī)車車輛； 制動缸； 間隙調(diào)整； 誤差； 可靠性

速度為100 km/h以上的機(jī)車車輛的制動，主要采用盤形制動方式[1-2]。盤形制動裝置主要包括制動缸和制動夾鉗兩部分[3]，其中制動缸提供驅(qū)動力，制動夾鉗完成閘片與制動盤的接觸，產(chǎn)生摩擦力實(shí)現(xiàn)制動。韓曉輝[4]等介紹了一種常用制動缸的工作原理。此制動缸設(shè)計(jì)巧妙、性能可靠，通過彈簧、離合器以及限位擋塊等的相互作用，完成復(fù)雜的制動、緩解和調(diào)整等動作。

為保證上述制動缸正常工作，生產(chǎn)、裝配、使用時(shí)，各個(gè)關(guān)鍵零件的尺寸、相對距離等參數(shù)均需要準(zhǔn)確設(shè)定。但是在使用過程中，在振動、溫度變化等各種不確定因素的影響下，制動缸的參數(shù)難免會出現(xiàn)誤差。這些參數(shù)誤差對制動缸性能所產(chǎn)生的影響，不僅反映了制動缸的可靠性，更關(guān)系到車輛運(yùn)行的安全性。

本文對韓曉輝所研究的制動缸[4]做進(jìn)一步分析，在簡介制動缸工作原理的基礎(chǔ)上，分析了關(guān)鍵零件參數(shù)誤差對制動缸性能的影響，對制動缸的可靠性做出了評價(jià)。

1 制動缸參數(shù)及工作原理簡介

制動缸整體結(jié)構(gòu)的剖面圖如圖1所示。圖中通過不同灰度區(qū)分顯示了制動缸的3大功能機(jī)構(gòu)：傳力機(jī)構(gòu)(完成制動和緩解)、絲杠復(fù)位機(jī)構(gòu)(將補(bǔ)償伸出的絲杠復(fù)位)和間隙調(diào)整機(jī)構(gòu)(完成對閘片磨耗的補(bǔ)償)[5]。

為方便起見，圖2顯示了制動缸工作過程中的關(guān)鍵零件及參數(shù)。其中，l為滾針軸承與調(diào)整圈的距離，a為擋塊G與滾珠軸承的距離，k為離合器間隙。另外兩個(gè)關(guān)鍵參數(shù)A和E未在圖2中顯示，其中參數(shù)A為作用行程，表示從緩解位到閘片接觸制動盤時(shí)，絲杠移動的距離；參數(shù)E為彈性形變，表示從閘片接觸制動盤到制動力達(dá)到要求時(shí)，絲杠移動的距離。定義L為閘片與制動盤之間的實(shí)際距離。制動缸裝配工藝規(guī)定，各參數(shù)需滿足等式

(1)

(2)

制動缸正常工作。

制動缸的工作流程及各流程序號如圖3所示。將圖3中每一步流程的工作原理做簡要介紹，詳細(xì)介紹參見文獻(xiàn)[4]。

圖1 制動缸剖面圖

圖2 關(guān)鍵零部件及參數(shù)示意圖

圖3 制動、緩解、補(bǔ)償工作流程及序號

(1)作用行程。制動氣壓推動活塞、絲杠移動距離A，閘片與制動盤接觸，擋塊G接觸滾珠軸承。引導(dǎo)彈簧使錐形離合器N和齒形離合器Z保持嚙合狀態(tài)。

(2)離合器轉(zhuǎn)換。絲杠保持不動，制動氣壓推動活塞移動距離k。齒形離合器Z打開，錐形離合器D嚙合。

(3)制動行程。制動氣壓繼續(xù)上升，活塞和絲杠移動距離S，制動裝置產(chǎn)生彈性形變E，制動力達(dá)到要求。離合器套和滾針軸承接觸到調(diào)整圈，錐形離合器N打開。

(4)有磨耗時(shí)的制動。閘片出現(xiàn)磨耗V時(shí)，在制動氣壓作用下，絲杠、調(diào)整螺母和滾珠軸承移動距離V。引導(dǎo)螺母(螺紋非自鎖)與滾針軸承的位移被調(diào)整圈限制，通過旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償磨耗V。

(5)彈性返回行程。當(dāng)制動氣壓降低時(shí)，制動裝置的彈性回復(fù)力將絲杠和調(diào)整螺母推回距離E。錐形離合器N恢復(fù)嚙合狀態(tài)。

如果制動過程沒有磨耗，滾珠軸承將再次與調(diào)整圈接觸；如果有磨耗V，滾珠軸承與調(diào)整圈之間仍然存在距離V。

(6)補(bǔ)償磨耗。復(fù)原彈簧和引導(dǎo)彈簧推動活塞返回，絲杠保持不動，錐形離合器D松開，調(diào)整螺母(螺紋非自鎖)在調(diào)整彈簧作用下，沿著緩解方向旋轉(zhuǎn)前進(jìn)距離V，滾珠軸承再次接觸到調(diào)整圈。

(7)離合器轉(zhuǎn)換。絲杠保持不動，復(fù)原彈簧和引導(dǎo)彈簧克服調(diào)整彈簧的力，推動活塞繼續(xù)移動距離k，錐形離合器D打開，齒形離合器Z嚙合。

(8)返回行程。復(fù)原彈簧推動活塞、絲杠回退距離A至緩解位。

2 關(guān)鍵參數(shù)誤差分析

制動缸工作流程的順利進(jìn)行，建立在等式(1),式(2)成立的基礎(chǔ)上。等式(1),式(2)中，A為制動缸設(shè)計(jì)參數(shù)，E為與制動缸材料性能相關(guān)的固有參數(shù)。對于一個(gè)特定的確定了使用功能的制動缸，A和E為定值。參數(shù)L，a，l，k在制動缸安裝、使用時(shí)，可能會出現(xiàn)誤差，導(dǎo)致等式(1)(2)不成立，進(jìn)而影響制動缸正常工作。表1顯示了各參數(shù)產(chǎn)生的誤差類型及原因。

表1 關(guān)鍵參數(shù)誤差及原因

下面就參數(shù)誤差對圖3中各個(gè)工作流程造成的影響做具體分析。

(1)L偏小(設(shè)偏小量為Δ1)。影響流程1，3，4，6。流程1結(jié)束時(shí)，擋圈G未能與滾珠軸承接觸。流程3結(jié)束時(shí)，滾針軸承未能與調(diào)整圈接觸，錐形離合器N未能打開。流程4中，由于滾針軸承未與調(diào)整圈接觸，對磨耗V的響應(yīng)分兩種情況：當(dāng)V<Δ1時(shí)，不予補(bǔ)償；當(dāng)V≥Δ1時(shí)，開始補(bǔ)償，補(bǔ)償量為V-Δ1。流程6與流程4類似，當(dāng)V<Δ1時(shí)，不予補(bǔ)償；當(dāng)V≥Δ1時(shí)，開始補(bǔ)償，補(bǔ)償量為V-Δ1。

可見，L偏小時(shí)，不會影響制動力，會影響磨耗補(bǔ)償。當(dāng)磨耗V≥偏小量Δ1時(shí)，制動缸開始補(bǔ)償，并恢復(fù)正常工作。

(2)L偏大(設(shè)偏大量為Δ2)。影響流程1，3，4，6。流程1尚未結(jié)束時(shí)，擋圈G已經(jīng)與滾珠軸承接觸。流程3尚未結(jié)束時(shí)，滾針軸承已經(jīng)與調(diào)整圈接觸，錐形離合器N已經(jīng)打開。流程4，6中，制動缸把Δ2認(rèn)為是閘片的磨耗進(jìn)行補(bǔ)償。設(shè)制動缸完成一次制動動作最大補(bǔ)償量為b。如果Δ2≤b，可以一次動作補(bǔ)償完畢，并不影響制動力；如果Δ2>b，則需一次以上動作才能補(bǔ)償完畢，補(bǔ)償完畢前制動力將不足。

可見，L偏大時(shí)，偏大量Δ2被認(rèn)為是閘片磨耗進(jìn)行補(bǔ)償。在補(bǔ)償過程中，制動力不受影響；補(bǔ)償完畢后，L恢復(fù)正常。值得一提的是，制動裝置更換新的閘片后，L一般都會偏大，只需進(jìn)行若干次制動動作，即可恢復(fù)正常。

(3)a偏小(設(shè)偏小量為Δ3)。影響流程1，5。流程1結(jié)束時(shí)，閘片與制動盤接觸，滾珠軸承與調(diào)整圈已經(jīng)分離，距離為Δ3。流程5中，彈性回復(fù)力釋放后，滾珠軸承與調(diào)整圈尚存距離Δ3，活塞繼續(xù)回復(fù)的過程中，錐形離合器D松開，調(diào)整螺母旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償距離Δ3，滾珠軸承與調(diào)整圈接觸。

可見，a偏小時(shí)，不會影響制動力和磨耗補(bǔ)償。流程5結(jié)束時(shí)，調(diào)整螺母旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償距離Δ3，使得a恢復(fù)正常值。

(4)a偏大(設(shè)偏大量為Δ4)。影響流程1，6。流程1結(jié)束時(shí)，擋塊G未能與滾珠軸承接觸。流程6中，由于a值偏大，調(diào)整螺母對磨耗V的響應(yīng)分兩種情況：當(dāng)V<Δ4時(shí)，不予補(bǔ)償；當(dāng)V≥Δ4時(shí)，開始補(bǔ)償，補(bǔ)償量為V-Δ4。

可見，a偏大時(shí)，不會影響制動力，會影響調(diào)整螺母對磨耗的補(bǔ)償。當(dāng)磨耗V≥偏大量Δ4時(shí)，a的值會回復(fù)到正常值。

(5)l偏小(設(shè)偏小量為Δ5)。影響流程3。流程3尚未結(jié)束時(shí)，滾針軸承已經(jīng)與調(diào)整圈接觸，引導(dǎo)螺母開始旋轉(zhuǎn)，流程3結(jié)束時(shí)，引導(dǎo)螺母補(bǔ)償距離Δ5，l值恢復(fù)正常。

可見，l值偏小時(shí)，不會影響制動力和磨耗補(bǔ)償，在流程3中，通過引導(dǎo)螺母的旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償功能，l恢復(fù)到正常值。

(6)l偏大(設(shè)偏大量為Δ6)。影響流程3，4。流程3結(jié)束時(shí)，滾針軸承與調(diào)整圈尚有距離Δ6，錐形離合器N未能打開。流程4中，當(dāng)出現(xiàn)磨耗V時(shí)，由于滾針軸承尚未與調(diào)整圈接觸，引導(dǎo)螺母對磨耗的響應(yīng)分兩種情況：當(dāng)V<Δ6時(shí)，不予補(bǔ)償；當(dāng)V≥Δ6時(shí)，開始補(bǔ)償，補(bǔ)償量為V-Δ6。

可見，l偏大時(shí)，不會影響制動力，會影響引導(dǎo)螺母對磨耗的補(bǔ)償。出現(xiàn)磨耗時(shí)，調(diào)整螺母正常補(bǔ)償，但是引導(dǎo)螺母不會立即補(bǔ)償，這樣導(dǎo)致a和L同時(shí)增大。當(dāng)V≥Δ6時(shí)a和L增大Δ6，并且不再變化，式(1)(2)再次成立，制動缸恢復(fù)正常工作。

(7)k的偏差。會影響流程2，7。流程2，7中，活塞移動的距離會隨k的變化而變化，但是不會影響到制動缸的正常工作，也不會引起其他參數(shù)的變化。

3 誤差分析匯總及分析

由以上分析，得出了各種關(guān)鍵參數(shù)誤差對制動力和磨耗補(bǔ)償?shù)挠绊?，和制動缸恢?fù)正常的方式，如表2所示。 首先分析對制動力的影響。由表2可以看出，制動缸的參數(shù)出現(xiàn)誤差時(shí)，不會對制動力產(chǎn)生影響；所以，此制動缸工作非?？煽?，即使參數(shù)出現(xiàn)誤差，也不會影響制動力。

表2 誤差類型及影響

其次分析制動缸可靠性的機(jī)理。此制動缸的間隙調(diào)整機(jī)構(gòu)包括3個(gè)離合器(齒形離合器Z，錐形離合器D，錐形離合器N)，兩個(gè)軸承(滾珠軸承，滾針軸承)，兩個(gè)螺母(調(diào)整螺母，引導(dǎo)螺母)和3個(gè)定位裝置(擋塊G，調(diào)整圈的前后兩側(cè))。這些裝置不僅在制動缸裝配時(shí)，保證了等式(1)(2)的成立，使制動缸正常工作；并且能夠在制動缸使用時(shí)，等式(1)(2)的參數(shù)出現(xiàn)誤差時(shí)，對誤差做出自適應(yīng)的補(bǔ)償：當(dāng)L發(fā)生變化時(shí)，能夠自適應(yīng)地補(bǔ)償磨耗，當(dāng)a、l發(fā)生變化時(shí)，能夠自適應(yīng)地消除誤差。整個(gè)制動缸的所有動作的完成，無需傳感器等電子裝置，造價(jià)低,使用可靠，可以用于指導(dǎo)其他制動缸的設(shè)計(jì)。

4 結(jié)束語

介紹了一種用于機(jī)車車輛盤形制動的制動缸。首先簡介了制動缸的組成、關(guān)鍵參數(shù)和工作原理。其次分析了關(guān)鍵參數(shù)的誤差對制動力和磨耗補(bǔ)償?shù)挠绊?，并研究了制動缸在出現(xiàn)誤差后的調(diào)整。分析結(jié)果表明，該制動缸在參數(shù)出現(xiàn)誤差后，有自適應(yīng)調(diào)整能力，能可靠地完成機(jī)車車輛制動任務(wù)。

[1] 朱育權(quán),馬保吉,杜亞勤.制動盤(鼓)研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J].西安工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，2001,21(1):73-79.

[2] 林祜亭,陳 潔,樊貴新,王新海.270km/h高速列車制動系統(tǒng)[J].鐵道機(jī)車車輛，2003,23(S2):1-3.

[3] 霍 偉,陳炳偉,雷國偉.制動夾鉗與制動缸試驗(yàn)用多功能集成裝置設(shè)計(jì)[J].機(jī)車車輛工藝，2014,(4):27-28.

[4] 韓曉輝,楊偉君,范榮巍,王群偉.地鐵、城軌車輛用盤形制動缸作用原理分析[J].中國鐵路，2010,(08):67-71.

[5] 何 曄,胡 彥.廣州地鐵增購車輛制動單元間隙調(diào)整器失效問題分析與處理[J].電力機(jī)車與城軌車輛,2014,37(03):83-84.

Parameter Error Influence Analysis of a Brake Cylinder for Rolling Stocks

GUOLei1，LIUPeng1，F(xiàn)ANZhijun2

(1 Locomotive & Car Research Institute, China Academy of Railway Sciences, Beijing 100081, China； 2 Beijing Zongheng Electro-mechanical Technology Development Company，Beijing 100094, China)

Brake Cylinders are the key components in braking devices, of which the reliability have a big influence to the safety of rolling stocks. The working principle of a cylinder and the significance of the key parameters are introduced. The key parameter error influence on braking force and wear compensation are analyzed. The adjustment of the cylinder to parameter errors is also analyzed. According to the results of the analysis, when parameter errors occur, this cylinder has the ability of adaptive adjustment and can reliably accomplish the brake tasks for rolling stocks.

rolling stocks; brake cylinder; clearance adjustment; error; reliability

1008-7842 (2015) 03-0033-03

男，助理研究員(

2015-01-20)

U260.351

A

10.3969/j.issn.1008-7842.2015.03.08