軌道交通車輛單元制動器停放制動力補(bǔ)償方案及其優(yōu)化計算 *

虞曉峰，余毅權(quán)

(南京中車浦鎮(zhèn)海泰制動設(shè)備有限公司，江蘇 南京 211800)

0 引 言

軌道交通車輛須在無壓縮空氣狀態(tài)下進(jìn)行車輛停放制動，通常采用裝備了儲能彈簧的單元制動器進(jìn)行停放力輸出。由于單元制動器空間受限，須采用高應(yīng)力、大載荷(剛度較大)的儲能彈簧，該彈簧輸出力值隨工作行程的變大而降低。單元制動器在生產(chǎn)及使用過程中難免出現(xiàn)尺寸偏差、彈性變形、機(jī)械磨損、制動摩擦副磨耗補(bǔ)償異常等造成儲能彈簧工作高度不穩(wěn)定的現(xiàn)象。因此，單元制動器的停放力值也常不穩(wěn)定。筆者提出一種采用弧線代替?zhèn)鹘y(tǒng)直線作為楔形放大作用線并進(jìn)行彈簧力值因行程影響導(dǎo)致降低而補(bǔ)償?shù)脑O(shè)計方法和具體計算過程，該方法可有效改善單元制動器停放制動力值不穩(wěn)定的現(xiàn)象，達(dá)到設(shè)計目標(biāo)。

1 作用原理

單元制動器作為軌道交通車輛的制動執(zhí)行機(jī)構(gòu)，其摩擦副間隙通常設(shè)置為3～6 mm。單元制動器具有磨耗自動補(bǔ)償功能，正常情況下，其制動盤與閘片的間隙均穩(wěn)定處于3～6 mm范圍內(nèi)，但實際使用過程中也存在偏離目標(biāo)范圍的情況，其間隙變化尤其對停放制動力影響較大。如圖1所示，一種采用儲能彈簧的單元制動器停放機(jī)構(gòu)，停放缸排氣釋放彈簧，彈簧驅(qū)動楔形拉桿，垂向彈簧力值被楔形拉桿傳遞至橫向的制動套筒最終傳遞給摩擦副產(chǎn)生停放制動。為充分利用車下空間，降低彈簧設(shè)計應(yīng)力，通常采用楔形放大機(jī)構(gòu)將彈簧輸出力進(jìn)行放大后使用。

圖1 停放機(jī)構(gòu)原理簡圖

傳統(tǒng)方法是采用直線作為放大作用曲線，放大倍率即為1/tanθ(θ<90°)，θ為滾子與楔形拉桿接觸點的切向角度(作用直線與垂直方向角度)，隨著彈簧工作高度增大，彈簧力值降低(彈簧輸出呈線性)，相應(yīng)的放大機(jī)構(gòu)輸出力也隨之降低。而采用弧線代替直線后，隨著彈簧工作高度增大，切向角度θ變小，放大倍率1/tanθ將增大，對放大機(jī)構(gòu)的輸出力進(jìn)行一定的補(bǔ)償。但因為彈簧輸出力在降低、放大倍率在增加，機(jī)構(gòu)輸出力的最終大小仍和作用曲線存在重要關(guān)聯(lián)。因此，研究作用曲線及其作用效果顯得十分必要。

2 輸出力計算及優(yōu)化分析

停放制動力的計算可根據(jù)機(jī)構(gòu)設(shè)計的空間尺寸進(jìn)行初步確定曲線參數(shù)，充分考慮機(jī)構(gòu)彈性變形、尺寸偏差等影響因子，利用Excel工具進(jìn)行公式化迭代計算，結(jié)合計算結(jié)果，反向計算曲線半徑，采用CAD繪圖幾何方法進(jìn)一步優(yōu)化楔形放大機(jī)構(gòu)的作用曲線，過程如圖2所示。

圖2 計算過程

2.1 輸出力計算

套筒滾子在楔形拉桿作用曲線上運動時，受力方向隨著作用曲線變化而變化，作用曲線由Ⅰ段、Ⅱ段組成。為便于闡述過程，對作用曲線進(jìn)行了幾何尺寸標(biāo)注和定義，如圖3所示。

圖3 幾何關(guān)系圖

(1) 放大倍率計算 為了縮短停放制動行程，楔形塊設(shè)計為分段曲線，第Ⅰ段為快速制動行程，第Ⅱ段為工作行程，分界點為坐標(biāo)為(x1，y1)，如圖3所示。因快速制動行程非工作面，此處不進(jìn)行分析。根據(jù)工作原理，x為停放制動行程，y停放彈簧伸長量，由幾何關(guān)系楔形塊的放大倍率i與停放制動行程x由如下關(guān)系：

當(dāng)停放制動行程大于x1(mm)時，停放倍率表達(dá)式為：

(1)

(2) 彈簧伸長量 根據(jù)圖3幾何關(guān)系，停放制動行程x與停放彈簧伸長量y有如下關(guān)系：

當(dāng)停放制動行程大于x1時，停放彈簧伸長量y表達(dá)式為：

(2)

(3) 輸出力計算 將機(jī)構(gòu)部件的尺寸公差累計間隙進(jìn)行分析計算得到衡量值Δ1；

將機(jī)構(gòu)部件進(jìn)行有限元分析計算，可得出機(jī)構(gòu)剛度δ，即可得到彈性變形Δ2，其與彈簧輸出力Fw基本成線性關(guān)系，因此有：

Δ2=Fw×δ

制動器的緩解間隙S，停放制動行程x：

x=S+Δ1+Δ2

(3)

彈簧設(shè)計剛度k，對應(yīng)的彈簧輸出力為：

Fw=F0-y×k

(4)

當(dāng)制動器處于理論間隙為S0(mm)時，停放制動行程x、彈簧的輸出力Fw、放大倍率i三個參數(shù)相互影響，此處對式(1)～(4)進(jìn)行迭代計算，即可確定Fw及i。

根據(jù)制動單元工作原理不難得出理論間隙為S0(mm)時停放制動力(α、β、γ為常數(shù))：

FP=(FW+α)×i×β+γ

(5)

2.2 優(yōu)化分析

由上述計算過程及結(jié)果可知，不同的理論間隙S0可算得出不同的x、Fw、i及FP。在產(chǎn)品設(shè)計中，優(yōu)化目標(biāo)是停放制動力值FP保持恒定，而FP保持恒定的關(guān)鍵在于作用曲線的設(shè)計。

在一款帶停放單元制動器設(shè)計中，根據(jù)機(jī)構(gòu)尺寸及空間，初步確定以下關(guān)鍵輸入?yún)?shù)，見表1。

表1 初步確定參數(shù)

采用EXCEL工具將式(1)～(5)進(jìn)行公式化，分別計算3～6 mm范圍內(nèi)(按0.1 mm遞進(jìn))的Fw、i及FP，將計算結(jié)果進(jìn)行圖表化分析，如圖4所示。

圖4 停放制動力初步計算結(jié)果

由圖4可知，既有作用曲線具有明顯放大作用且具有一定補(bǔ)償作用，但隨著緩解間隙增大，停放制動力出現(xiàn)了小幅下降。

針對上述結(jié)果，結(jié)合圖3幾何關(guān)系，取優(yōu)化目標(biāo)停放制動力Fw值為50 kN恒定值(力值大小取決于車輛停放制動需求)，根據(jù)式(5)，可得出相應(yīng)的放大倍率i值，再根據(jù)式(1)，即可計算出不同緩解間隙下的曲線半徑R值。此時計算所得的R值可認(rèn)為是目標(biāo)曲線位置近似圓的半徑。

借助于CAD工具分別以(緩解間隙初始值、中間值、最大值)3 mm、4.5 mm及6 mm時的y值作直線，確定停放彈簧工作高度。以三點不同位置對應(yīng)R值為半徑、圓心不變作圓，分別與三條直線相交形成3個模擬接觸點，再分別以上述3接觸點確定圓，該圓即為目標(biāo)作用曲線的理論輪廓。重新量取作用曲線的參數(shù)，如表2所列。

將優(yōu)化后的作用曲線參數(shù)帶入上述計算公式進(jìn)行輸出力計算，不同緩解間隙對應(yīng)停放制動力的結(jié)果如圖5所示。

表2 優(yōu)化參數(shù)取值 /mm

圖5 優(yōu)化后的停放制動力初步計算結(jié)果

對比圖4、5，優(yōu)化后的停放制動力明顯增加，并且力值下降趨勢明顯改善。

3 結(jié) 語

上述關(guān)于軌道交通車輛單元制動器產(chǎn)品設(shè)計中補(bǔ)償停放制動力衰減的設(shè)計方案及其計算方法,能夠根據(jù)設(shè)計目標(biāo)要求，考慮機(jī)構(gòu)剛度、尺寸公差等多種影響因子，進(jìn)行較為精確的停放制動力的計算，根據(jù)計算結(jié)果，采用幾何方法進(jìn)一步優(yōu)化楔形放大機(jī)構(gòu)的作用曲線。經(jīng)過對產(chǎn)品停放制動力進(jìn)行測試，結(jié)果表明隨著緩解間隙的增加，停放輸出力不再下降，補(bǔ)償方案及優(yōu)化計算明顯有效。文中提及的方案及計算在類似產(chǎn)品設(shè)計中具有重要的指導(dǎo)意義。