滑動擋車裝置整體摩擦塊式制動阻尼器可行性分析

湯巖峰 TANG Yan-feng

（廣西物流職業(yè)技術學院，貴港 537100）

0 引言

在勇?lián)敖煌◤妵?，鐵路先行”的歷史使命下，在全面提升鐵路服務經(jīng)濟社會發(fā)展保障能力的務實舉措下，軌道交通運輸實現(xiàn)了不斷提速、重載運輸線路不斷增多這一利好發(fā)展態(tài)勢。隨著軌道交通車輛運營速度和單車運營重量的增加，擋車裝置作為軌道交通車輛在軌道線路盡頭線的最后一道被動安全防護屏障，對軌道交通的運營安全起著至關重要的作用[1]。目前，軌道交通線路盡頭線末端多采用立式插接式滑動擋車裝置、液壓式滑動擋車裝置、液壓式固定擋車裝置、止輪升降式滑動擋車裝置作為軌道交通車輛在線路盡頭線末端作業(yè)時的安全防護裝置，當車輛本體發(fā)生制動失效時，利用擋車裝置的自身功能結構特點來實現(xiàn)對制動失效的車輛進行輔助滑動摩擦制動停車，可有效避免因車輛主動制動失效而沖出線路盡頭線末端所引發(fā)的安全生產(chǎn)事故。

作為盡頭線安全擋車防護設備，因滑動式擋車裝置自身結構簡單，易于現(xiàn)場安裝施工，維護管理成本低廉等優(yōu)勢被廣泛應用在軌道交通線路盡頭線末端。本文在研究目前普通立式滑動擋車裝置制動阻尼器結構及工作原理的基礎上，發(fā)現(xiàn)其結構存在一定的設計弊端，從而優(yōu)化設計了制動阻尼器的整體摩擦塊式結構及其與基本軌的安裝方式，可為此類擋車裝置的制動阻尼器選型設計提供輔助參考與結構方案借鑒。

1 阻尼器結構機理分析

目前，普通立式滑動擋車裝置的制動阻尼器普遍采用分散式楔銷側插或螺栓旋入壓緊多片摩擦板的設計結構來產(chǎn)生滑動摩擦制動力[2]。如圖1所示的普通立式滑動擋車裝置制動阻尼器結構，其原理是利用楔銷零件自身的斜度結構[3]，將楔銷零件插進制動阻尼器外側連接架上預留的楔銷方孔內(nèi)，并在打擊力的作用下將楔銷零件楔入其內(nèi)部的摩擦座與摩擦板之間，利用楔銷零件產(chǎn)生的壓緊力將二者與基本軌表面壓緊，通過改變摩擦板的塑性變形量來增強阻尼器的制動阻力（螺栓旋入壓緊的結構原理與楔銷楔入壓緊類似）。

在工程實際應用過程中發(fā)現(xiàn)分散式楔銷側插或螺栓旋入壓緊多片摩擦板的制動阻尼器結構在對車輛進行滑動摩擦制動時，其制動阻尼器結構存在以下三方面的弊端。

1.1 本體結構易失效

當軌道車輛與擋車裝置發(fā)生撞擊后，由于撞擊初始的動能較大，車輛推著擋車裝置向車輛前方行走，擋車裝置在滑動摩擦制動的過程中，其制動阻尼器上的楔銷或螺栓等零件因沖擊振動、受力不均等客觀因素可能出現(xiàn)松動、甚至脫落，從而導致某個阻尼器模塊本體制動阻力不足、制動力分布不均或完全喪失制動力，進而引發(fā)擋車裝置本體功能失效，繼而引發(fā)車輛運行安全事故。

采用分散式摩擦板來增強制動阻尼力結構的阻尼器，在與基本軌發(fā)生相對滑動的過程中只有三個面與基本軌接觸來產(chǎn)生摩擦制動力，且在阻尼器與基本軌發(fā)生滑動位移后，由于各分散式摩擦板之間易發(fā)生錯位、卡滯、楔銷或壓緊螺栓松動等多種因素影響，其二者之間所產(chǎn)生的制動阻尼力并不穩(wěn)定。

1.2 零件分散結構冗余

為增強滑動摩擦制動效能，采用楔銷側插或螺栓旋入壓緊結構的制動阻尼器需要布置更多的制動單元模塊，從而導致其所使用的楔銷（或壓緊螺栓）、摩擦板等零件的數(shù)量也隨之增多。如圖1所示，采用楔銷側插壓緊結構的一個制動阻尼器模塊需要多個楔銷與摩擦板零件才能滿足擋車裝置的使用性能要求，故采用上述結構的制動阻尼器所需零件數(shù)量多且分散。

圖1 制動阻尼器內(nèi)部摩擦零件壓緊方式示意圖

1.3 維護管理作業(yè)成本高

采用楔銷側插或螺栓旋入壓緊結構產(chǎn)生制動阻尼力的擋車裝置，依據(jù)其日常維護技術規(guī)范要求，需要經(jīng)常對楔銷或螺栓零件進行壓緊力檢修維護作業(yè)，增加了后期維護保養(yǎng)的人力、物力，維護成本高。

2 阻尼器結構優(yōu)化設計

針對上述制動阻尼器結構所存在的弊端，為增強滑動擋車裝置摩擦制動效能以及在工作過程中的可靠性，優(yōu)化設計了一種適用于滑動擋車裝置制動阻尼器的整體摩擦塊及其鎖緊架結構，優(yōu)化結構后的制動阻尼器具有摩擦制動效能高、零件少、尺寸小、性能可靠、安裝與維護管理簡便等諸多優(yōu)點。

2.1 制動阻尼器整體結構設計

如圖2所示，優(yōu)化結構后的制動阻尼器由整體摩擦塊、內(nèi)外鎖緊架、高強度彈簧壓板以及螺紋緊固件等組成，與以往普通滑動擋車裝置制動阻尼器結構相比，取消了分散式摩擦板、楔銷、壓緊螺栓等結構部件。改進結構后的制動阻尼器，優(yōu)化設計了內(nèi)、外鎖緊架結構形式，并創(chuàng)新出在摩擦制動過程中受力更為合理的整體摩擦塊結構，從而使得滑動式擋車裝置在與車輛發(fā)生撞擊后的制動工作過程更為可靠。

圖2 制動阻尼器結構示意圖

2.2 制動阻尼器受力分析

當制動失效車輛與擋車裝置發(fā)生撞擊后，依靠其自身制動阻尼器的結構實現(xiàn)與基本軌之間的滑動摩擦作用來轉移并耗散車輛的沖擊動能，并將動能轉化為內(nèi)能，以實現(xiàn)車輛制動減速停車的目的。

如圖3所示，在車輛與擋車裝置發(fā)生碰撞后，制動阻尼器內(nèi)部的整體摩擦塊與基本軌面（1）發(fā)生滑動摩擦運動，制動力由整體摩擦塊結構產(chǎn)生；與此同時，內(nèi)鎖緊架與基本軌面（2）、（3）發(fā)生滑動摩擦運動，制動力由內(nèi)鎖緊架結構產(chǎn)生；外鎖緊架與基本軌面（4）、（5）發(fā)生滑動摩擦運動，制動力由外鎖緊架結構產(chǎn)生。優(yōu)化結構后的制動阻尼器在基本軌上產(chǎn)生相對滑動位移時，以基本軌為依托并與其五個基本面發(fā)生同步相對滑動摩擦運動，在與基本軌接觸的五個面上均能產(chǎn)生摩擦制動消耗車輛動能。

圖3 摩擦面示意圖

2.3 整體摩擦塊結構特點

如圖4所示，制動阻尼器核心部件采用整體式結構設計，取消了以往分散式摩擦板必須使用楔銷壓緊或螺栓旋入壓緊的結構形式，盡可能的杜絕了制動阻尼器與基本軌在發(fā)生滑動過程中，因振動或楔銷安裝不到位等因素導致的楔銷意外脫落的情況，從而保證了制動阻尼器能夠提供可靠有效的摩擦制動力。此外，整體式摩擦塊的摩擦面采用一定弧度的面結構設計，具有自動修正安裝誤差的功能。

圖4 整體式摩擦塊結構示意圖

3 制動效能分析

滑動擋車裝置的制動性能主要依托于其阻尼器自身結構在基本軌上滑動摩擦過程中所產(chǎn)生的制動效能來評價。摩擦型阻尼器的制動效能主要體現(xiàn)在當擋車裝置受到車輛撞擊后，其制動阻尼器與基本軌發(fā)生相對滑動摩擦運動產(chǎn)生位移的過程中保持制動效能的恒定性與自身結構的穩(wěn)定性兩個方面。

3.1 增大摩擦阻力的恒定性

依據(jù)庫倫模型[4]可知，總摩擦力的大小依賴于接觸面的情況。由表達式

式（1）中，F(xiàn)c為由摩擦引起的阻力、μk為接觸面的動摩擦系數(shù)、v為阻尼器的滑動速度。

通過式（1）可知，在材料相同的情況下，由摩擦所引起的阻力在一個接觸面是恒定的。這就說明，要增大由摩擦引起的阻力，可以通過增加摩擦接觸面的數(shù)量來實現(xiàn)，從而擴大接觸面的動摩擦系數(shù)，即：

式（2）中，n為接觸面的數(shù)量。

優(yōu)化結構后的制動阻尼器在與基本軌發(fā)生滑動摩擦的過程中，增加了與基本軌摩擦的摩擦面，由五個摩擦面同時產(chǎn)生滑動摩擦阻力，保證了增大滑動摩擦阻力的恒定性。

3.2 結構穩(wěn)定性仿真

擋車裝置整體結構在承受沖擊載荷的作用下，須要有足夠的設計強度。其中，制動阻尼器的結構強度在滑動耗能過程中的穩(wěn)定性對于滑動擋車裝置的整體工作過程的可靠性起著至關重要的作用?，F(xiàn)以重載車輛撞擊擋車裝置為例進行仿真計算，分析制動阻尼器在極限卡滯位置時的結構穩(wěn)定性，仿真計算過程中的主要參數(shù)設置如表1所示。

表1 仿真計算主要參數(shù)

仿真過程借助CAE軟件，采用接觸非線性有限元分析，設定撞擊工況為極限位置卡滯壓縮工況，壓縮工況最大撞擊鉤力的有效靜載荷力施加于內(nèi)、外鎖緊架與整體摩擦塊斷面上，經(jīng)過仿真計算，得到如圖5所示的結構應力圖。

圖5 結構應力圖

通過仿真分析可以看出，優(yōu)化結構后的制動阻尼器在設定的載荷作用下，最大塑性變形失效結構主要在阻尼器前端部分，整體結構較為完整。

4 結束語

①提出了一種滑動擋車裝置制動阻尼器結構設計方案，增強了滑動摩擦制動效能，改變了摩擦阻力的加載方式，使得制動阻尼器在滑動摩擦制動耗散動能的過程中具有更高的工作穩(wěn)定性，更好地滿足了滑動式擋車裝置的使用設計要求。

②所提出的制動阻尼器在壓力作用下，采用內(nèi)、外鎖緊架與整體摩擦塊同基本軌五個面接觸，并實現(xiàn)同步滑動摩擦制動，較以往擋車裝置制動阻尼器分散式摩擦制動受力更為合理，更好地滿足了車輛的制動需求。

③優(yōu)化了制動阻尼器在滑動摩擦過程中次生磨損量的補償方式。因滑動摩擦運動次生的磨損量由高強度彈簧壓板進行補償，在一定程度上保證了擋車裝置的制動阻力不發(fā)生大范圍變化，增強了滑動擋車裝置工作過程的可靠性。