曾梁彬 汪 鵬 陳炳偉

(中車戚墅堰機(jī)車車輛工藝研究所有限公司 江蘇 常州 213011)

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一種帶有阻調(diào)功能的制動(dòng)缸機(jī)構(gòu)改進(jìn)研究

曾梁彬 汪 鵬 陳炳偉

(中車戚墅堰機(jī)車車輛工藝研究所有限公司 江蘇 常州 213011)

針對(duì)傳統(tǒng)制動(dòng)缸在杠桿彈性變形時(shí)，間隙調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)可能出現(xiàn)過度調(diào)節(jié)而導(dǎo)致盤片間隙減小的問題，提出了能夠識(shí)別制動(dòng)缸載荷狀態(tài)且具有阻調(diào)功能的制動(dòng)缸機(jī)構(gòu)改進(jìn)方案，最終通過樣品試制與試驗(yàn)，驗(yàn)證了該機(jī)構(gòu)改進(jìn)措施的有效性。關(guān)鍵詞：制動(dòng)缸；阻調(diào)；多體動(dòng)力學(xué)

1 問題的提出

制動(dòng)系統(tǒng)作為動(dòng)車組九大關(guān)鍵技術(shù)之一，基礎(chǔ)制動(dòng)裝置的性能直接影響著列車運(yùn)行的安全與品質(zhì)。對(duì)于傳統(tǒng)制動(dòng)缸而言，制動(dòng)狀態(tài)下制動(dòng)夾鉗杠桿不可避免地存在一定的彈性變形，隨著制動(dòng)缸內(nèi)氣壓的增大，杠桿彈性變形增大，制動(dòng)缸持續(xù)伸長(zhǎng)，從而可能引發(fā)間隙調(diào)整，導(dǎo)致緩解后盤片間隙減小[1]。

為解決上述問題，在傳統(tǒng)制動(dòng)缸的基礎(chǔ)上改進(jìn)了機(jī)構(gòu)，并利用多體動(dòng)力學(xué)仿真手段對(duì)制動(dòng)缸各主要?jiǎng)幼鬟M(jìn)行了過程模擬，通過監(jiān)控動(dòng)作過程中的相關(guān)物理量，判斷改進(jìn)后的機(jī)構(gòu)原理，最終通過樣機(jī)試驗(yàn)驗(yàn)證了改進(jìn)方案的有效性。

2 機(jī)構(gòu)改進(jìn)方案簡(jiǎn)介

2.1 機(jī)構(gòu)組成

相比傳統(tǒng)的制動(dòng)缸，改進(jìn)后的制動(dòng)缸機(jī)構(gòu)在調(diào)節(jié)螺母組件和引導(dǎo)螺母組件之間增加了1個(gè)阻調(diào)機(jī)構(gòu)，主要由阻調(diào)彈簧、阻調(diào)墊片、阻調(diào)彈簧座和錐套構(gòu)成(見圖1)。

1―缸體；2―活塞；3―調(diào)節(jié)軸；4―調(diào)節(jié)螺母；5―錐齒滑套；6―方鍵；7―阻調(diào)彈簧座；8―阻調(diào)墊片；9―阻調(diào)彈簧；10―錐套；11―引導(dǎo)螺母；12―活塞管蓋。圖1 改進(jìn)后的制動(dòng)缸機(jī)構(gòu)

阻調(diào)彈簧座固定于活塞管內(nèi)；阻調(diào)墊片通過鍵與調(diào)節(jié)螺母鍵槽配合；錐套通過鍵嵌套在活塞管蓋內(nèi)；阻調(diào)彈簧安裝在阻調(diào)墊片與錐套之間。

2.2 機(jī)構(gòu)動(dòng)作原理

(1) 正常“制動(dòng)-緩解”與間隙調(diào)整動(dòng)作

由于阻調(diào)彈簧剛度遠(yuǎn)大于調(diào)節(jié)螺母彈簧和引導(dǎo)螺母彈簧，因此在正常“制動(dòng)-緩解”和正常間隙調(diào)整(閘片端未夾緊，制動(dòng)缸處于自由伸長(zhǎng)狀態(tài))過程中，其彈簧力使得錐套端面與阻調(diào)墊片之間始終保持一定間隙，即阻調(diào)機(jī)構(gòu)在此過程中不發(fā)揮作用，此時(shí)的動(dòng)作原理與傳統(tǒng)制動(dòng)缸相同。

(2) 阻調(diào)動(dòng)作

閘片端處于制動(dòng)夾緊狀態(tài)時(shí)，當(dāng)制動(dòng)缸內(nèi)壓力持續(xù)上升，杠桿變形增大，制動(dòng)缸和調(diào)節(jié)軸所受軸向載荷也隨之增大。對(duì)于傳統(tǒng)制動(dòng)缸而言，由于杠桿存在彈性變形，活塞仍有軸向運(yùn)動(dòng)空間，并通過引導(dǎo)螺母將該運(yùn)動(dòng)傳遞到調(diào)節(jié)軸，調(diào)節(jié)軸帶動(dòng)調(diào)節(jié)螺母向外運(yùn)動(dòng)。若杠桿變形較大，方鍵運(yùn)動(dòng)受方鍵槽限位后，調(diào)節(jié)螺母與錐齒滑套端齒分離，從而使得調(diào)節(jié)螺母旋轉(zhuǎn)，即發(fā)生過度調(diào)節(jié)。

在增加阻調(diào)機(jī)構(gòu)后，由于調(diào)節(jié)軸受到較大的軸向載荷，該載荷通過引導(dǎo)螺母?jìng)鬟f到錐套上，當(dāng)載荷大于阻調(diào)彈簧力時(shí)，阻調(diào)彈簧被壓縮，錐套發(fā)生軸向移動(dòng)，其端面與阻調(diào)墊片貼合，通過端面接觸摩擦對(duì)阻調(diào)墊片的軸向運(yùn)動(dòng)進(jìn)行約束。在此情況下，即使調(diào)節(jié)螺母與錐齒滑套端齒發(fā)生分離，由于阻調(diào)墊片的限位，調(diào)節(jié)螺母依然無(wú)法發(fā)生旋轉(zhuǎn)，即無(wú)法進(jìn)行調(diào)整動(dòng)作，從而達(dá)到“阻調(diào)”的目的。

3 動(dòng)力學(xué)仿真驗(yàn)證

為驗(yàn)證上述改進(jìn)機(jī)構(gòu)的動(dòng)作原理，在Solidworks Motion環(huán)境下建立制動(dòng)缸的動(dòng)力學(xué)仿真模型(見圖2)。為獲得真實(shí)物理場(chǎng)環(huán)境下的分析結(jié)果，在調(diào)節(jié)螺母與錐齒滑套端齒面、引導(dǎo)螺母與錐套端齒面、方鍵與方鍵槽、阻調(diào)墊片與錐套端面、錐套與活塞管蓋等關(guān)鍵運(yùn)動(dòng)構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)副處施加實(shí)體接觸(參數(shù)設(shè)置見表1)，其余構(gòu)件采用運(yùn)動(dòng)副配合定義運(yùn)動(dòng)關(guān)系。

圖2 制動(dòng)缸改進(jìn)機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)仿真模型

序號(hào)實(shí)體1實(shí)體2靜摩擦系數(shù)動(dòng)摩擦系數(shù)接觸剛度/(N·mm-1)1調(diào)節(jié)螺母錐齒滑套0.300.251×1052引導(dǎo)螺母錐套0.300.251×1053方鍵缸蓋0.300.251×1054阻調(diào)墊片錐套0.350.301×1055錐套活塞管蓋0.300.251×105

利用上述模型，分別對(duì)正?！爸苿?dòng)-緩解”、正常間隙調(diào)整和阻調(diào)動(dòng)作進(jìn)行模擬。

3.1 正常“制動(dòng)-緩解”動(dòng)作

方鍵最大運(yùn)動(dòng)行程范圍9 mm，設(shè)置活塞行程6 mm，因此方鍵在制動(dòng)過程中不受方鍵槽限位。對(duì)比圖3(a)和圖3(b)可以看出，調(diào)節(jié)軸與活塞的運(yùn)動(dòng)保持一致，在制動(dòng)缸緩解后，調(diào)節(jié)軸完全復(fù)位，位移與實(shí)施制動(dòng)前相同；在整個(gè)動(dòng)作過程中，調(diào)節(jié)螺母和引導(dǎo)螺母沒有發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，即間隙調(diào)整動(dòng)作未被觸發(fā)。

3.2 正常間隙調(diào)整動(dòng)作

設(shè)置活塞行程20 mm，當(dāng)方鍵運(yùn)動(dòng)達(dá)到最大行程范圍9 mm后將受到方鍵槽限位。由于制動(dòng)缸兩端未受力仍處于自由狀態(tài)，方鍵運(yùn)動(dòng)受限后調(diào)節(jié)螺母與錐齒滑套將發(fā)生分離。從圖4(a)可以看出，在制動(dòng)缸緩解后，調(diào)節(jié)軸未能完全復(fù)位，緩解后位移較制動(dòng)前增加了約10 mm，即一次調(diào)整量。從圖4(b)和圖4(c)中也能看出，調(diào)節(jié)螺母與引導(dǎo)螺母角位移均有變化，即二者均發(fā)生旋轉(zhuǎn)，說(shuō)明在此過程中觸發(fā)了間隙調(diào)整動(dòng)作。同時(shí)，從圖4(d)中可以發(fā)現(xiàn)，錐套的位移也與活塞保持同步，說(shuō)明在此過程中阻調(diào)彈簧未被壓縮，也沒有發(fā)生阻調(diào)動(dòng)作。

(a)活塞位移 (b)調(diào)節(jié)軸位移圖3 正?！爸苿?dòng)-緩解”動(dòng)作過程仿真結(jié)果

圖4 正常間隙調(diào)整動(dòng)作過程仿真結(jié)果

3.3 阻調(diào)動(dòng)作

為模擬阻調(diào)動(dòng)作，在動(dòng)力學(xué)仿真模型中調(diào)節(jié)軸端外側(cè)軸向引入1個(gè)彈簧活塞缸模型，用彈簧模型近似模擬制動(dòng)夾鉗制動(dòng)過程中杠桿的彈性變形，如圖5所示。

設(shè)置活塞行程14 mm，初始狀態(tài)調(diào)節(jié)軸端部與活塞軸向距離5 mm，即調(diào)節(jié)軸運(yùn)動(dòng)5 mm后開始受軸向阻力。對(duì)比圖6(a)和圖6(b)可以看出，在制動(dòng)缸緩解后，調(diào)節(jié)軸完全復(fù)位，但在制動(dòng)和緩解階段，調(diào)節(jié)軸與錐套的位移均存在1個(gè)明顯的停滯過程(約在1.0 s與2.5 s時(shí)刻)，該停滯過程由阻調(diào)彈簧的壓縮和復(fù)位過程引起。在此過程中，調(diào)節(jié)螺母與引導(dǎo)螺母將不發(fā)生旋轉(zhuǎn)，說(shuō)明阻調(diào)機(jī)構(gòu)產(chǎn)生作用，即使調(diào)節(jié)螺母與錐齒滑套端齒發(fā)生分離，仍能有效抑制調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)產(chǎn)生過度調(diào)整。

圖5 阻調(diào)動(dòng)作動(dòng)力學(xué)仿真模型

(a)調(diào)節(jié)軸位移 (b)錐套位移圖6 阻調(diào)動(dòng)作過程仿真結(jié)果

4 樣機(jī)試驗(yàn)驗(yàn)證

基于以上機(jī)構(gòu)原理，試制了改進(jìn)后制動(dòng)缸試驗(yàn)樣機(jī)(見圖7)。在不同制動(dòng)氣壓下對(duì)試驗(yàn)樣機(jī)進(jìn)行反復(fù)多次制動(dòng)動(dòng)作，通過測(cè)量對(duì)比每次動(dòng)作后的緩解間隙，發(fā)現(xiàn)改進(jìn)后制動(dòng)夾鉗樣機(jī)的緩解間隙能夠基本保持在某一穩(wěn)定值附近，不會(huì)由于制動(dòng)氣壓的改變而發(fā)生較大變化。

圖7 樣機(jī)試驗(yàn)

5 結(jié)論

通過在傳統(tǒng)制動(dòng)缸中增加1個(gè)阻調(diào)機(jī)構(gòu)，使得制動(dòng)缸受到軸向載荷時(shí)發(fā)生阻調(diào)作用，防止由于杠桿彈性變形引起的間隙過度調(diào)節(jié)，維持制動(dòng)盤與閘片間隙值的穩(wěn)定?；趧?dòng)力學(xué)仿真分析和樣機(jī)試驗(yàn)，驗(yàn)證了該改進(jìn)方案的合理性。

利用Solidworks Motion平臺(tái)，對(duì)制動(dòng)缸內(nèi)部動(dòng)作過程進(jìn)行模擬，該方法對(duì)機(jī)構(gòu)原理驗(yàn)證、復(fù)雜機(jī)構(gòu)內(nèi)部組件動(dòng)作過程展示與相關(guān)動(dòng)力學(xué)物理量的計(jì)算，提供了十分有效的實(shí)現(xiàn)手段。

[1] 曾梁彬，金 璟. 基于彈性動(dòng)力學(xué)的制動(dòng)夾鉗結(jié)構(gòu)剛度設(shè)計(jì)[J]. 現(xiàn)代制造技術(shù)與裝備, 2016(3)：3-7.□

(編輯：繆 媚)

2095-5251(2016)06-0012-03

2016-05-03

曾梁彬(1985-),男，博士研究生學(xué)歷，工程師，從事基礎(chǔ)制動(dòng)裝置研發(fā)與基礎(chǔ)研究工作。

U270.35

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