適應(yīng)超大坡道齒軌車輛用帶式制動(dòng)裝置的研制*

沈銘乾，艾正武，毛金虎，王麗

（1.中車株洲電力機(jī)車有限公司，湖南株洲412001；2.軌道車輛制動(dòng)技術(shù)湖南省工程實(shí)驗(yàn)室，湖南株洲412001）

0 引言

齒軌車輛通過齒軌輪與齒軌間的嚙合傳動(dòng)，將制動(dòng)力通過齒軌輪作用在齒軌上，不受輪軌黏著力的限制[1]，實(shí)現(xiàn)列車在超大坡度上的安全運(yùn)行。目前國外既有齒軌線路坡度覆蓋120‰～480‰，而國內(nèi)尚無載客運(yùn)營的齒軌線路。根據(jù)瑞士鐵路技術(shù)規(guī)范（AB-EBV）相關(guān)規(guī)定，齒軌車輛應(yīng)具備兩套相互獨(dú)立的機(jī)械制動(dòng)器，其中至少一套制動(dòng)器為純齒軌制動(dòng)器[2]。隨著國內(nèi)山地軌道交通市場(chǎng)的發(fā)展需求，研制適應(yīng)超大坡道齒軌車輛及其制動(dòng)裝備勢(shì)在必行。

目前，國內(nèi)城市軌道車輛多采用閘瓦制動(dòng)和盤形制動(dòng)兩種，此類制動(dòng)器均屬輪軌制動(dòng)，當(dāng)制動(dòng)力大于黏著力時(shí)，輪對(duì)將發(fā)生滑行，制動(dòng)力將迅速下降[3]。受限于黏著力，上述基礎(chǔ)制動(dòng)裝置無法滿足超大坡道車輛的制動(dòng)需求。

國內(nèi)帶式制動(dòng)裝置主要應(yīng)用于船舶、港機(jī)等領(lǐng)域[4]，帶式制動(dòng)裝置包角大，制動(dòng)力矩大，同樣的制動(dòng)輪直徑時(shí)，帶式為塊式的2～2.5倍[5]。為獲得較大制動(dòng)力，結(jié)構(gòu)往往十分龐大，無法適應(yīng)軌道車輛走行部的狹小空間。

本文提供的適應(yīng)超大坡道齒軌車輛用帶式制動(dòng)裝置是一種純齒軌制動(dòng)器，其制動(dòng)鼓與齒軌輪剛性連接，不受黏著力的限制。并通過采用一種復(fù)合式帶結(jié)構(gòu)，克服了制動(dòng)力與走行部空間不足的問題，具有結(jié)構(gòu)緊湊、制動(dòng)包角大、制動(dòng)效率高、摩擦面積大、易于維護(hù)等特點(diǎn)，為自主化齒軌車輛制動(dòng)系統(tǒng)的研制提供了解決方案。

1 帶式制動(dòng)裝置設(shè)計(jì)原理

帶式制動(dòng)裝置主要由4大部分構(gòu)成：（1）動(dòng)力源，由電磁線圈、氣液動(dòng)力元件或彈簧等提供；（2）制動(dòng)力放大機(jī)構(gòu)，包括制動(dòng)桿及各鉸接副；（3）緩解機(jī)構(gòu)，包括緩解動(dòng)力元件、杠桿臂及各鉸接副；（4）摩擦副組成，包括制動(dòng)帶、閘片以及制動(dòng)鼓等。制動(dòng)時(shí)為了使制動(dòng)帶與制動(dòng)鼓更好地貼合，制動(dòng)帶采用圓弧型薄壁撓性體，對(duì)制動(dòng)帶進(jìn)行受力分析如圖1所示。

圖1 帶式制動(dòng)裝置受力分析

1.1 撓性體摩擦原理

取制動(dòng)帶dθ單元體進(jìn)行受力分析，其主要受到以下幾個(gè)力：正壓力Fn=PBR·dθ；摩擦力Fμ=μ·Fn；離心力Fe=mω2BR·dθ；切向的帶拉力Fτ和Fτ+dF。其中，P為單位面積上的壓力；B為帶寬度；μ為摩擦因數(shù)；m為單位面積質(zhì)量；ω為角速度；α為制動(dòng)帶包角。根據(jù)各向受力平衡可得：

徑向受力平衡：

式（1）可簡化為：

當(dāng)ω恒定時(shí)，離心力Fe為常量，將式（2）微分后得：

切向受力平衡：

當(dāng)dθ足夠小時(shí)

代入?yún)?shù)，且當(dāng)dθ足夠小時(shí)，，式（4）可簡化為：

聯(lián)立式（3）和（5），可得：

將式（6）積分得：

制動(dòng)力矩：

根據(jù)力矩平衡原理：

聯(lián)立式（2）、（7）、（9），且當(dāng)ω→0時(shí)，可得：

式（10）即為帶傳動(dòng)撓性摩擦歐拉公式的推導(dǎo)，是帶式制動(dòng)裝置設(shè)計(jì)的理論基礎(chǔ)。

1.2 帶式制動(dòng)裝置制動(dòng)力計(jì)算

蓄能彈簧為整個(gè)裝置的動(dòng)力源，彈簧拉力Ft制動(dòng)桿的放大作用到制動(dòng)帶上，產(chǎn)生制動(dòng)帶兩端的制動(dòng)力F1和F2，此時(shí)制動(dòng)力F即為F1和F2的合力，制動(dòng)力F產(chǎn)生的力矩T=F·R。

聯(lián)立式（9）、（10）可得：

從圖1受力分析可得：

其中，l為制動(dòng)力放大力臂，a為阻力臂，η為傳動(dòng)效率，聯(lián)立式（10）、（11），可以得：

設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)整車制動(dòng)力需求及分配原則，確定帶式制動(dòng)裝置所需輸出制動(dòng)力，進(jìn)而確定制動(dòng)力矩及蓄能彈簧輸出力值，為蓄能彈簧的設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

2 帶式制動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)及安裝布置

2.1 帶式制動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)

DSZD-A2型帶式制動(dòng)裝置為被動(dòng)式制動(dòng)執(zhí)行部件，其主要由以下幾個(gè)部分構(gòu)成：緩解閘缸、杠桿臂、制動(dòng)力平衡機(jī)構(gòu)、制動(dòng)桿、制動(dòng)帶、制動(dòng)鼓、防貼輪機(jī)構(gòu)、蓄能彈簧及安裝板等，如圖2所示。帶式制動(dòng)裝置能夠滿足車輛在不同方向上行駛的制動(dòng)需求，車輛正常運(yùn)行時(shí)，緩解閘缸處于充風(fēng)狀態(tài)，緩解風(fēng)壓根據(jù)蓄能彈簧組輸出的拉力設(shè)定。當(dāng)車輛在齒軌路段進(jìn)行緊急制動(dòng)、保持制動(dòng)或停放制動(dòng)時(shí)，排出緩解閘缸內(nèi)壓力空氣，在蓄能彈簧組拉力作用下，制動(dòng)力經(jīng)制動(dòng)桿的放大，使得制動(dòng)帶抱緊制動(dòng)鼓，從而將制動(dòng)力作用到齒軌輪及齒軌上。

圖2 DSZD-A2型帶式制動(dòng)裝置機(jī)構(gòu)示意圖

2.2 帶式制動(dòng)裝置安裝布置

適應(yīng)超大坡道齒軌車輛用DSZD-A2型帶式制動(dòng)裝置采用軸裝斜對(duì)稱布置的方式，安裝在齒軌轉(zhuǎn)向架的空心軸上，其中帶式制動(dòng)裝置制動(dòng)鼓與齒軌輪固定連接。制動(dòng)力通過制動(dòng)鼓傳遞到齒軌輪上，最終經(jīng)齒軌輪將制動(dòng)力作用到齒軌上，從而實(shí)現(xiàn)制動(dòng)，如圖3所示。帶式制動(dòng)裝置作為齒軌列車安全制動(dòng)裝置，參與齒軌列車在超大坡道上列車的緊急制動(dòng)、保持制動(dòng)及停放制動(dòng)。

圖3 DSZD-A2型帶式制動(dòng)裝置安裝示意圖

3 帶式制動(dòng)裝置關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

3.1 復(fù)合式帶結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

DSZD-A2型帶式制動(dòng)裝置采用復(fù)合式帶結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，其具備雙制動(dòng)帶、雙蓄能彈簧以及雙制動(dòng)桿。該設(shè)計(jì)優(yōu)點(diǎn)在于：可以有效增大帶式制動(dòng)裝置的制動(dòng)包角，與傳統(tǒng)的單制動(dòng)帶結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相比，能極大地提高制動(dòng)效率，降低制動(dòng)帶及閘片的比壓力[6]，提高制動(dòng)帶的使用壽命，降低閘片的磨耗。

制動(dòng)帶比壓力計(jì)算公式為：

式中：P為比壓力；F為制動(dòng)帶張力；D為制動(dòng)鼓直徑；B為制動(dòng)帶寬度；[P]為許用比壓力。

從式（2）、（14）可以看出，受限于比壓力，制動(dòng)鼓直徑和制動(dòng)力需滿足一定的范圍?，F(xiàn)有帶式制動(dòng)器，為了獲得較大制動(dòng)力，通常采取增大制動(dòng)鼓直徑來滿足比壓力要求。但由于軌道車輛走行部空間極其有限，制動(dòng)鼓直徑受到限制。DSZD-A2型帶式制動(dòng)裝置采用復(fù)合式帶結(jié)構(gòu)，通過設(shè)置復(fù)合式雙制動(dòng)帶、雙制動(dòng)桿結(jié)構(gòu)，增大了制動(dòng)包角，克服了比壓力的限制，滿足了齒軌車輛在超大坡道上大制動(dòng)力的需求。

此外，復(fù)合式帶結(jié)構(gòu)增加制動(dòng)帶的總寬度，但單根帶的寬度控制在合理范圍內(nèi)，從而保證上閘制動(dòng)帶時(shí)能較好的貼合，同時(shí)滿足散熱的要求。

3.2 制動(dòng)力平衡結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

制動(dòng)力平衡機(jī)構(gòu)為空間鉸接點(diǎn)，分別連接杠桿臂、蓄能彈簧組以及制動(dòng)桿組，起主要作用是平衡制動(dòng)力輸出，以及保證緩解時(shí)閘片間隙均勻。對(duì)DSZD-A2型帶式制動(dòng)裝置進(jìn)行機(jī)構(gòu)分析，建立如圖4所示機(jī)構(gòu)簡圖，其中桿6為平衡座，桿4為平衡關(guān)節(jié)，平衡關(guān)節(jié)可以繞D點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)以平衡蓄能彈簧3和蓄能彈簧7的彈簧拉力Ft3和Ft7。

圖4 DSZD-A2型帶式制動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)分析

對(duì)該機(jī)構(gòu)進(jìn)行自由度分析得：

從式（15）中可以看出，該機(jī)構(gòu)具有一個(gè)自由度，即在蓄能彈簧3（7）的彈簧拉力的作用下制動(dòng)桿2（8）繞點(diǎn)A（J）的轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)蓄能彈簧3（7）的輸出的彈簧拉力Ft3=Ft7時(shí)，平衡關(guān)節(jié)將保持平衡，帶式制動(dòng)裝置具有穩(wěn)定的運(yùn)動(dòng)。當(dāng)Ft3-Ft7≠0時(shí)，機(jī)構(gòu)將增加1個(gè)動(dòng)力源，其力值為此時(shí)平衡關(guān)節(jié)將繞平衡座上的鉸接點(diǎn)D轉(zhuǎn)動(dòng)直到Ft3=Ft7，從而實(shí)現(xiàn)兩組彈簧輸出的制動(dòng)力保持一致。

3.3 制動(dòng)鼓設(shè)計(jì)

DSZD-A2型帶式制動(dòng)裝置用制動(dòng)鼓通過螺栓固定在齒軌輪法蘭上，齒軌輪和制動(dòng)鼓通過軸承安裝在空心軸上。制動(dòng)鼓法蘭面上的密封槽與齒軌輪法蘭密封槽形成密閉空腔，空腔內(nèi)注入潤滑油，為軸承提供潤滑。制動(dòng)鼓摩擦面外圓設(shè)置有突出的輪緣，用以防止制動(dòng)帶軸向竄動(dòng)脫出制動(dòng)鼓。此外，制動(dòng)鼓摩擦面上設(shè)有磨耗極限槽，用以指示制動(dòng)極限磨耗量。

制動(dòng)鼓采用特種合金鑄鋼，高溫（600℃）下機(jī)械性能σb≥550 MPa，σ0.2≥435 MPa。鼓體材料、熱處理后力學(xué)性能、金相組織應(yīng)符合表1的要求。

表1 鼓體材料要求

3.4 閘片設(shè)計(jì)

DSZD-A2型帶式制動(dòng)裝置制動(dòng)帶由上下兩個(gè)半副組成，閘片通過鉚接方式固定在制動(dòng)帶上。閘片采用有機(jī)合成材質(zhì)，閘片背面埋入鋼絲網(wǎng)，以增強(qiáng)閘片的鉚接強(qiáng)度。為最大程度的保障閘片與制動(dòng)鼓的貼合，閘片為圓弧形結(jié)構(gòu)，圓弧半徑保持與制動(dòng)鼓摩擦半徑一致。

該型閘片為非標(biāo)設(shè)計(jì)，最大磨耗量不超過3 mm，其最大工作熱負(fù)荷溫度不超過400℃[7]。其他物理力學(xué)性能參數(shù)如表2所示。

表2 帶式制動(dòng)用合成閘片物理力學(xué)性能參數(shù)

4 設(shè)計(jì)驗(yàn)證

4.1 制動(dòng)性能驗(yàn)證

針對(duì)齒軌車用帶式制動(dòng)裝置的結(jié)構(gòu)特殊，搭建齒軌制動(dòng)器動(dòng)態(tài)試驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)DSZD-A2型帶式制動(dòng)裝置開展多工況下的制動(dòng)力/制動(dòng)力矩試驗(yàn)，以充分驗(yàn)證其制動(dòng)性能，試驗(yàn)平臺(tái)如圖5所示。

對(duì)帶式制動(dòng)裝置開展制動(dòng)力/力矩動(dòng)態(tài)試驗(yàn)，其試驗(yàn)檢測(cè)數(shù)據(jù)如表3所示，從表中數(shù)據(jù)可以看出：兩組制動(dòng)帶兩端制動(dòng)力近似相等，兩組蓄能彈簧輸出拉力近似相等，符合制動(dòng)力平衡機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)要求，能實(shí)現(xiàn)力平衡調(diào)節(jié)功能。制動(dòng)帶兩端制動(dòng)力F1與F2的實(shí)測(cè)值符合帶傳動(dòng)撓性摩擦歐拉公式（注：F1=F11+F21、F2=F12+F22），制動(dòng)效率不小于85%。DSZD-A2型帶式制動(dòng)裝置（制動(dòng)力/力矩）動(dòng)態(tài)試驗(yàn)曲線如圖6所示。

圖6 DSZD-A2型帶式制動(dòng)裝置（制動(dòng)力/力矩）動(dòng)態(tài)試驗(yàn)曲線

4.2 熱容量仿真計(jì)算

根據(jù)參考AB-EBV《瑞士聯(lián)邦鐵路規(guī)定實(shí)施細(xì)則》中相關(guān)規(guī)定，帶式制動(dòng)器的85%有效制動(dòng)力的作用下，在前后相繼兩次制動(dòng)中，必須能將：在AW0工況下，最大坡道上（下坡），以最高允許速度，安全可靠停車，而不會(huì)產(chǎn)生制動(dòng)部件超熱負(fù)荷。

特種合金鑄鋼制動(dòng)鼓熱容量滿足列車在最大軸重為12 t，以初速度40 km/h速度，在250‰坡道上下坡，連續(xù)兩次緊急制動(dòng)，其最高溫度為132℃，允許最高溫度為550℃，最大應(yīng)力為137 MPa，小于最大屈服極限435 MPa，均滿足熱負(fù)荷要求。

圖7 40 km/h速度等級(jí)、250‰下坡，3次緊急制動(dòng)鼓溫度-應(yīng)力時(shí)間曲線

5 結(jié)束語

本文針對(duì)齒軌車輛制動(dòng)力需求大，現(xiàn)有軌道交通基礎(chǔ)制動(dòng)裝置無法滿足制動(dòng)力要求，以及現(xiàn)有帶式制動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)龐大無法適應(yīng)齒軌車輛走行部狹小空間的問題，研制出的復(fù)合式帶結(jié)構(gòu)帶式制動(dòng)裝置不受能源限制、安全可靠、結(jié)構(gòu)緊湊、制動(dòng)包角大、制動(dòng)效率高及制動(dòng)力矩大，有效解決了上述問題。并通過搭建齒軌制動(dòng)器動(dòng)態(tài)試驗(yàn)平臺(tái)，開展了多工況下的制動(dòng)力性能試驗(yàn)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明該型帶式制動(dòng)裝置制動(dòng)效率大于85%，能夠滿足在超大坡道上的制動(dòng)力需求。此外，通過熱容量仿真計(jì)算，校核了250‰超大坡道上的熱負(fù)荷能力，結(jié)果表明摩擦副熱負(fù)荷能力能夠適應(yīng)齒軌車輛的運(yùn)用需求。