一種基于純電制動系統(tǒng)的鐵路貨車多功能電制動缸研制

丁 穎 ,王洪昆 ,曾德涼 ,張金發(fā) ,涂智文

(1.國能鐵路裝備有限責(zé)任公司,北京 100000;2.中車長江集團科技分公司,湖北 武漢 430212)

制動系統(tǒng)作為鐵路貨車的重要組成部分,其技術(shù)狀態(tài)直接影響到車輛運行安全。隨著鐵路重載運輸?shù)倪M一步發(fā)展,對車輛制動性能的要求越來越高[1],純電制動技術(shù)已作為一種解決方案正在研究當(dāng)中。而制動缸作為制動系統(tǒng)的關(guān)鍵部件之一,其性能的優(yōu)劣對制動系統(tǒng)的可靠性影響極大[2]。在現(xiàn)有鐵路貨車制動技術(shù)中,為保證空氣制動缸的密封可靠性,需要經(jīng)常進行檢修,否則將導(dǎo)致制動缸漏泄故障。

為保持在運用后制動缸活塞行程不隨車輪、閘瓦等磨耗而增大,基礎(chǔ)制動裝置一般需采用閘瓦間隙調(diào)整器(以下簡稱閘調(diào)器),這樣會導(dǎo)致系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜,同時由于運用后制動杠桿角度發(fā)生偏轉(zhuǎn),車輛各相關(guān)部件剛度、間隙產(chǎn)生變化,即使有閘調(diào)器的作用,制動缸活塞行程也會產(chǎn)生一定程度的變化[3],使得車輛制動力一致性難以保證,給列車運行特別是長大下坡道運行造成安全隱患。為使空氣制動缸活塞在緩解時能夠復(fù)位,還設(shè)置有復(fù)位彈簧[4],但復(fù)位彈簧會對制動缸推力產(chǎn)生較大反力,從而降低制動效率。另外,現(xiàn)有貨車加裝了人力制動裝置,以保證長時間停車時車輛也能停駐,但人力制動裝置存在需人工操作、現(xiàn)場工作量大、易出現(xiàn)誤操作等缺點。

為了解決上述空氣制動缸存在的問題,同時配套重載列車電制動系統(tǒng)研發(fā),本文提出了一種多功能電制動缸,旨在徹底解決制動缸漏泄問題,簡化基礎(chǔ)制動結(jié)構(gòu),提高制動缸緩解性能、作用可靠性及制動力一致性。

1 電制動缸主要結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 主要結(jié)構(gòu)

電制動缸是借鑒電動缸在工業(yè)領(lǐng)域大范圍應(yīng)用的成熟經(jīng)驗,如升降臺、機械自動化生產(chǎn)線及壓裝設(shè)備等,以取代功能單一的空氣制動缸,產(chǎn)生制動力,達到車輛調(diào)速、停車及駐車的目的,適用于采用電制動系統(tǒng)的軌道車輛[5]。

多功能電制動缸主要由直流伺服電機、缸蓋、缸體、蝸輪、蝸桿、螺桿、轉(zhuǎn)換螺母、外套、伸縮桿及螺桿頭等組成,如圖1、圖2所示。

圖1 多功能電制動缸

圖2 多功能電制動缸三維示意圖

缸蓋與缸體左側(cè)通過螺栓連接,外套與缸體右側(cè)通過螺紋連接。螺桿置于缸體與外套形成的空腔內(nèi),螺桿中部擋肩左側(cè)設(shè)有蝸輪,螺桿右端帶梯形螺紋并與轉(zhuǎn)換螺母通過螺紋相連。伸縮桿為中空結(jié)構(gòu),左端置于外套空腔內(nèi),并與轉(zhuǎn)換螺母相連,右端從外套伸出并與螺桿頭相連。蝸輪置于缸體中央大空腔內(nèi),蝸輪通過擋鍵與螺桿連接。蝸桿置于缸體左側(cè)空腔內(nèi),中部與蝸輪通過齒相連,并從缸體左側(cè)腔體的頂部伸出。直流伺服電機轉(zhuǎn)軸從下方伸出置于蝸桿上端桿內(nèi)孔中,并通過鍵與蝸桿相連。直流伺服電機轉(zhuǎn)軸除從電機下方伸出外,也從電機上方伸出。蝸桿頭數(shù)為1,以增加結(jié)構(gòu)單向自鎖性。

多功能電制動缸具備自動制動、自動緩解、電控手動制動、電控手動緩解、機械手動制動、機械手動緩解、自動駐車、自動調(diào)整閘瓦間隙等功能,通過伺服電機確保輸出力穩(wěn)定準(zhǔn)確,以取消傳統(tǒng)閘調(diào)器。利用蝸輪、蝸桿單向自鎖特性實現(xiàn)自動駐車功能,利用雙向伸出轉(zhuǎn)軸,實現(xiàn)自動及機械手動操作功能。通過設(shè)置在車輛上的按鈕與驅(qū)動器,可電控手動制動及緩解,以利于現(xiàn)場換瓦作業(yè)。

為保證配件強度,鑄件均采用C 級鋼;考慮減摩性,蝸輪及轉(zhuǎn)換螺母均采用鋁青銅材料;為提高配件防塵、防水性能,密封件采用耐油耐寒橡膠;為防止鋼與鋼的對磨,伸縮桿的支承件采用改性尼龍材料。

1.2 工作原理

制動缸采用直流電驅(qū)動伺服電機,電機旋轉(zhuǎn)驅(qū)動蝸桿,進而驅(qū)動與蝸桿相嚙合的蝸輪,再由蝸輪帶動內(nèi)部的螺桿轉(zhuǎn)動,螺桿上的轉(zhuǎn)換螺母沿著螺桿的方向前后移動,伸縮桿與轉(zhuǎn)換螺母為一體,在轉(zhuǎn)換螺母的推動下相對于筒體前后伸縮運動,從而實現(xiàn)將電機的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換成直線運動。

伺服電機的轉(zhuǎn)軸從電機兩端伸出,以保證電制動缸在電機失電的情況,亦可手動實施制動及緩解[6]。利用蝸輪蝸桿單向自鎖特性,即只能蝸桿驅(qū)動蝸輪,蝸輪不能驅(qū)動蝸桿,實現(xiàn)自動駐車及制動保壓功能。

2 主要技術(shù)參數(shù)的確定

2.1 適用環(huán)境溫度

國內(nèi)空氣制動系統(tǒng)運用環(huán)境溫度為-40～+40℃,110℃、3 h恢復(fù)常溫能正常作用;部件應(yīng)滿足-50～+70℃運用要求?；诖?適應(yīng)環(huán)境溫度設(shè)定為-50～+70℃,110℃、3 h恢復(fù)常溫能正常作用[7]。

2.2 重車緊急制動輸出力

以制動能力符合《鐵路技術(shù)管理規(guī)程》及TB/T 1407.1—2018《列車牽引計算 第1部分:機車牽引式列車》的相關(guān)規(guī)定進行核算。國內(nèi)305 mm 空氣制動缸在制動缸壓力420 kPa、效率100%時提供的輸出力為30.67 kN。以車輛倍率7.8、轉(zhuǎn)向架倍率4考慮,同時電制動缸布置于車體的制動杠桿中部,則此時對應(yīng)的電制動缸輸出力為60.57 kN。經(jīng)取整,電制動缸重車緊急制動輸出力取不小于60 kN。

2.3 工作行程

國內(nèi)空氣制動缸全行程普遍為254 mm,以車輛倍率7.8、轉(zhuǎn)向架倍率4考慮,同時電制動缸布置于車體的制動杠桿中部[8],此時電制動缸對應(yīng)國內(nèi)空氣制動缸全行程的行程應(yīng)為254×2×4÷(7.8+2×4)=129 mm。

由于電制動缸集成了閘調(diào)器功能,工作行程還應(yīng)考慮車輪與閘瓦磨耗的影響。根據(jù)車輪閘瓦磨耗限度,車輪允許磨耗為27 mm,閘瓦允許磨耗為25 mm,輪瓦總磨耗為52 mm。則輪瓦磨耗引起的行程變化量為52×7.8×2×4÷(7.8+2×4)=205 mm。綜上,經(jīng)取整并預(yù)留一定制動能力提升空間,電制動缸的工作行程取350 mm。

3 主要技術(shù)參數(shù)及基本尺寸

多功能電制動缸的基本尺寸為:最短安裝長度為1 110 mm,外套直徑為80 mm,缸體內(nèi)徑為176 mm,蝸桿渦輪中心距為100 mm,主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 電制動缸主要技術(shù)參數(shù)

4 技術(shù)特點

多功能電制動缸主要有以下特點:

(1) 采用電驅(qū)動,無需壓力空氣,徹底解決了傳統(tǒng)空氣制動缸漏泄故障。

(2) 采用伺服電機控制輸出力,制動力輸出穩(wěn)定可靠,避免了傳統(tǒng)空氣制動缸輸出力不穩(wěn)定的問題。

(3) 制動、緩解雙向驅(qū)動,解決了傳統(tǒng)空氣制動缸制動力與緩解力相互制約問題,緩解性能好。

(4) 無氣動密封要求,檢修周期更長。

(5) 集成自動駐車、自動調(diào)整閘瓦間隙功能,基礎(chǔ)制動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單,列檢作業(yè)量少,可靠性高。

(6) 具有自動、手動制動緩解功能,可適應(yīng)多種應(yīng)用工況。

5 結(jié)束語

本文研制的多功能電制動缸采用具有精準(zhǔn)輸出能力的伺服直流電機以及具有單向自鎖特性的蝸輪蝸桿傳動結(jié)構(gòu),實現(xiàn)了多功能、高集成、準(zhǔn)輸出設(shè)計,耗能清潔,節(jié)約能源,符合我國碳達峰碳中和發(fā)展戰(zhàn)略,可為鐵路貨車電制動系統(tǒng)設(shè)計提供關(guān)鍵技術(shù)支撐。