和諧型電力機(jī)車用制動(dòng)摩擦副結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

王 磊，潘祺睿，陳 輝

（1.3南京鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)車車輛學(xué)院，1、高級(jí)工程師 3、副教授 江蘇南京 210031;2.中車戚墅堰機(jī)車車輛工藝研究所有限公司，工程師 江蘇常州 213011）

0 引言

和諧型電力機(jī)車自投入中國(guó)市場(chǎng)以來(lái)已有近十多年時(shí)間，市場(chǎng)規(guī)模逐年增大。和諧型電力機(jī)車用制動(dòng)摩擦副產(chǎn)品以德國(guó)克諾爾公司較為先進(jìn)，其產(chǎn)品在市場(chǎng)上一直保持壟斷地位。近年來(lái)，我國(guó)軌道交通制造水平不斷提高，為進(jìn)一步降低采購(gòu)和維修成本，打破國(guó)外公司技術(shù)壟斷，越來(lái)越多的國(guó)內(nèi)院所企業(yè)開(kāi)始進(jìn)行制動(dòng)摩擦副產(chǎn)品的國(guó)產(chǎn)化研究。

德國(guó)克諾爾公司生產(chǎn)的和諧型電力機(jī)車用制動(dòng)摩擦副有2 種，一種是適用于時(shí)速低于160 km 電力機(jī)車的鑄鐵制動(dòng)盤和合成閘片；另一種是適用于時(shí)速高于160 km 電力機(jī)車的鑄鋼制動(dòng)盤和粉末冶金閘片。在國(guó)內(nèi)，中國(guó)鐵道科學(xué)研究院研制了多種鐵路車輛用的基礎(chǔ)制動(dòng)裝置，如踏面制動(dòng)裝置和時(shí)160 km及以下鑄鐵制動(dòng)盤及配套合成閘片，但對(duì)于時(shí)速160 km 及以上等級(jí)客運(yùn)機(jī)車用制動(dòng)摩擦副仍沒(méi)有完成開(kāi)發(fā)。青島四方車輛研究所有限公司也在進(jìn)行機(jī)車制動(dòng)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)，其開(kāi)發(fā)的JZ-8機(jī)車制動(dòng)系統(tǒng)已經(jīng)在大功率貨運(yùn)機(jī)車上裝車試用，配套的摩擦副為鑄鐵制動(dòng)盤和合成閘片，但對(duì)時(shí)速超過(guò)160 km的和諧型電力機(jī)車并不適用。中車株洲電力機(jī)車有限公司完成了機(jī)車基礎(chǔ)制動(dòng)系統(tǒng)（摩擦副為鑄鐵制動(dòng)盤和合成閘片）的自主開(kāi)發(fā)，其研制的DK-2制動(dòng)系統(tǒng)在HXD1系列大功率客運(yùn)電力機(jī)車上已實(shí)現(xiàn)批量裝車，但其制動(dòng)系統(tǒng)配套的鑄鋼制動(dòng)盤和粉末冶金閘片均從德國(guó)克諾爾公司購(gòu)買，在運(yùn)用過(guò)程中出現(xiàn)多起制動(dòng)盤盤面異常磨耗，制動(dòng)閘片的掉塊、脫落、制動(dòng)抖動(dòng)等可能對(duì)行車安全造成威脅的嚴(yán)重問(wèn)題，此外產(chǎn)品采購(gòu)周期較長(zhǎng)和運(yùn)用維護(hù)成本較高。

本文深入研究現(xiàn)有和諧型電力機(jī)車用制動(dòng)摩擦副結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，充分考慮制動(dòng)摩擦副性能匹配因素，提出和諧型電力機(jī)車用制動(dòng)摩擦副結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化替代，保障和諧型電力機(jī)車安全、可靠、經(jīng)濟(jì)地運(yùn)營(yíng)。

1 制動(dòng)摩擦副結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求

目前，客運(yùn)機(jī)車盤形制動(dòng)摩擦副主要采用制動(dòng)盤輪裝方式。制動(dòng)盤和制動(dòng)閘片是盤形制動(dòng)裝置中最重要的部件，通過(guò)制動(dòng)盤和制動(dòng)閘片之間的摩擦將巨大的列車動(dòng)能轉(zhuǎn)化為摩擦熱能，并散逸到周圍環(huán)境中。因此，要求制動(dòng)盤和制動(dòng)閘片的結(jié)構(gòu)連接可靠，性能匹配較好，且具有良好的通風(fēng)散熱性能。

1）制動(dòng)盤結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求。制動(dòng)盤主要采用輪裝盤形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)形式，材質(zhì)為鑄鐵和鑄鋼。制動(dòng)盤結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，首先應(yīng)具有可靠的連接結(jié)構(gòu)，保證制動(dòng)盤在工作時(shí)不發(fā)生零件松動(dòng)或脫落；其次，具有良好的通風(fēng)散熱性能，降低制動(dòng)盤的工作溫度；最后，制動(dòng)盤應(yīng)具有一定的徑向自由度，以最大限度地降低制動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的熱應(yīng)力。

2）制動(dòng)閘片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求。制動(dòng)閘片主要采用UIC 燕尾接口型結(jié)構(gòu)，材質(zhì)為合成和粉末冶金。制動(dòng)閘片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，首先考慮摩擦材料與背板連接的可靠性，防止在工作中發(fā)生摩擦塊或摩擦體脫落；其次，具有良好的通風(fēng)散熱和排屑性能，摩擦體上或附近有明顯的磨耗到限標(biāo)志；最后，摩擦塊（粒子）尺寸合理，布局科學(xué)。

2 制動(dòng)摩擦副結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

制動(dòng)盤和制動(dòng)閘片的結(jié)構(gòu)、性能和組織等指標(biāo)對(duì)摩擦副性能有直接影響，是制動(dòng)摩擦副設(shè)計(jì)中重點(diǎn)考慮的內(nèi)容。圖1為和諧型電力機(jī)車制動(dòng)盤螺栓連接結(jié)構(gòu)示意圖、圖2 和諧型電力機(jī)車制動(dòng)盤盤體三維結(jié)構(gòu)圖、圖3 和諧型電力機(jī)車制動(dòng)盤定位銷結(jié)構(gòu)示意圖。圖1示意了一種典型和諧型電力機(jī)車用制動(dòng)盤輪裝結(jié)構(gòu)，輪裝制動(dòng)盤布置在車輪輻板兩側(cè)。根據(jù)這一特點(diǎn)，盤體設(shè)計(jì)為單片形式（見(jiàn)圖2），內(nèi)側(cè)面設(shè)計(jì)有片狀徑向散熱筋，以利于制動(dòng)過(guò)程中盤體的散熱。盤面中間設(shè)計(jì)有連接螺栓孔及布置定位銷的鍵槽，盤體通過(guò)定位銷和連接螺栓組安裝在車輪上（見(jiàn)圖1）。依靠螺栓預(yù)緊力產(chǎn)生的靜摩擦力以及布置在盤體上的6根定位銷承受制動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生的摩擦扭矩（見(jiàn)圖3）。連接螺栓只承受預(yù)緊力，不承受剪切力，保證了螺栓連接的可靠性。采用定位銷連接方式改善了圓盤體應(yīng)力狀態(tài)分布，為制動(dòng)盤在周期性熱負(fù)荷作用下自由膨脹和收縮提供了足夠的空間，盤體沿定位銷能徑向自由伸縮，不受約束。這樣，盤體在制動(dòng)工況下，主要受熱應(yīng)力作用，其抵抗熱沖擊的能力則完全取決于材料本身的性能。

圖1 和諧型電力機(jī)車制動(dòng)盤螺栓連接結(jié)構(gòu)

圖2 和諧型電力機(jī)車制動(dòng)盤盤體三維結(jié)構(gòu)圖

圖3 和諧型電力機(jī)車制動(dòng)盤定位銷結(jié)構(gòu)

制動(dòng)閘片采用國(guó)際通用的UIC燕尾接口與制動(dòng)夾鉗閘片托進(jìn)行配合，采用2 個(gè)半片組成單片閘片的設(shè)計(jì)方式，有利于減小閘片制動(dòng)過(guò)程中受熱膨脹，解決制動(dòng)閘片拆裝困難的問(wèn)題。制動(dòng)閘片主要由摩擦塊（10個(gè)）、安裝板、燕尾板、連接部件和彈性元件等部件組成，摩擦塊通過(guò)鉚釘固定連接到安裝板上（見(jiàn)圖4）。

圖4 制動(dòng)閘片結(jié)構(gòu)圖

摩擦塊采用間隙布置形式，每個(gè)摩擦塊之間留有一定間隙，形成排屑通道，便于摩擦碎屑的排出，解決了前期研究中發(fā)現(xiàn)的德國(guó)克諾爾公司研制的制動(dòng)摩擦副因磨屑沒(méi)有及時(shí)排出導(dǎo)致劃傷制動(dòng)盤表面的問(wèn)題。調(diào)整了摩擦塊結(jié)構(gòu)形狀和尺寸大?。ㄒ?jiàn)圖5），采用圓角結(jié)構(gòu)，避免摩擦塊尖角在制動(dòng)盤螺栓孔附近產(chǎn)生的劃傷問(wèn)題；適當(dāng)增大了摩擦塊尺寸，螺栓孔徑為20 mm 時(shí)，建議摩擦塊的最小尺寸應(yīng)大于50 mm，防止摩擦塊與制動(dòng)盤螺栓孔產(chǎn)生啃咬拉傷現(xiàn)象。在摩擦塊與安裝板之間加裝彈性墊片，浮動(dòng)式結(jié)構(gòu)的摩擦塊能夠最大限度地與制動(dòng)盤貼合在一起，達(dá)到更好的制動(dòng)效果。

圖5 摩擦塊結(jié)構(gòu)形狀和尺寸大小

此外，制動(dòng)盤和制動(dòng)閘片之間的間隙小，不利于像小砂粒等異物的及時(shí)排出也可能造成異物夾雜在摩擦面上，在機(jī)車制動(dòng)時(shí)對(duì)制動(dòng)盤和制動(dòng)閘片造成表面劃傷。因此，除了制動(dòng)盤和制動(dòng)閘片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)外，還應(yīng)考慮摩擦副周邊部件對(duì)摩擦副性能的影響，使制動(dòng)閘片和制動(dòng)盤的間隙保持在1～2 mm（單邊）。

3 1:1型式試驗(yàn)

為進(jìn)一步驗(yàn)證本文所述制動(dòng)摩擦副結(jié)構(gòu)的可靠性，對(duì)該結(jié)構(gòu)產(chǎn)品進(jìn)行了1:1型式試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表1所示，試驗(yàn)結(jié)果表明：列車在制動(dòng)初速為160 km/h和200 km/h 進(jìn)行緊急制動(dòng)時(shí)對(duì)應(yīng)的制動(dòng)距離均在1.4 km和2 km以內(nèi)，同時(shí)試驗(yàn)過(guò)程中制動(dòng)盤盤面最高溫度為550℃，尚未超出700℃的制動(dòng)盤最高許用溫度。

表1 制動(dòng)摩擦副1:1型式試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)后對(duì)制動(dòng)盤和制動(dòng)閘片分別進(jìn)行檢測(cè)，圖6 所示為制動(dòng)盤盤面磁粉探傷結(jié)果，盤體表面未發(fā)現(xiàn)任何初裂紋。制動(dòng)盤表面狀態(tài)良好（見(jiàn)圖7），未出現(xiàn)任何裂紋、熱斑、擦傷等異常情況，螺栓緊固件未松動(dòng)；制動(dòng)閘片平均磨耗量不超過(guò)0.5 cm3/MJ 的規(guī)定要求，試驗(yàn)后閘片表面狀態(tài)良好，未出現(xiàn)掉塊、掉渣等異常情況（見(jiàn)圖8）。

圖6 制動(dòng)盤表面磁粉探傷

圖7 試驗(yàn)結(jié)束后制動(dòng)盤表面狀態(tài)

圖8 試驗(yàn)結(jié)束后制動(dòng)閘片表面狀態(tài)

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)和諧型電力機(jī)車用制動(dòng)摩擦副結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的深入研究，充分考慮了制動(dòng)摩擦副性能匹配因素，對(duì)制動(dòng)摩擦副的制動(dòng)盤采用內(nèi)側(cè)面分布片狀徑向散熱筋結(jié)構(gòu)，解決制動(dòng)盤面受熱不均導(dǎo)致盤面翹曲變形問(wèn)題；制動(dòng)閘片則增加了排屑通道，解決了制動(dòng)盤表面劃傷問(wèn)題，提高了制動(dòng)閘片與制動(dòng)盤的制動(dòng)效果，并在制動(dòng)盤與制動(dòng)閘片匹配設(shè)計(jì)上給出建議。通過(guò)1:1型式試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，證明該設(shè)計(jì)能有效避免制動(dòng)盤表面異常劃傷和制動(dòng)閘片摩擦塊掉塊、脫落等現(xiàn)象，提高使用壽命，安全可靠，符合使用要求，可以進(jìn)行國(guó)產(chǎn)化替代。