變軌距轉(zhuǎn)向架制動(dòng)夾鉗單元及安裝方案研究

王瑞卓 徐 芳 李洪強(qiáng) 徐鼎皓 辛憲濤

(中車(chē)長(zhǎng)春軌道客車(chē)股份有限公司 吉林 長(zhǎng)春 130062)

目前，國(guó)內(nèi)在軌道交通領(lǐng)域使用的制動(dòng)夾鉗單元吊裝結(jié)構(gòu)均采用固定式，制動(dòng)夾鉗單元安裝后相對(duì)轉(zhuǎn)向架固定，作用時(shí)制動(dòng)夾鉗單元和制動(dòng)盤(pán)的相對(duì)位移基本沒(méi)有變化[1-4]。隨著各國(guó)之間的鐵路聯(lián)系逐漸密切，由于各國(guó)存在軌距的差異，為鐵路運(yùn)營(yíng)帶來(lái)極大的不便，變軌距轉(zhuǎn)向架解決了軌距不同的難題，無(wú)須乘客換乘就可適應(yīng)不同軌距的鐵路線路。由于軌距的變化導(dǎo)致車(chē)輪距離發(fā)生變化，車(chē)輪上的制動(dòng)夾鉗單元能否適應(yīng)車(chē)輪距離的變化成為一個(gè)亟待解決的問(wèn)題，本文主要研究能滿足變軌距轉(zhuǎn)向架使用的輪裝隨動(dòng)式制動(dòng)夾鉗單元及安裝方案。

1 制動(dòng)夾鉗單元

變軌距轉(zhuǎn)向架制動(dòng)夾鉗單元需滿足與轉(zhuǎn)向架的接口要求，具有自動(dòng)對(duì)中、變軌距識(shí)別、開(kāi)鎖、鎖定和隨動(dòng)功能。

1.1 制動(dòng)夾鉗單元?jiǎng)幼髟?/h3>

制動(dòng)夾鉗單元?jiǎng)幼髟砣鐖D1所示，制動(dòng)缸充入一定的壓力空氣后，活塞向氣缸外運(yùn)動(dòng)，通過(guò)杠桿帶動(dòng)偏心軸繞其軸心O轉(zhuǎn)動(dòng)，安裝在偏心軸8支點(diǎn)上的夾鉗杠桿和閘片托隨其做平動(dòng)，使閘片托運(yùn)動(dòng)到制動(dòng)位置。兩夾鉗杠桿通過(guò)閘片間隙調(diào)整器相連，夾鉗杠桿被帶動(dòng)繞銷(xiāo)軸旋轉(zhuǎn)中心O′轉(zhuǎn)動(dòng)，使閘片托運(yùn)動(dòng)到制動(dòng)位置，最終使制動(dòng)夾鉗單元產(chǎn)生制動(dòng)閘片夾緊力抱緊制動(dòng)盤(pán)，制動(dòng)夾鉗單元通過(guò)偏心軸式放大機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)力的傳遞和放大。

圖1 夾鉗機(jī)構(gòu)動(dòng)作原理示意圖

制動(dòng)夾鉗單元主要構(gòu)件間的連接方式如下：制動(dòng)缸由箱體固連；活塞與杠桿通過(guò)銷(xiāo)軸鉸接；杠桿與偏心軸通過(guò)螺栓連接固連；偏心軸通過(guò)滾針軸承安裝在箱體中，可繞幾何軸線轉(zhuǎn)動(dòng)，幾何軸心為固定鉸支點(diǎn)；主動(dòng)夾鉗杠桿安裝在偏心軸的偏轉(zhuǎn)支點(diǎn)上，與偏心軸鉸接，可以隨偏心軸的轉(zhuǎn)動(dòng)做平面運(yùn)動(dòng)；被動(dòng)夾鉗杠桿通過(guò)銷(xiāo)軸和箱體連接，能夠繞銷(xiāo)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，和箱體之間鉸接；閘片托通過(guò)銷(xiāo)軸連在夾鉗杠桿上，與夾鉗杠桿鉸接；閘片間隙調(diào)整器兩端分別和兩夾鉗杠桿鉸接；主要構(gòu)件如圖2所示。

1—夾鉗杠桿；2—制動(dòng)缸；3—停放制動(dòng)缸；4—緩解彈簧；5—活塞；6—閘片間隙調(diào)整器；7—杠桿；8—偏心軸；9—夾鉗杠桿；10—閘片托；11—閘片托；12—緩沖彈簧；13—推桿；14—杠桿鉤。圖2 夾鉗機(jī)構(gòu)主要構(gòu)件示意圖

1.2 變軌距隨動(dòng)裝置

制動(dòng)夾鉗單元自動(dòng)對(duì)中功能利用左右兩側(cè)的彈簧力值大小，達(dá)到一個(gè)均衡的狀態(tài)，當(dāng)一側(cè)彈簧壓縮，另一側(cè)相對(duì)伸長(zhǎng)，產(chǎn)生兩側(cè)力值不一致時(shí)，該力推動(dòng)夾鉗單元移動(dòng)或使閘片復(fù)位對(duì)中。該裝置可以實(shí)現(xiàn)以下功能：(1)制動(dòng)夾鉗單元吊架固定時(shí)，當(dāng)閘片隨車(chē)輪擺動(dòng)時(shí)，可使閘片托自動(dòng)復(fù)位；(2)在變軌線路上車(chē)輪位置發(fā)生變化時(shí)，引發(fā)左右彈簧安裝的壓力值產(chǎn)生差異，此時(shí)以車(chē)輪為固定點(diǎn)，推動(dòng)制動(dòng)夾鉗單元吊架在制動(dòng)夾鉗單元安裝固定軸上滑動(dòng)，直到兩側(cè)彈簧力再次達(dá)到均衡；自動(dòng)對(duì)中原理如圖3所示。

圖3 自動(dòng)對(duì)中原理示意圖

制動(dòng)夾鉗單元變軌距識(shí)別、開(kāi)鎖、鎖定與隨動(dòng)機(jī)構(gòu)如圖4所示，當(dāng)齒型離合器處于分離狀態(tài)下，在車(chē)輪的橫向作用下，通過(guò)開(kāi)鎖杠桿使隨動(dòng)機(jī)構(gòu)橫向移動(dòng)，齒輪(圖4中8、9、10)進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，制動(dòng)夾鉗單元隨著車(chē)輪位置變化實(shí)現(xiàn)變軌隨動(dòng)功能；當(dāng)齒型離合器處于結(jié)合狀態(tài)下，齒輪不能轉(zhuǎn)動(dòng)，車(chē)輛運(yùn)行中在橫向載荷作用下，隨動(dòng)機(jī)構(gòu)保證制動(dòng)夾鉗單元的位置不發(fā)生變化；變軌距制動(dòng)夾鉗單元與車(chē)輪的位置關(guān)系如圖5所示。

1—車(chē)輪；2、3—萬(wàn)向輪(球)；4、5—開(kāi)鎖杠桿；6—橫向移動(dòng)開(kāi)鎖桿；7—開(kāi)鎖齒軸；8、9、10—固定齒軸條；11—制動(dòng)夾鉗單元吊座體；12—帶齒條固定軸；13—帶定位孔固定軸；14—開(kāi)鎖定位桿；K2，K2′—變位識(shí)別均衡彈簧；K3—鎖閉彈簧。圖4 變軌距識(shí)別、開(kāi)鎖、鎖定與隨動(dòng)機(jī)構(gòu)示意圖

圖5 制動(dòng)夾鉗單元與車(chē)輪的位置關(guān)系

2 安裝方案

制動(dòng)夾鉗單元通過(guò)制動(dòng)吊座安裝在構(gòu)架側(cè)梁上，制動(dòng)吊座為Q345E材質(zhì)的鍛件。制動(dòng)吊座主體為T(mén)形結(jié)構(gòu)，具有較強(qiáng)的承載能力及抗扭能力，同時(shí)將構(gòu)架垂向起吊的吊耳結(jié)構(gòu)與制動(dòng)夾鉗單元安裝接口進(jìn)行組合，整體與構(gòu)架側(cè)梁上蓋板、內(nèi)立板焊接為一體，焊接之后進(jìn)行安裝接口的加工。制動(dòng)夾鉗單元通過(guò)4個(gè)M20螺栓與制動(dòng)吊座安裝。

3 制動(dòng)吊座強(qiáng)度計(jì)算

制動(dòng)夾鉗單元質(zhì)量為120 kg，重心縱向坐標(biāo)(相對(duì)構(gòu)架中心)為781，采用ANSYS有限元仿真分析軟件，依據(jù)EN 13749—2011《鐵路應(yīng)用—輪對(duì)和轉(zhuǎn)向架—轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)要求的規(guī)定方法》和UIC 615-4—2003《動(dòng)力轉(zhuǎn)向架構(gòu)架強(qiáng)度試驗(yàn)方法》標(biāo)準(zhǔn)對(duì)制動(dòng)吊座進(jìn)行載荷工況及靜強(qiáng)度分析，依據(jù)DVS 1612—2014《軌道車(chē)輛鋼焊接接頭的設(shè)計(jì)和疲勞強(qiáng)度的校核》標(biāo)準(zhǔn)對(duì)疲勞強(qiáng)度進(jìn)行評(píng)估。

3.1 制動(dòng)吊座靜強(qiáng)度

根據(jù)插值計(jì)算制動(dòng)夾鉗單元三個(gè)方向加速度取值分別為：垂向16.01g，橫向8.00g，縱向3.00g，制動(dòng)吊座靜強(qiáng)度作用載荷如下:

制動(dòng)夾鉗單元垂向慣性載荷：

Fzzmax=m2×16.01g=18.85 kN

(1)

制動(dòng)夾鉗單元橫向慣性載荷：

Fzymax=m2×8.00g=9.42 kN

(2)

制動(dòng)夾鉗單元縱向慣性載荷：

Fzxmax=m2×3.00g=3.53 kN

(3)

緊急制動(dòng)工況轉(zhuǎn)向架縱向載荷：

(4)

緊急制動(dòng)工況每制動(dòng)盤(pán)產(chǎn)生的垂向摩擦力：

(5)

轉(zhuǎn)向架整體起吊工況載荷：

Fz=2g×m+=225.63 kN

(6)

式中：mz為制動(dòng)夾鉗單元垂向摩擦力質(zhì)量；Fzzmax為制動(dòng)夾鉗單元垂向慣性載荷；Fzymax為制動(dòng)夾鉗單元橫向慣性載荷；Fzxmax為制動(dòng)夾鉗單元縱向慣性載荷；Fx為轉(zhuǎn)向架縱向載荷；Fz-brake為緊急制動(dòng)載荷；Fz為起吊載荷；m+為轉(zhuǎn)向架質(zhì)量。

制動(dòng)吊座在各超常載荷及其組合工況作用下的Von Mises應(yīng)力分布如圖6所示，計(jì)算結(jié)果表明，制動(dòng)吊座上的最大應(yīng)力為256.80 MPa左右，小于Q345E結(jié)構(gòu)鋼的許用應(yīng)力345 MPa，制動(dòng)吊座靜強(qiáng)度滿足要求。

圖6 靜強(qiáng)度應(yīng)力云圖

3.2 制動(dòng)吊座疲勞強(qiáng)度

根據(jù)插值計(jì)算制動(dòng)夾鉗單元運(yùn)營(yíng)工況三個(gè)方向加速度取值為：垂向4.80g，橫向4.22g，縱向2.50g，制動(dòng)吊座疲勞強(qiáng)度作用載荷如下:

制動(dòng)夾鉗單元垂向慣性載荷：

Fzz=mz×4.80g=5.65 kN

(7)

制動(dòng)夾鉗單元橫向慣性載荷：

Fzy=mz×4.22g=4.97 kN

(8)

制動(dòng)夾鉗單元縱向慣性載荷：

Fzx=mz×2.50g=2.94 kN

(9)

常用制動(dòng)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)向架縱向力：

(10)

常用制動(dòng)工況每制動(dòng)盤(pán)產(chǎn)生的垂向摩擦力：

(11)

式中：mz為制動(dòng)夾鉗單元垂向摩擦力質(zhì)量；Fzz為制動(dòng)夾鉗單元垂向慣性載荷；Fzy為制動(dòng)夾鉗單元橫向慣性載荷；Fzx為制動(dòng)夾鉗單元縱向慣性載荷；Fx為轉(zhuǎn)向架縱向載荷；Fz-brake為常用制動(dòng)載荷。

將各運(yùn)營(yíng)載荷及其組合工況施加到制動(dòng)吊座模型上，計(jì)算各工況應(yīng)力比，根據(jù)選用的缺口曲線的指數(shù)計(jì)算出許用應(yīng)力，對(duì)板厚進(jìn)行修正，依據(jù)DVS1612—2014標(biāo)準(zhǔn)評(píng)估疲勞強(qiáng)度，焊縫處應(yīng)力需滿足如下要求：

對(duì)制動(dòng)吊座疲勞強(qiáng)度進(jìn)行評(píng)估，制動(dòng)吊座與側(cè)梁焊縫處最大利用率為0.88，小于規(guī)定值1，制動(dòng)吊座疲勞強(qiáng)度滿足要求。

4 結(jié)論

(1)變軌距轉(zhuǎn)向架制動(dòng)夾鉗單元可以滿足隨制動(dòng)盤(pán)橫向移動(dòng)及制動(dòng)要求，具有自動(dòng)對(duì)中機(jī)構(gòu)，變軌距識(shí)別、開(kāi)鎖、鎖定功能和隨動(dòng)機(jī)構(gòu)。

(2)變軌距轉(zhuǎn)向架制動(dòng)吊座強(qiáng)度滿足使用要求，結(jié)構(gòu)符合制動(dòng)夾鉗單元的安裝接口要求。