變軌距轉(zhuǎn)向架用制動(dòng)夾鉗變軌裝置設(shè)計(jì)與試驗(yàn)*

李 輝，郝 亮，張慶爽，趙彥利

（1 北京縱橫機(jī)電科技有限公司，北京100094；2 中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 機(jī)車車輛研究所，北京100081）

據(jù)統(tǒng)計(jì)，全世界目前一共有100多種不同的軌距，主要尺寸位于600~1 676 mm之間。當(dāng)前，不同軌距跨國(guó)跨地區(qū)鐵路運(yùn)輸一般采用換裝或換乘、更換走行部的方式進(jìn)行，大大降低了鐵路運(yùn)輸?shù)男?，提高了運(yùn)輸成本。不同軌距間的互聯(lián)互通、直通運(yùn)行是亟待解決的問題，采用變軌距轉(zhuǎn)向架是行之有效的首選方案［1］。變軌距轉(zhuǎn)向架與傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向架的不同在于采用了軌距可變輪對(duì)。

變軌距轉(zhuǎn)向架基礎(chǔ)制動(dòng)裝置的設(shè)計(jì)需要滿足不同軌距下的兼容問題，在轉(zhuǎn)向架變軌過程中，輪裝制動(dòng)盤與車輪一起發(fā)生橫向移動(dòng)，因此，輪裝制動(dòng)夾鉗單元需要跟隨車輪的橫向移動(dòng)進(jìn)行隨動(dòng)，并且能夠在新的軌距位置進(jìn)行自鎖固定，這是傳統(tǒng)夾鉗不具備的功能。

根據(jù)科技部400 km/h制動(dòng)系統(tǒng)研制任務(wù)書分工，北京縱橫機(jī)電科技有限公司研制了一種適用于1 435 mm/1 520 mm變軌距轉(zhuǎn)向架的制動(dòng)夾鉗變軌裝置，并進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。

1 制動(dòng)夾鉗變軌裝置設(shè)計(jì)

變軌距夾鉗整體方案如圖1所示。該夾鉗為四點(diǎn)緊湊式夾鉗，主要由3部分組成，分別為變軌裝置、制動(dòng)夾鉗和膜板式制動(dòng)缸。與傳統(tǒng)夾鉗相比，所增加的變軌裝置用于感應(yīng)變軌過程中車輪的橫向移動(dòng)并跟隨移動(dòng)，最終實(shí)現(xiàn)變軌前后變軌裝置與車輪相對(duì)位置不變的目的。

圖1 變軌距制動(dòng)夾鉗整體方案

1.1 變軌裝置模式

變軌裝置的設(shè)計(jì)一般分為有源和無源2種模式。所謂有源，一般在輪裝制動(dòng)夾鉗安裝座設(shè)置電氣控制隨動(dòng)機(jī)構(gòu)，在變軌過程中主動(dòng)的施加電氣控制指令，通過油缸/氣缸等驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)將夾鉗同步隨著車輪進(jìn)行移動(dòng)［1］。這種模式必須為每個(gè)輪對(duì)增設(shè)相應(yīng)的液壓/氣動(dòng)控制和操作系統(tǒng)，相應(yīng)地提高了系統(tǒng)復(fù)雜程度和故障風(fēng)險(xiǎn)。所謂無源，僅通過以車輪的橫向移動(dòng)和推力作為輸入信號(hào)，夾鉗被動(dòng)/被迫在變軌裝置滑動(dòng)部件上進(jìn)行橫向移動(dòng)，最終達(dá)到與車輪相對(duì)位置保持不變的目的。

盧權(quán)等設(shè)計(jì)的變軌裝置采用的是無源模式，變軌過程中以車輪的橫向移動(dòng)作為輸入，通過設(shè)置W形越程回復(fù)機(jī)構(gòu)和鎖緊機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)變軌裝置的變軌到位和位置鎖定功能［2］。

1.2 變軌裝置原理

本變軌裝置采用無源模式，其原理如圖2所示。變軌裝置主要由觸發(fā)機(jī)構(gòu)、導(dǎo)向及承載機(jī)構(gòu)和變位鎖緊機(jī)構(gòu)等組成。觸發(fā)機(jī)構(gòu)在變軌過程中采集和接收車輪的橫向移動(dòng)，觸發(fā)機(jī)構(gòu)左右2個(gè)觸點(diǎn)與車輪保持一定距離（無作用距離），以保證車輛高速運(yùn)行時(shí)（轉(zhuǎn)向架構(gòu)架與輪對(duì)存在橫向位移）觸點(diǎn)不與輪對(duì)接觸。導(dǎo)向和承載結(jié)構(gòu)由導(dǎo)向承載軌和承載軌組成，在變軌工況時(shí)導(dǎo)向承載軌起到隨動(dòng)部件的導(dǎo)向作用，在制動(dòng)工況時(shí)導(dǎo)向承載軌和承載軌共同承載夾鉗制動(dòng)力。變位鎖緊機(jī)構(gòu)用于鎖定變軌裝置，保證車輛高速運(yùn)行時(shí)夾鉗位置不變。

本變軌裝置利用2個(gè)鉸接桿件壓縮的不穩(wěn)定性和位置限定的原理實(shí)現(xiàn)位置變換并鎖定，用于軌道運(yùn)輸車輛（包括有動(dòng)力或無動(dòng)力）運(yùn)行中自動(dòng)變軌距并鎖定。具體實(shí)現(xiàn)原理如圖2所示，點(diǎn)A1和點(diǎn)A2為固定鉸接部，點(diǎn)B1為活動(dòng)鉸接部，固定在制動(dòng)夾鉗上，點(diǎn)O是機(jī)構(gòu)中心。在2個(gè)彈簧力F的作用下，點(diǎn)B1豎直方向（轉(zhuǎn)向架縱向）的分力為0，點(diǎn)B1水平方向（轉(zhuǎn)向架橫向）的分力為2Fsinα，在該水平分力作用下，能夠克服由于轉(zhuǎn)向架橫向振動(dòng)引起的制動(dòng)夾鉗橫向移動(dòng)的慣性力。在制動(dòng)夾鉗從右側(cè)變軌至左側(cè)過程中，當(dāng)車輪變軌到位時(shí)，制動(dòng)夾鉗點(diǎn)B1移動(dòng)距離為：變軌距離-無作用距離，即點(diǎn)B1移動(dòng)至點(diǎn)B20，2個(gè)彈簧力F在點(diǎn)B20水平方向的分力為2Fsinβ，方向向左，該水平分力推動(dòng)制動(dòng)夾鉗自行移動(dòng)（無作用距離），到達(dá)點(diǎn)B2并在該位置受到彈簧力水平方向分力2Fsinα，實(shí)現(xiàn)制動(dòng)夾鉗變軌到位并鎖定的功能。

圖2 變軌裝置原理示意圖

1.3 變軌裝置結(jié)構(gòu)

變軌裝置組成結(jié)構(gòu)如圖3所示，變軌裝置組成主要由托架、前擋、后擋、滑動(dòng)塊、彈簧座、彈簧和感應(yīng)軸承組成?；瑒?dòng)塊左端設(shè)有感應(yīng)軸承，感應(yīng)軸承接收到車輪變軌位移后，滑動(dòng)塊可沿滑動(dòng)軸橫向移動(dòng)，在托架左右兩側(cè)設(shè)置有滑動(dòng)塊限位端面。

圖3 變軌裝置組成

變軌裝置能夠?qū)崿F(xiàn)隨動(dòng)功能的關(guān)鍵部件為彈簧座與彈簧配合的組件，共6組，每組包括2個(gè)孔軸導(dǎo)向配合的彈簧座和1個(gè)彈簧，相互配合的2個(gè)彈簧座分別安裝在滑動(dòng)塊和前擋（或后擋），且彈簧座全部鉸接活動(dòng)部件。

托架通過4點(diǎn)連接至轉(zhuǎn)向架構(gòu)架，前擋和后擋與托架通過螺栓剛性連接。6組壓縮彈簧會(huì)在橫向產(chǎn)生分力，該力將滑動(dòng)塊固定在托架限位位置。當(dāng)完成標(biāo)準(zhǔn)軌—寬軌變軌切換后，滑動(dòng)塊被固定在托架的另一側(cè)限位位置。

2 變軌裝置隨動(dòng)過程

車輪在速度15~30 km/h時(shí)實(shí)現(xiàn)寬軌—標(biāo)準(zhǔn)軌切換，現(xiàn)以動(dòng)車轉(zhuǎn)向架用TKD609CU30L型夾鉗變軌裝置為對(duì)象闡述變軌過程，軌距由寬軌向標(biāo)準(zhǔn)軌切換［單個(gè)車輪或隨動(dòng)機(jī)構(gòu)的變軌移動(dòng)量為43.5 mm］過程中變軌裝置狀態(tài)如下：

（1）軌距切換之前，即在寬軌狀態(tài)時(shí)，車輪與左右兩側(cè)的感應(yīng)軸承橫向間隙（無作用距離）均為10 mm；

（2）車輛進(jìn)入變軌區(qū)域后，車輪在地面設(shè)施引導(dǎo)軌的擠壓作用下向左側(cè)移動(dòng)10 mm時(shí)，車輪與隨動(dòng)機(jī)構(gòu)左側(cè)感應(yīng)軸承接觸，與右側(cè)感應(yīng)軸承間隙為20 mm；

（3）車輪向左側(cè)移動(dòng)10 mm+43.5 mm/2=31.75 mm時(shí)，隨動(dòng)機(jī)構(gòu)完成1/2變軌位移（21.75 mm）時(shí)間內(nèi)，車輪仍與隨動(dòng)機(jī)構(gòu)左側(cè)感應(yīng)軸承接觸，與右側(cè)感應(yīng)軸承間隙為20 mm；

（4）車輪繼續(xù)向左移動(dòng)時(shí)，變軌裝置彈簧力在水平方向分力的方向由向右切換為向左，理論上滑動(dòng)塊在彈簧力的作用下可自行向左加速移動(dòng)，此后左側(cè)感應(yīng)軸承與車輪分離；

（5）在彈簧力作用下，滑動(dòng)塊加速向左移動(dòng)至托架定位面，同時(shí)車輪繼續(xù)向左移動(dòng)，直至滑動(dòng)塊和車輪均完成43.5 mm變軌位移量。至此，變軌裝置實(shí)現(xiàn)了由寬軌至標(biāo)準(zhǔn)軌的軌距切換。

軌距由標(biāo)準(zhǔn)軌向?qū)捾壡袚Q時(shí)變軌機(jī)構(gòu)的隨動(dòng)過程與上述內(nèi)容基本一致，呈對(duì)稱關(guān)系，在此不再贅述。

3 結(jié)構(gòu)及功能特點(diǎn)

3.1 變軌功能可靠性

本變軌裝置的設(shè)計(jì)采用的是無源模式，夾鉗的橫向移動(dòng)不依靠單獨(dú)的控制及驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，僅依靠車輪的橫向移動(dòng)作為動(dòng)力源，可以很好地與車輪移動(dòng)保持同步。另外，該變軌裝置動(dòng)作原理及內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，因此變軌功能可靠性良好。

3.2 橫向振動(dòng)適應(yīng)能力

變軌裝置安裝在轉(zhuǎn)向架構(gòu)架上，高速動(dòng)車組在涵蓋所有運(yùn)用工況下，構(gòu)架橫向振動(dòng)加速度實(shí)測(cè)幅值為50 m/s2左右［3］。經(jīng)理論計(jì)算，在本變軌裝置6組彈簧所提供的鎖止力可保證構(gòu)架在橫向振動(dòng)加速度≤150 m/s2（15g）時(shí)，制動(dòng)夾鉗位置保持不動(dòng)，滑動(dòng)軸無振動(dòng)磨耗。因此在動(dòng)車組在高速運(yùn)行時(shí)，該變軌裝置具有良好的橫向振動(dòng)鎖止能力。

本變軌裝置在車輛固定軌距高速運(yùn)行時(shí)依靠6組壓縮彈簧將制動(dòng)夾鉗在橫向固定，在構(gòu)架發(fā)生橫向較大量級(jí)振動(dòng)加速度（>15g）時(shí)，6組彈簧可以起到緩沖吸能減振的作用，這種結(jié)構(gòu)相對(duì)鎖定銷（鎖定塊）固定方式，不存在橫向振動(dòng)沖擊時(shí)受剪及磨耗的優(yōu)勢(shì)，因此該結(jié)構(gòu)具有更好的耐久疲勞性能。

4 地面試驗(yàn)情況

裝有本變軌裝置的變軌距制動(dòng)夾鉗在北京縱橫機(jī)電科技有限公司和中鐵檢驗(yàn)認(rèn)證中心先后進(jìn)行了常溫例行試驗(yàn)、低溫型式試驗(yàn)和沖擊振動(dòng)型式試驗(yàn)，各項(xiàng)試驗(yàn)結(jié)果均滿足設(shè)計(jì)要求，性能良好。

4.1 常溫例行試驗(yàn)

常溫條件下，在制動(dòng)夾鉗單元專用試驗(yàn)臺(tái)上對(duì)變軌距制動(dòng)夾鉗單元的氣密性、靈敏度、一次調(diào)整量、最大調(diào)整量、緩解間隙、輸出力、靜態(tài)傳動(dòng)效率、變軌動(dòng)作等項(xiàng)點(diǎn)進(jìn)行例行試驗(yàn)，以上項(xiàng)點(diǎn)均滿足例行試驗(yàn)規(guī)范要求。

圖4 例行試驗(yàn)

4.2 低溫型式試驗(yàn)

按照項(xiàng)目使用環(huán)境溫度最低為-50℃的要求，將變軌距制動(dòng)夾鉗單元在-50℃低溫箱內(nèi)保溫48 h后，檢測(cè)氣密性、靈敏度、一次調(diào)整量、最大調(diào)整量、緩解間隙、變軌動(dòng)作等試驗(yàn)項(xiàng)點(diǎn)，以上項(xiàng)點(diǎn)均滿足型式試驗(yàn)規(guī)范要求。

4.3 振動(dòng)沖擊試驗(yàn)

按照IEC 61373：2010標(biāo)準(zhǔn)［4］（轉(zhuǎn)向架2類）試驗(yàn)工況對(duì)變軌距制動(dòng)夾鉗單元進(jìn)行功能性隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)、模擬長(zhǎng)壽命振動(dòng)試驗(yàn)及沖擊試驗(yàn)，完成振動(dòng)沖擊試驗(yàn)后對(duì)試驗(yàn)樣品進(jìn)行外觀檢查及常溫全性能試驗(yàn)，各項(xiàng)試驗(yàn)結(jié)果均符合規(guī)定要求。

5 總結(jié)

作為保障動(dòng)車組制動(dòng)安全的基礎(chǔ)，變軌距制動(dòng)夾鉗單元是變軌距轉(zhuǎn)向架的關(guān)鍵部件，該部件需要在轉(zhuǎn)向架變軌過程中實(shí)現(xiàn)夾鉗同步變軌動(dòng)作，且變軌前后夾鉗需要保持在固定位置，應(yīng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、變軌定位準(zhǔn)確、功能可靠、耐久性良好等特點(diǎn)。

文中著重對(duì)制動(dòng)夾鉗變軌裝置的設(shè)計(jì)、變軌隨動(dòng)過程和試驗(yàn)進(jìn)行了詳細(xì)說明，各項(xiàng)地面試驗(yàn)結(jié)果表明本變軌裝置滿足設(shè)計(jì)要求。后續(xù)將結(jié)合變軌距制動(dòng)夾鉗單元的裝車和使用，對(duì)該裝置進(jìn)行進(jìn)一步的研究。