CRH2A 統(tǒng)型動車組制動閘片偏磨分析及改進(jìn)

楊九河

（1 中國鐵路成都局集團(tuán)有限公司，成都610082；2 西南交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，成都610031）

中國鐵路成都局集團(tuán)有限公司現(xiàn)配屬CRH2A統(tǒng)型動車組53 列，自2016 年以來共平均完成運(yùn)營里程達(dá)194.6 萬km/列。在CRH2A 統(tǒng)型動車組的二級檢修及一級檢修中，發(fā)現(xiàn)閘片出現(xiàn)偏磨現(xiàn)象，如圖1 所示。通過跟蹤調(diào)查閘片的偏磨情況，發(fā)現(xiàn)閘片偏磨僅發(fā)生在部分夾鉗上，同一片閘片上下的偏磨量δ約為3～5 mm，偏磨截面示意圖如圖2所示。

大量的學(xué)者及動車組工程技術(shù)人員針對動車組制動閘片磨耗行為開展了長期的研究和試驗。張祥杰等通過跟蹤測量CRH2A 型動車制動閘片磨耗量，認(rèn)為拖車閘片比動車閘片磨損快，同一個夾鉗的閘片存在偏磨的規(guī)律，從制動夾鉗結(jié)構(gòu)、工作原理等方面對閘片的磨耗原因進(jìn)行分析，并給出了5 種降低閘片磨耗，減少同一夾鉗閘片偏磨的措施［1］。黃傳東等對動車組不同控車模式閘片磨耗進(jìn)行跟蹤分析，得出減少空氣制動，提供電制動可以減少閘片磨耗［2］。李繼山認(rèn)為高寒動車組閘片異常磨耗是由天氣寒冷、渦流效應(yīng)、夾鉗結(jié)構(gòu)和制動壓力等多個因素共同造成［3］。孟繁輝等對一種動車組閘片裂損進(jìn)行仿真和實車試驗，給出閘片裂損解決措施［4］。張一喆等對我國的高速動車組閘片壽命進(jìn)行研究，使用威布爾分布建立閘片壽命模型，得出現(xiàn)行閘片更換周期過于頻繁的結(jié)論［5］。蘇州艾特光視電子技術(shù)有限公司基于機(jī)器視覺設(shè)計了動車組閘片測量系統(tǒng)，可以在動車組運(yùn)用中測量閘片厚度［6］。李萬新通過對在蘭新線運(yùn)行的一種動車組的制動盤仿真分析，給出在長大坡道運(yùn)行需要限速［7］。茍青炳等使用軟件仿真分析了一種動車組制動夾鉗吊裝方式的合理性，滿足疲勞和強(qiáng)度要求［8］。文獻(xiàn)［9-10］對動車組基礎(chǔ)制動進(jìn)行研究，給出當(dāng)前基礎(chǔ)制動的結(jié)構(gòu)特點，并對更高速度等級的基礎(chǔ)制動進(jìn)行了設(shè)計。

圖1 動車組閘片偏磨實物圖

針對成都局集團(tuán)有限公司配屬CRH2A 統(tǒng)型動車組的閘片偏磨現(xiàn)象，首先對該型動車組制動夾鉗閘片的磨耗情況進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和分析，其次根據(jù)制動夾鉗結(jié)構(gòu)分析閘片偏磨的原因，以此為依據(jù)提出了加裝夾鉗防傾斜裝置的方案，最后通過裝車運(yùn)用考核驗證該方案的應(yīng)用效果。

圖2 動車組閘片偏磨示意圖

1 基礎(chǔ)制動裝置結(jié)構(gòu)及原理

CRH2A 統(tǒng)型動車組基礎(chǔ)制動裝置安裝于轉(zhuǎn)向架上，采用空氣夾鉗盤形制動裝置，主要由制動輪盤、軸盤、夾鉗及防滑閥等構(gòu)成。動車采用輪盤制動，每軸配置2 套輪裝制動盤和輪裝制動夾鉗單元；拖車采用輪盤制動+軸盤制動，每軸配置2 套輪裝制動盤和2 套軸裝制動盤及對應(yīng)的制動夾鉗單元。制動夾鉗單元又分為輪盤型RZKKTYPE18和軸盤型RZKKTYPE12 這2 種型號，其結(jié)構(gòu)基本相同，不同的是在部分軸盤型上裝有停放制動裝置。制動夾鉗采用4 點吊掛緊湊式結(jié)構(gòu)，夾鉗結(jié)構(gòu)如圖3 所示。制動時制動缸充入壓縮空氣，推動活塞運(yùn)動，帶動推桿使閘調(diào)器張開，使杠桿圍繞曲軸轉(zhuǎn)動，閘片抱緊制動盤，從而產(chǎn)生制動力。

停放制動裝置布置在全列拖車（1、4、5、8 車）的每個轉(zhuǎn)向架1、4 位軸盤，停放制動裝置結(jié)構(gòu)如圖4 所示，全列共計16 套，能夠滿足動車組定員載荷時在20‰的坡度上停放不溜逸。停放制動單元缸為彈簧儲能式制動缸，在停放制動緩解時，壓縮空氣充入停放制動缸，彈簧被壓縮。停放制動施加時，停放缸內(nèi)的壓縮空氣被排出，彈簧力施加到制動夾鉗上。停放制動裝置處配有停放制動緩解拉繩，通過拉動拉繩可手動緩解停放制動。

圖3 制動夾鉗結(jié)構(gòu)圖

2 閘片偏磨數(shù)據(jù)采集與分析

2.1 閘片偏磨數(shù)據(jù)采樣方案

為分析偏磨和制動夾鉗動作之間的關(guān)系，獲取動車和拖車轉(zhuǎn)向架偏磨位置及趨勢，選取1 列CRH2A 統(tǒng)型動車組為研究對象。對該列動車組每一輛車的2 個轉(zhuǎn)向架進(jìn)行位置劃分并進(jìn)行編號，如圖5 所示。其中W 和A 分別代表輪盤制動和軸盤制動，L 和R 分別代表左側(cè)和右側(cè)。CRH2A 統(tǒng)型動車組的每副閘片由左右2 片組成，每片閘片有17 個粉末冶金摩擦塊，左側(cè)閘片從下到上依次編為1～17 號，右側(cè)閘片從下到上依次編為18～34 號，如圖6所示。跟蹤測量時，左側(cè)閘片1、9、10、17 號，1、17號摩擦塊剩余厚度之差即閘片上下偏磨量，9、10號摩擦塊剩余厚度之差即閘片左右偏磨量；右側(cè)閘片偏磨量測量原理與左側(cè)閘片一致。

圖4 停放制動裝置

2.2 閘片偏磨測量結(jié)果

選取1 組CRH2A 統(tǒng)型動車組中04 車（拖車）和06 車（動車）進(jìn)行跟蹤，跟蹤結(jié)束后測量閘片偏磨量。測量發(fā)現(xiàn)04 車2、3、6、7 輪盤，1、2、3、6、7 位軸盤閘片偏磨量在0～3 mm；1、5 位輪盤，4、5、8 位軸盤閘片偏磨量在3～5 mm；4、8 位輪盤閘片偏磨大于5 mm。06 車1、2、3、4、6、7、8 輪盤閘片偏磨量在0～3 mm；5 位輪盤閘片偏磨量在3～5 mm。通過分析發(fā)現(xiàn)采樣動車組中的閘片磨損分布不均等。

進(jìn)一步測量全列96 副閘片偏磨值和剩余的最小閘片厚度，測量情況如圖7 所示，每個點代表了輪盤與軸盤閘片的偏磨值和剩余最小厚度。結(jié)果表明大部分閘片的偏磨范圍為1～3 mm，偏磨量＞5 mm 的有15 副，占閘片總量的15.6%。拖車上的偏磨通常比動車嚴(yán)重，帶停放制動的夾鉗單元閘片更容易發(fā)生偏磨。

圖5 采樣夾鉗編號

圖6 閘片上粉末冶金摩擦塊的測量位置

圖7 全列閘片偏磨分布

3 閘片偏磨原因分析

CRH2A 統(tǒng)型動車組采用的是直通式電空復(fù)合制動，其制動力混合分配優(yōu)先順序為：首先是動車轉(zhuǎn)向架的再生制動，其次是拖車轉(zhuǎn)向架的空氣制動，最后是動車轉(zhuǎn)向架的空氣制動。列車控制系統(tǒng)盡量優(yōu)先采用再生制動實施要求的制動，如果采用再生制動的制動效果不夠，列車控制系統(tǒng)將采用空氣制動進(jìn)行補(bǔ)充。在混合制動過程中，由列車控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)空氣制動的參考信號，以便于在動車和拖車轉(zhuǎn)向架之間均勻分配制動效果。在制動過程中，列車控制系統(tǒng)將持續(xù)監(jiān)控達(dá)到的再生制動效果，并將制動參考信號分配給不同車輛。通過以上原理并結(jié)合測量數(shù)據(jù)，不難看出，由于動車組制動力分配中拖車空氣制動使用比動車的空氣制動多，閘片磨耗也多，出現(xiàn)偏磨的可能性增加。下面從3 個方面分析閘片偏磨原因。

3.1 制動夾鉗重心傾斜影響

制動夾鉗由4 個緊固螺栓固定在轉(zhuǎn)向架的制動吊座上實現(xiàn)。當(dāng)轉(zhuǎn)向架構(gòu)架繞著X軸旋轉(zhuǎn)時，中心懸掛銷允許制動夾鉗單元傾斜并進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，從而與制動盤平行。制動夾鉗單元的重心與懸掛銷在Y軸上的中心有輕微偏移，導(dǎo)致夾鉗單元順時針方向傾斜，如圖8 所示。

圖8 制動夾鉗重心傾斜示意圖

3.2 制動軟管連接影響

經(jīng)收集不同位置偏磨閘片，觀察閘片偏磨現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)輪裝制動夾鉗閘片和軸裝制動夾鉗閘片的偏磨方向都是相同的，從不同位置、側(cè)位的夾鉗背后看，閘片磨損形狀總是朝著順時針方向，如圖9 所示?？紤]制動軟管連接緊固方向同樣為順時針方向，存在制動軟管完成緊固后對夾鉗產(chǎn)生順時針附加力的可能，導(dǎo)致夾鉗更換閘片后即開始逐漸偏磨，后續(xù)隨著車組運(yùn)用，閘片的偏磨造成了重心的偏移，共同造成了偏磨的加劇。因此，考慮制動軟管連接產(chǎn)生的附加力可能是偏磨的初始影響因素。

圖9 制動軟管分析

3.3 遠(yuǎn)程緩解拉繩影響

調(diào)查發(fā)現(xiàn)，帶停放的制動夾鉗閘片出現(xiàn)偏磨的概率明顯高于不帶停放的軸裝制動夾鉗閘片，50%的帶停放的制動夾鉗出現(xiàn)了逆時針方向的傾斜（從夾鉗后視圖看）。當(dāng)拆掉2 根遠(yuǎn)程緩解拉繩后，制動夾鉗的傾斜消除，垂直的扭矩從14 N·m 減到4 N·m 左右。

根據(jù)以上分析，夾鉗自身的重心不對中，當(dāng)與制動軟管和遠(yuǎn)程緩解拉繩產(chǎn)生的力矩疊加后，會導(dǎo)致夾鉗出現(xiàn)一定的傾斜，從而誘發(fā)閘片的偏磨。

4 閘片防偏磨結(jié)構(gòu)設(shè)計和運(yùn)用考核

4.1 閘片防傾斜裝置

由于夾鉗的傾斜是引起閘片偏磨的主要原因，因此在制動夾鉗上加裝了防傾斜裝置，使夾鉗保持在正確位置上。防傾斜裝置包括2 個彈簧墊圈包，在制動夾鉗支架銷殼體兩邊各安裝一個，向支架銷產(chǎn)生約為18～20 N·m 的力矩，在緩解時迫使夾鉗回到垂直位置，防止制動夾鉗單元出現(xiàn)傾斜的現(xiàn)象，如圖10 所示。

防傾斜裝置的作用原理為：彈簧墊圈通過對中的外殼將橫向的力傳遞至黃色高亮顯示的活塞上，活塞可以沿軸向運(yùn)動，壓縮的彈簧墊圈則實現(xiàn)了外殼和支撐銷垂直方向的運(yùn)動。假設(shè)夾鉗初始在垂直位置，左右對中；當(dāng)外部載荷超出了內(nèi)部彈簧墊圈的力，則活塞在彈簧墊圈進(jìn)一步的壓縮作用下開始移動，使夾鉗出現(xiàn)傾斜；當(dāng)外部載荷減小至小于內(nèi)部彈簧墊圈的壓縮力，則外殼會重新定位至垂直的位置，如圖11 所示。

圖10 防傾斜裝置

圖11 對中裝置作用原理

4.2 裝車運(yùn)用考核驗證

選取配屬貴陽車輛段的2 組CRH2A 統(tǒng)型動車組CRH2A-2365 和CRH2A-2373 進(jìn)行制動夾鉗防傾斜裝置的運(yùn)用考核，考核周期為40 萬km。車輛上線運(yùn)行后，每次入庫檢查制動夾鉗、制動盤、閘片狀態(tài)，重點檢查防傾斜裝置的狀態(tài)。40 萬km 的運(yùn)用考核結(jié)果表明，加裝防傾斜裝置的制動閘片未出現(xiàn)大于3 mm 以上的偏磨，對制動閘片的偏磨有較好的抑制作用。

5 結(jié)束語

通過CRH2A 統(tǒng)型動車組閘片偏磨數(shù)據(jù)采樣和制動夾鉗結(jié)構(gòu)的分析，動車組閘片偏磨的主要原因是：夾鉗自身的重心不對中，同時制動軟管和遠(yuǎn)程緩解拉繩產(chǎn)生附加力矩，使夾鉗出現(xiàn)一定的傾斜，從而誘發(fā)閘片的偏磨。針對制動夾鉗對中的問題，設(shè)計了制動夾鉗防傾斜裝置，通過裝車運(yùn)用考核證明了該裝置的有效性。