動車組燕尾型粉末冶金閘片結(jié)構(gòu)研究

傅雙波+朱劍鋒+胡紹磊

摘 要：文章針對動車組燕尾型粉末冶金閘片使用過程中的燕尾脫落問題進行了分析，并提出了一種改進型粉末冶金閘片燕尾鋼背結(jié)

構(gòu)。通過對其制動過程中受力分析，得出改進結(jié)構(gòu)閘片燕尾的受力剪切面積為1900mm2，為鉚接結(jié)構(gòu)受力面積的8.4倍，為焊接結(jié)構(gòu)受力面積的5.5倍。由于閘片制動時燕尾所受剪切力大小是一定的，因此改進結(jié)構(gòu)中單位剪切面積所受剪切力大大減少，安全運行系數(shù)大大增加。

關(guān)鍵詞：動車組；粉末冶金閘片；燕尾型

中圖分類號：TF125 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）28-0189-02

隨著我國科學與技術(shù)的飛速發(fā)展，近年來，我國交通運輸業(yè)有了突飛猛進的長足發(fā)展。中國高速鐵路經(jīng)過幾年的不懈努力，目前已居世界首位。預計到2020年，高速鐵路里程接近2萬公里，覆蓋50萬人口以上的城市，屆時我國四縱四橫鐵路快速客運系統(tǒng)將全面建成，我國將進入高鐵時代。

隨著列車速度的提高，如何將高速運行的列車安全地停下來是一個關(guān)系到生命和財產(chǎn)安全的重要問題。列車制動有電阻制動、磁軌制動、渦流制動、摩擦制動等多種方式，其中摩擦制動是不可缺少的。摩擦制動方式是通過摩擦把動能轉(zhuǎn)化為熱能，然后消散于大氣。高速列車的摩擦制動通常采用的是盤式制動方式，利用制動盤和制動閘片間的相互摩擦作用達到消耗列車動能的目的。因此，這兩個部件的性能成為一個關(guān)系到列車運行安全的重要方面。

1 高速列車粉末冶金閘片結(jié)構(gòu)類型

當前中國鐵路開行的高速動車組主要有CRH1、CRH2、CRH3、CRH5系列，全部使用盤式制動方式。閘片與制動器安裝接口分為燕尾型（含通用和非通用）、和非燕尾型兩種。燕尾型閘片主要靠閘片背部的燕尾板安裝在制動器上起到制動作用。目前閘片燕尾板與鋼背之間的連接方式有兩種：焊接式連接和鉚接式連接。具體樣式如圖1和圖2所示。

這兩種連接型式在當前動車組制動過程中大量使用，在使用過程中也發(fā)現(xiàn)了很多問題。

2 兩種連接結(jié)構(gòu)存在的問題

雖然以上兩種連接型式在當前動車組運用過程中大量使用，也暴露出很多存在的問題。

在閘片使用過程中，燕尾部位主要受到的力為制動過程中剪切作用。由于列車慣性很大，所受到剪切力也非常大。根據(jù)《動車組閘片暫行技術(shù)條件》（TJ/CL 307-2014）要求，閘片摩擦系數(shù)最高可高達0.55，雙側(cè)閘片制動壓力最高位32kN。按照摩擦系數(shù)計算公式μ=F/N

μ為摩擦系數(shù)，F(xiàn)為摩擦力，N為正壓力。

由于兩種連接型式中，摩擦塊與燕尾屬于剛性連接，摩擦力即為燕尾所受剪切力。

通過以上公式可計算出，在摩擦系數(shù)選用0.55，雙側(cè)閘片制動壓力選用32kN時，制動盤單側(cè)單個閘片燕尾所受剪切力為8.8kN。如果考慮到閘片在制動瞬間所受的沖擊，則燕尾所受剪切力會更大。

從結(jié)構(gòu)上看，兩種連接結(jié)構(gòu)都屬于剛性連接，閘片燕尾牢固程度全部依靠鉚釘或焊接部位固定，一旦有一處固定點失效，很容易引起閘片整個燕尾部位固定不牢甚至脫落，嚴重影響列車的安全運行。

雖然在設計時選用適當材料，可以保證足夠連接強度，生產(chǎn)過程中通過探傷等方式焊接和鉚接缺陷，但是由于列車運行過程中所遇工況復雜多變，不能完全排除此種結(jié)構(gòu)發(fā)生斷裂的可能。

在列車運營過程中，多次發(fā)現(xiàn)燕尾不牢或閘片脫落現(xiàn)象。如2016年1月份，某鐵路局發(fā)現(xiàn)配屬的動車組在運行過程中軸盤外側(cè)上一對閘片下半部分丟失。圖3為脫落后的閘片燕尾與正常閘片比較圖，閘片鋼背以下部位從燕尾焊接處脫落。如果脫落閘片掉落在鐵軌上，會給列車行駛造成很大安全隱患。因此有必要對這種結(jié)構(gòu)進行改進，增加閘片使用過程中的安全性，避免重大事故的發(fā)生。

3 對閘片燕尾連接結(jié)構(gòu)的改進

針對上述閘片燕尾使用過程中存在問題，有必要對閘片燕尾結(jié)構(gòu)進行改進，以消除列車運行過程中的安全因素。

當前廣泛使用的焊接式和鉚接式閘片燕尾屬于點式固定，受力點完全集中于焊接部位和鉚接部位，受力較集中，存在失效風險。如果將點式固定更改為面式固定結(jié)構(gòu)，將會從根本上消除燕尾脫落的風險。

為此，我們對閘片燕尾結(jié)構(gòu)進行改進，在不改變燕尾安裝接口的情況下，采用CNC一體加工工藝，來加工閘片的燕尾和鋼背，使閘片燕尾和鋼背成為一個整體。

由于采用了一體加工成型，閘片燕尾與鋼背之間由最初的點連接變成了面連接，制動過程中閘片所受巨大剪切力不會集中作用于焊接處和鉚接處，而是分布在整個燕尾和鋼背連接面，發(fā)生脫落的可能而大大降低。

前文提到在制動過程中，單片閘片燕尾受力約為8.8kN。以圖中鉚接結(jié)構(gòu)為例，閘片燕尾采用了8個鉚釘進行鉚接，假設采用φ6的鉚釘，則閘片制動過程中，燕尾受力剪切面積為8*π*3*3=226mm2。

同理以圖中的焊接結(jié)構(gòu)為例，經(jīng)計算閘片燕尾在制動過程中受力剪切面積為5*70=350mm2。

經(jīng)實測，改進結(jié)構(gòu)閘片燕尾的受力剪切面積為1900mm2，為鉚接結(jié)構(gòu)受力面積的8.4倍，為焊接結(jié)構(gòu)受力面積的5.5倍。

由于閘片制動時燕尾所受剪切力是一定的，因此改進結(jié)構(gòu)中單位剪切面積所受剪切力大大減少，極大的減少了閘片燕尾脫落的可能，大大增加列車運行過程中的安全系數(shù)。考慮到成本因素，雖然一體加工成型的燕尾鋼背會增加部分閘片成本，相對于以安全性要求為首的動車運行成本，增加的閘片成本是可以忽略不計的。

4 結(jié)束語

本文針對動車組燕尾型粉末冶金閘片使用過程中的燕尾脫落問題進行了分析，并提出了改進型粉末冶金閘片燕尾鋼背結(jié)構(gòu)。

通過對其制動過程中受力分析，得出改進結(jié)構(gòu)閘片燕尾的受力剪切面積為鉚接結(jié)構(gòu)受力面積的8.4倍，為焊接結(jié)構(gòu)受力面積的5.5倍。由于閘片制動時燕尾所受剪切力是一定的，因此改進結(jié)構(gòu)中單位剪切面積所受剪切力大大減少，安全運行系數(shù)大大增加。

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