鐵路貨車轉(zhuǎn)向架基礎(chǔ)制動(dòng)裝置技術(shù)分析

孫家鋒， 劉振明， 陸正濤

(1　大連交通大學(xué)　交通運(yùn)輸工程學(xué)院， 遼寧大連 116028；2　中車齊齊哈爾車輛有限公司　大連研發(fā)中心， 遼寧大連 116045)

鐵路貨車轉(zhuǎn)向架的基礎(chǔ)制動(dòng)裝置分盤形制動(dòng)和踏面制動(dòng)兩大類，前者多用于速度較高的焊接構(gòu)架式轉(zhuǎn)向架，后者多用于速度為120 km/h及以下的焊接構(gòu)架式及鑄鋼3大件式轉(zhuǎn)向架；盤形制動(dòng)又包括軸盤制動(dòng)、輪盤制動(dòng)2種，踏面制動(dòng)包括傳統(tǒng)的杠桿式制動(dòng)裝置和轉(zhuǎn)向架安裝式制動(dòng)裝置2種。盤形制動(dòng)裝置中，無論軸盤還是輪盤制動(dòng)，結(jié)構(gòu)都是制動(dòng)缸驅(qū)動(dòng)制動(dòng)鉗夾住制動(dòng)盤產(chǎn)生制動(dòng)力，機(jī)構(gòu)比較簡(jiǎn)單；杠桿式制動(dòng)裝置和轉(zhuǎn)向架安裝式制動(dòng)裝置又各有不同的具體結(jié)構(gòu)，常用的如表1所示，文中對(duì)這兩種踏面制動(dòng)進(jìn)行分析。

1　制動(dòng)裝置分類(表1)

表1　踏面式轉(zhuǎn)向架基礎(chǔ)制動(dòng)裝置

2　制動(dòng)倍率計(jì)算

按照基礎(chǔ)制動(dòng)裝置制動(dòng)倍率的定義，制動(dòng)時(shí)制動(dòng)缸傳至轉(zhuǎn)向架的作用力經(jīng)轉(zhuǎn)向架杠桿機(jī)構(gòu)擴(kuò)大的倍數(shù)，稱之為轉(zhuǎn)向架的制動(dòng)倍率，即

(1)

式中n為制動(dòng)倍率；Pi為第i個(gè)閘瓦的制動(dòng)力；F為制動(dòng)缸傳至轉(zhuǎn)向架基礎(chǔ)制動(dòng)裝置的作用力；

對(duì)各種制動(dòng)裝置進(jìn)行受力分析，列出力和力矩平衡公式，即可求出其制動(dòng)倍率。

2.1　杠桿式制動(dòng)裝置

2.1.1下拉桿式制動(dòng)裝置(見圖1)

根據(jù)受力分析，在將力與杠桿垂直方向的夾角歸到效率中考慮后，通過力和力矩平衡式，可求出下拉桿式制動(dòng)裝置的制動(dòng)倍率計(jì)算如式(2)所示。

(2)

式中n為制動(dòng)倍率；a為游動(dòng)杠桿上部長(zhǎng)；b為游動(dòng)杠桿下部長(zhǎng)；c為固定杠桿上部長(zhǎng)；d為固定杠桿下部長(zhǎng)。

圖1　下拉桿式制動(dòng)裝置

2.1.2中拉桿式制動(dòng)裝置(見圖2)

根據(jù)受力分析，在將力與杠桿垂直方向的夾角歸到效率中考慮后，通過力和力矩平衡式，可求出中拉桿式制動(dòng)裝置的制動(dòng)倍率計(jì)算如式(3)所示。

(3)

式中n為制動(dòng)倍率；a為游動(dòng)杠桿上部長(zhǎng)；b為游動(dòng)杠桿下部長(zhǎng)；c為固定杠桿上部長(zhǎng)；d為固定杠桿下部長(zhǎng)。

圖2　中拉桿式制動(dòng)裝置

2.2　轉(zhuǎn)向架安裝式制動(dòng)裝置

2.2.1TMX、UBX制動(dòng)裝置(見圖3)

根據(jù)受力分析[1]，在將力與杠桿垂直方向的夾角歸到效率中考慮后，通過力和力矩平衡式，可求出TMX、UBX制動(dòng)裝置的制動(dòng)倍率計(jì)算如式(4)所示。

(4)

式中n為制動(dòng)倍率；a為制動(dòng)缸端杠桿主動(dòng)端長(zhǎng)；b為制動(dòng)缸端杠桿被動(dòng)端長(zhǎng)；c為非制動(dòng)缸端杠桿被動(dòng)端長(zhǎng)；d為非制動(dòng)缸端杠桿主動(dòng)端長(zhǎng)。

2.2.28500型制動(dòng)裝置(見圖4)

根據(jù)受力分析，在將力與杠桿垂直方向的夾角歸到效率中考慮后，通過力和力矩平衡式，可求出8500型制動(dòng)裝置的制動(dòng)倍率計(jì)算如式(5)所示。

(5)

式中n為制動(dòng)倍率；a為游動(dòng)杠桿上部長(zhǎng)；b為游動(dòng)杠桿下部長(zhǎng)；c為固定杠桿上部長(zhǎng)；d為固定杠桿下部長(zhǎng)。

圖3　TMX、UBX制動(dòng)裝置

圖4　8500制動(dòng)裝置

2.2.3TMB-60制動(dòng)裝置(見圖5)

根據(jù)受力分析，在將力與杠桿垂直方向的夾角歸到效率中考慮后，通過力和力矩平衡式，可求出TMB-60制動(dòng)裝置的制動(dòng)倍率計(jì)算如式(6)所示。

(6)

式中n為制動(dòng)倍率；a為三角杠桿主動(dòng)端長(zhǎng)；b為三角杠桿被動(dòng)端長(zhǎng)。

2.2.4QB-13制動(dòng)裝置(見圖6)

根據(jù)受力分析，在將力與杠桿垂直方向的夾角歸到效率中考慮后，通過力和力矩平衡式，可求出TMB-60制動(dòng)裝置的制動(dòng)倍率計(jì)算如式(7)所示。

(7)

式中n為制動(dòng)倍率；a為制動(dòng)缸端杠桿長(zhǎng)；b為閘調(diào)器端杠桿長(zhǎng)。

圖5　TMB-60制動(dòng)裝置

圖6　QB-13制動(dòng)裝置

2.2.5WABCOPAC制動(dòng)裝置(見圖7)

WABCOPAC制動(dòng)裝置有2個(gè)制動(dòng)缸、2個(gè)推桿，推桿的力等于制動(dòng)缸的力[2]，每個(gè)制動(dòng)梁的制動(dòng)力等于2個(gè)推桿的力，通過力和力矩平衡式，可求出該系統(tǒng)的制動(dòng)倍率為2個(gè)制動(dòng)梁的力之和除以2個(gè)制動(dòng)缸的力，即(2+2)/2=2。

圖7　WABCOPAC制動(dòng)裝置

2.2.6BCFB制動(dòng)裝置(見圖8)

BCFB制動(dòng)裝置靠楔形效應(yīng)增力，它有2個(gè)制動(dòng)缸、2個(gè)推桿，根據(jù)受力分析，每個(gè)制動(dòng)梁的制動(dòng)力等于2個(gè)推桿的力乘以楔形增力倍數(shù)，經(jīng)列力和力矩平衡式，可求出該系統(tǒng)的制動(dòng)倍率為2個(gè)制動(dòng)梁的力之和除以2個(gè)制動(dòng)缸的力，即它的制動(dòng)倍率計(jì)算如式(8)所示。

(8)

式中n為制動(dòng)倍率；α為制動(dòng)缸推出端斜楔角度。

圖8　BCFB制動(dòng)裝置

2.2.7CFCB制動(dòng)裝置(見圖9)

根據(jù)受力分析，在將力與杠桿垂直方向的夾角歸到效率中考慮后，通過力和力矩平衡式，可求出CFCB制動(dòng)裝置的制動(dòng)倍率計(jì)算如式(9)所示，它與TMB-60制動(dòng)裝置的計(jì)算方法相同。

(9)

式中n為制動(dòng)倍率；a為三角杠桿主動(dòng)端長(zhǎng)；b為三角杠桿被動(dòng)端長(zhǎng)。

圖9　CFCB制動(dòng)裝置

2.2.8DAB-1制動(dòng)裝置(見圖10)

根據(jù)受力分析，在將力與杠桿垂直方向的夾角歸到效率中考慮后，通過力和力矩平衡式，可求出DAB-1型制動(dòng)裝置的制動(dòng)倍率計(jì)算如式(10)所示。

(10)

式中n為制動(dòng)倍率；a為游動(dòng)杠桿上部長(zhǎng)；b為游動(dòng)杠桿下部長(zhǎng)；c為固定杠桿上部長(zhǎng)；d為固定杠桿下部長(zhǎng)；k為氣缸活塞面積與油缸活塞面積比。

圖10　DAB-1型制動(dòng)裝置

3　制動(dòng)效率和緩解性能對(duì)比

3.1　杠桿式制動(dòng)裝置

制動(dòng)效率方面，杠桿式制動(dòng)裝置的制動(dòng)效率與結(jié)構(gòu)型式、銷孔間隙、杠桿角度有關(guān)。從結(jié)構(gòu)型式上看，下拉桿式制動(dòng)裝置由于整體重心偏重小[3]，效率高于中拉桿式制動(dòng)裝置，吊掛式制動(dòng)梁的高于滑槽式制動(dòng)梁的，滾子式制動(dòng)梁的高于滑塊式制動(dòng)梁的；從銷孔間隙上看，間隙大的效率高于間隙小的；從杠桿角度上看，豎直杠桿的因?yàn)椴淮嬖诳?、重車狀態(tài)固定杠桿支點(diǎn)座位置變化導(dǎo)致的制動(dòng)裝置之間配合不當(dāng)問題，因此效率高于斜式杠桿。

緩解性能與制動(dòng)效率是一個(gè)問題的兩面，因此，下拉桿式制動(dòng)裝置的緩解性能優(yōu)于中拉桿式制動(dòng)裝置。

3.2　轉(zhuǎn)向架安裝式制動(dòng)裝置

制動(dòng)效率方面，轉(zhuǎn)向架安裝式制動(dòng)裝置的制動(dòng)效率因結(jié)構(gòu)各異，各不相同，但從理論角度仍遵循上述基本原理，即不偏重的、采用吊掛式制動(dòng)梁的、銷孔間隙大的、杠桿豎直放置的(即圓銷水平放置的)、機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單及摩擦環(huán)節(jié)少的、制動(dòng)缸內(nèi)不帶緩解彈簧的效率高，而偏重的、采用滑槽式制動(dòng)梁的、銷孔間隙小的、杠桿水平放置的(存在杠桿因重力產(chǎn)生的與其他件之間的摩擦)、機(jī)構(gòu)復(fù)雜及摩擦環(huán)節(jié)多的、制動(dòng)缸內(nèi)帶緩解簧的效率低。值得說明的是，除上述理論因素外，制動(dòng)效率還與每種制動(dòng)裝置的具體設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)有關(guān)，比如杠桿受力與杠桿體軸線接近垂直位的效率高于遠(yuǎn)離垂直位的，摩擦環(huán)節(jié)表面摩擦系統(tǒng)小的效率高于摩擦系統(tǒng)大的等。

同理，緩解性能方面，制動(dòng)效率高的緩解性能也好；唯一例外的是，帶有緩解簧的緩解性能高于不帶緩解簧的。另外，緩解性能還與制動(dòng)裝置兩制動(dòng)梁的質(zhì)量是否均勻有直接關(guān)系，均勻的兩個(gè)制動(dòng)梁基本同步緩解[4]，而如果兩者質(zhì)量相差懸殊的話，質(zhì)量大的制動(dòng)梁的重力引起的分力會(huì)通過推桿加在另一個(gè)制動(dòng)梁上，阻礙其緩解。TMB-60、CFCB兩種制動(dòng)裝置就屬此類，實(shí)踐中已證明在緩解狀態(tài)TMB-60制動(dòng)裝置不帶制動(dòng)缸的制動(dòng)梁受帶制動(dòng)缸制動(dòng)梁的重力影響不易緩解，閘瓦仍貼靠車輪，導(dǎo)致車輪磨耗嚴(yán)重。

4　結(jié)束語

各種制動(dòng)裝置都有其各自的特點(diǎn)和優(yōu)缺點(diǎn)，適應(yīng)不同的情況。例如杠桿式制動(dòng)裝置中，雖然下拉桿式制動(dòng)裝置在很多方面優(yōu)于中拉桿式制動(dòng)裝置，尤其在避免制動(dòng)梁橫移從而導(dǎo)致同一輪對(duì)兩車輪非對(duì)稱磨耗方面[5]，但是它不能用于下交叉支撐式轉(zhuǎn)向架，且裝用下拉桿式制動(dòng)裝置的轉(zhuǎn)向架搖枕不能適應(yīng)裝用某些轉(zhuǎn)向架安裝式制動(dòng)裝置(例如TMX制動(dòng)裝置)，因此中拉桿式制動(dòng)裝置仍然有大量應(yīng)用；再比如，TMB-60制動(dòng)裝置雖然緩解性能不好，但是其推桿在兩側(cè)下方，不用穿過搖枕孔，因此搖枕易于設(shè)計(jì)，在一些特殊條件下也可以采用。

對(duì)于鐵路貨車來說，選擇基礎(chǔ)制動(dòng)裝置時(shí)應(yīng)根據(jù)該系統(tǒng)的制動(dòng)效率、緩解性能、安裝拆卸方便性、占用空間、互換性、可靠性、檢修維護(hù)成本、質(zhì)量大小等多方面指標(biāo)，結(jié)合車輛本身的使用條件、轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)型式特點(diǎn)等，進(jìn)行綜合考慮后確定。