孫新海， 郭彥峰， 宋躍超， 郭 斌， 齊 冀

(1 中國鐵道科學(xué)研究院集團有限公司 機車車輛研究所， 北京 100081；2 北京縱橫機電科技有限公司， 北京 100094)

近年來中國鐵道科學(xué)研究院集團有限公司在基于計算機控制技術(shù)的新型機車制動系統(tǒng)方面開展了自主化研究，研制成功包括基礎(chǔ)制動裝置在內(nèi)的CAB型機車制動系統(tǒng)，并已在CR200J動力集中電動車組動力車上批量推廣運用?；A(chǔ)制動裝置是機車制動系統(tǒng)中的重要組成部分，空氣制動時由基礎(chǔ)裝置通過摩擦制動方式實現(xiàn)機車或列車的調(diào)速和停車。

針對CR200J動力集中電動車組動力車研制的基礎(chǔ)制動裝置，采用輪裝式盤形制動，主要包括輪裝制動盤、粉末冶金閘片和制動夾鉗單元等。每條輪對安裝2套盤形制動裝置，其中制動夾鉗單元采用3點吊掛方式，根據(jù)功能分為帶停放制動夾鉗單元和不帶停放制動夾鉗單元兩種。

1 研制目標(biāo)

(1)基礎(chǔ)制動裝置應(yīng)能滿足動力車在160 km/h制動初速時，緊急制動制動距離 ≤1 400 m，符合《鐵路技術(shù)管理規(guī)程》中對制動距離限值的要求[1]；

(2)基礎(chǔ)制動裝置制動能力(制動摩擦副熱容量)應(yīng)能滿足動力車運行速度提升至200 km/h的制動需求；

(3)基礎(chǔ)制動裝置應(yīng)能滿足動力車在30‰坡道上安全停放[1]。

2 制動摩擦副

制動摩擦副是基礎(chǔ)制動裝置的核心部件，主要由輪裝制動盤和粉末冶金閘片組成，其主要功能是將運行動能轉(zhuǎn)化成熱能，并逸散至大氣中。

2.1 制動盤

2.1.1盤體材料

盤體選用綜合性能優(yōu)異的合金鑄鋼，其常溫力學(xué)性能和金相組織要求見表1[2]。

盤體材料具有以下特點：

(1)穩(wěn)定的機械性能。該材料在低溫、常溫和高溫(600 ℃)時有相對恒定的機械強度，并具有一定的韌性，可以滿足制動盤長期正常使用要求。

(2)良好的熱物理性能。該材料有高導(dǎo)熱性、大熱容和較小的線脹系數(shù)，能夠保證制動盤溫度升高或降低時引起的應(yīng)力變化梯度較小，以延緩制動盤熱裂紋的萌生和擴展，提高制動盤使用壽命。

(3)較適宜的硬度。該材料經(jīng)熱處理后的硬度能夠保證制動盤具有良好的耐磨特性；

(4)較好的抗腐蝕能力。該材料屬于低碳合金鋼，其中的合金元素提高了材料的抗腐蝕能力，其環(huán)境適應(yīng)性較好，能夠保證制動盤在較惡略工況下長期穩(wěn)定服役。

表1 力學(xué)性能和金相組織

2.1.2制動盤結(jié)構(gòu)

制動盤主要由盤體、定位銷和螺栓緊固連接件等組成，參見圖1所示。采用6個定位銷將盤體定位在車輪輻板兩側(cè)，再通過18組螺栓緊固連接件將盤體與車輪緊固為一個整體。螺栓采用變徑結(jié)構(gòu)，提高螺栓的疲勞壽命，使用有效力矩和楔形螺紋雙重防松結(jié)構(gòu)螺母，提升緊固件連接質(zhì)量和防松能力，保障制動盤具有較高抗沖擊和振動性能。

盤體采用葉柵式散熱筋，圓周等角度循環(huán)對稱分布結(jié)構(gòu)，參見圖2所示。這種結(jié)構(gòu)形式可以保證摩擦面制動時受熱均勻，并可以提高冷卻風(fēng)的流動速度，降低制動盤溫升，減少熱裂紋的產(chǎn)生。

圖1 制動盤主要構(gòu)成

圖2 盤體散熱筋結(jié)構(gòu)

2.1.3仿真計算

為考查制動盤在速度200 km速度等級動力車的制動適應(yīng)性，驗證極端工況下的安全性，進行了連續(xù)2次緊急制動時的仿真計算分析。盤體瞬時溫度場仿真計算基本參數(shù)見表2。

表2 溫度場仿真計算基本參數(shù)

平直道上200 km/h制動初速度連續(xù)2次緊急制動時，盤體溫度場云圖參見圖3所示，制動盤溫度隨時間的變化曲線參見圖4所示。

圖3 盤體溫度場云圖

圖4 盤體溫度變化曲線

仿真計算結(jié)果表明：在200 km/h制動初速度下，1次緊急制動時盤體最高溫度260 ℃，連續(xù)2次緊急制動時盤體最高溫度410 ℃，低于鑄鋼制動盤和粉末冶金閘片550 ℃穩(wěn)定性能溫度限值。

2.2 粉末冶金閘片

粉末冶金閘片由左右兩半片配對組成，主要由摩擦塊、鋼背和彈性卡簧等構(gòu)成，參見圖5所示。摩擦塊與鋼背之間采用彈性浮動式結(jié)構(gòu)，摩擦塊由銅基粉末冶金摩擦體與鋼制內(nèi)襯板燒結(jié)成為一體。閘片名義摩擦面積400 cm2，安裝接口采用燕尾通用型(符合UIC 541-3的規(guī)定)。

摩擦體剪切強度、內(nèi)襯板與摩擦體結(jié)合強度要求見表3[3]。

圖5 閘片主要構(gòu)成

表3 摩擦塊的物理機械性能要求

2.3 摩擦副臺架試驗

制動摩擦副在高速鐵路系統(tǒng)試驗國家工程實驗室按照TJ/JW 042-2014《交流傳動機車制動盤暫行技術(shù)條件》中規(guī)定的200 km/h速度等級機車用制動盤1∶1制動動力試驗及疲勞試驗程序進行了臺架試驗，基本試驗條件見表4。

(1)1∶1制動動力試驗臺試驗[4]

連續(xù)2次200 km/h和連續(xù)2次220 km/h制動初速度緊急制動停車試驗曲線(溫度和瞬時摩擦系數(shù))參見圖6和圖7所示，具體試驗數(shù)據(jù)見表5和表6。

表4 基本試驗條件

圖6 連續(xù)2次200 km/h緊急制動停車試驗曲線

圖7 連續(xù)2次220 km/h緊急制動停車試驗曲線

表5 1∶1制動動力試驗數(shù)據(jù)(200 km/h連續(xù)緊急制動)

(2)1∶1制動動力試驗臺疲勞試驗

為考查制動盤長期服役可靠性，在1∶1制動動力試驗臺上進行了共計1 200次以上制動疲勞試驗，疲勞試驗盤載荷12.5 t、最高試驗速度220 km/h。疲勞試驗完成后，對被試制動盤的狀態(tài)進行查看，制動盤狀態(tài)良好，緊固件未出現(xiàn)松動及損壞跡象，盤體摩擦面未出現(xiàn)熱裂紋和明顯磨損情況，證明制動盤能夠滿足25 t及以下軸重動力車(機車)長期200 km/h速度運用的正常制動要求。制動盤疲勞試驗后的狀態(tài)參見圖8所示。

表6 1∶1制動動力試驗數(shù)據(jù)(220 km/h連續(xù)緊急制動)

圖8 疲勞試驗后狀態(tài)

3 制動夾鉗單元

制動夾鉗單元是基礎(chǔ)制動裝置的關(guān)鍵部件，其主要功能是將制動空氣壓力或儲能彈簧力轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械推力，推動閘片貼緊制動盤摩擦面，產(chǎn)生摩擦力矩。

3.1 基本結(jié)構(gòu)

制動夾鉗單元采用3點吊掛方式，安裝在轉(zhuǎn)向架構(gòu)架上，主要包括制動缸(或復(fù)合制動缸)、制動杠桿、制動吊架、閘片托、閘片托吊桿和銷軸等零部件組成。按照使用功能分為帶停放制動夾鉗單元和不帶停放制動夾鉗單元兩類，參見圖9和圖10所示，主要區(qū)別是制動缸的差異，復(fù)合制動缸帶有彈簧儲能停放制動缸。

圖9 帶停放制動夾鉗單元結(jié)構(gòu)

圖10 不帶停放制動夾鉗單元結(jié)構(gòu)

制動缸(或復(fù)合制動缸)帶有間隙自動調(diào)整裝置，可以始終保持制動盤和閘片的間隙處于設(shè)計值，也就是具有自動調(diào)整閘片間隙的功能。

3.2 基本原理

3.2.1空氣制動

制動時壓力空氣進入制動夾鉗單元的制動缸，推動制動缸活塞通過制動杠桿轉(zhuǎn)化為閘片的正壓力施加至制動盤上，閘片在制動盤的旋轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生摩擦作用，來實現(xiàn)調(diào)速或停車。

制動盤和閘片的正常間隙是由制動缸保證和調(diào)整的，運用過程中因閘片和制動盤磨耗積累，造成閘片與制動盤間隙不斷擴大，或者因更換閘片，造成的閘片與制動盤間隙擴大，都可以通過制動缸內(nèi)的間隙自動調(diào)整裝置實現(xiàn)自動調(diào)整，使制動盤與閘片的間隙縮小，并回復(fù)至正常間隙值范圍。

3.2.2停放制動

停放制動是將停放制動缸內(nèi)的儲能彈簧力轉(zhuǎn)化為活塞推力，經(jīng)缸內(nèi)楔塊放大后，通過制動杠桿轉(zhuǎn)化為閘片的正壓力施加至制動盤上，閘片與制動盤產(chǎn)生靜摩擦作用，實現(xiàn)車輛靜態(tài)長期停放。在車輛運行過程中，壓力空氣作用在停放制動缸活塞上，始終保持儲能彈簧處于受壓狀態(tài)。只有在動力車或動車組需要靜態(tài)停放時排出停放制動缸內(nèi)的壓力空氣，即可啟動停放制動作用；根據(jù)需要也可通過手動緩解機構(gòu)將儲能彈簧力釋放，實現(xiàn)停放制動作用的切除或停放制動的緩解。

3.3 基本參數(shù)

按照CR200J動力集中電動車組動力車技術(shù)要求、基礎(chǔ)制動裝置配置、制動機輸出壓力參數(shù)等技術(shù)信息，所確定的制動夾鉗單元基本參數(shù)見表7。

3.4 仿真計算

制動夾鉗單元設(shè)計過程中對制動吊架和制動杠桿主要承載零件進行了強度仿真計算，制動吊架最大應(yīng)力218 MPa、制動杠桿最大應(yīng)力278 MPa，均低于材料的屈服極限370 MPa，最小安全系數(shù)分別1.697和1.331，能夠滿足強度要求。制動吊架和制動杠桿的應(yīng)力云圖參見圖11和圖12所示。

表7 制動夾鉗單元基本參數(shù)

圖11 制動吊架應(yīng)力云圖

圖12 制動杠桿應(yīng)力云圖

3.5 疲勞試驗

按照TJ/JW 043—2014 《交流傳動機車制動夾鉗單元暫行技術(shù)條件》中的規(guī)定要求，對制動夾鉗單元進行了疲勞試驗，包括空氣制動和緩解疲勞試驗、停放制動和緩解疲勞試驗、停放制動手動緩解疲勞試驗。疲勞試驗完成后制動夾鉗狀態(tài)良好，并通過了所有規(guī)定的例行試驗項目試驗。

3.6 型式試驗

國家鐵路產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心選取能夠涵蓋所有規(guī)定試驗檢驗項目的帶停放制動夾鉗單元，按照TJ/JW 043—2014 《交流傳動機車制動夾鉗單元暫行技術(shù)條件》中規(guī)定的試驗項目進行了型式試驗，所有檢測項目均滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定和設(shè)計要求。

檢測項目包括：外觀檢查、強度試驗、靈敏度試驗、密封性試驗、一次調(diào)整量試驗、最大調(diào)整量試驗、緩解間隙試驗、輸出力試驗、靜態(tài)傳動效率試驗、手動復(fù)位試驗、手緩解拉力試驗、停放制動功能試驗、制動夾鉗單元稱重、低溫試驗、沖擊和振動試驗。

4 現(xiàn)車試驗及運用考核

4.1 停放制動試驗

2017年10月在中國鐵道科學(xué)研究院集團有限公司國家鐵道試驗中心進行了CR200J動力集中電動車組動力車停放制動試驗，依據(jù)停放制動閘片推力實測值計算得到停放坡度為51.5‰，滿足動力車在30‰坡道上安全停放的設(shè)計要求。停放制動閘片推力實測值見表8。

表8 停放制動閘片推力實測結(jié)果

4.2 運行制動試驗

2017年11月在中國鐵道科學(xué)研究院集團有限公司國家鐵道試驗中心進行了CR200J動力集中電動車組動力車運行制動試驗，制動初速度160 km/h緊急制動距離1 118 m，制動初速度120 km/h緊急制動距離659 m，滿足《鐵路技術(shù)管理規(guī)程》中對制動距離限值的要求。純空氣緊急制動試驗結(jié)果見表9。

表9 純空氣緊急制動試驗結(jié)果(大閘操縱)

4.3 運用考核

CR200J動力集中電動車組在完成整車型式試驗和正線綜合運行試驗后，于2018年4月13日～2018年7月29日期間，在蘭渝線進行了20萬km以上的運用考核。在完成累計201 072 km(初始里程為9 901 km)運用考核后，對動力車裝用的基礎(chǔ)制動裝置進行了狀態(tài)檢查。制動摩擦副狀態(tài)良好，參見圖13所示，制動盤緊固件正常、摩擦面未發(fā)現(xiàn)熱裂和明顯磨損、閘片磨耗較??；制動夾鉗單元外觀狀態(tài)良好，參見圖14所示，制動與緩解功能正常、停放制動施加與緩解功能正常。

圖13 制動摩擦副狀態(tài)

圖14 制動夾鉗狀態(tài)

5 結(jié) 論

(1)制動盤經(jīng)仿真計算、匹配粉末冶金閘片進行了1∶1制動動力試驗臺試驗和疲勞試驗(按最大軸重25 t)，滿足200 km/h速度等級動力車(機車)的正常制動要求；

(2)制動夾鉗單元經(jīng)主要承載零件強度仿真計算、疲勞試驗和型式試驗，符合TJ/JW 043—2014 《交流傳動機車制動夾鉗單元暫行技術(shù)條件》規(guī)定要求，各項性能指標(biāo)均滿足設(shè)計要求；

(3)CR200J動力集中電動車組動力車經(jīng)停放制動試驗表明，停放制動能力達(dá)到51.5‰，滿足動力車在30‰坡道上安全停放要求；經(jīng)運行制動試驗表明，160 km/h和120 km/h制動初速時，緊急制動距離分別為1 118 m和659 m,滿足《鐵路技術(shù)管理規(guī)程》中對制動距離限值的要求；

(4)CR200J動力集中電動車組經(jīng)過20萬km以上的運用考核，其基礎(chǔ)制動裝置狀態(tài)良好，表明自主化研制的基礎(chǔ)制動裝置夠滿足動力車(機車)長期可靠性能運用要求。