傅雙波+朱劍鋒+胡紹磊

摘 要：文章針對動(dòng)車組燕尾型粉末冶金閘片使用過程中的燕尾脫落問題進(jìn)行了分析，并提出了一種改進(jìn)型粉末冶金閘片燕尾鋼背結(jié)

構(gòu)。通過對其制動(dòng)過程中受力分析，得出改進(jìn)結(jié)構(gòu)閘片燕尾的受力剪切面積為1900mm2，為鉚接結(jié)構(gòu)受力面積的8.4倍，為焊接結(jié)構(gòu)受力面積的5.5倍。由于閘片制動(dòng)時(shí)燕尾所受剪切力大小是一定的，因此改進(jìn)結(jié)構(gòu)中單位剪切面積所受剪切力大大減少，安全運(yùn)行系數(shù)大大增加。

關(guān)鍵詞：動(dòng)車組；粉末冶金閘片；燕尾型

中圖分類號：TF125 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）28-0189-02

隨著我國科學(xué)與技術(shù)的飛速發(fā)展，近年來，我國交通運(yùn)輸業(yè)有了突飛猛進(jìn)的長足發(fā)展。中國高速鐵路經(jīng)過幾年的不懈努力，目前已居世界首位。預(yù)計(jì)到2020年，高速鐵路里程接近2萬公里，覆蓋50萬人口以上的城市，屆時(shí)我國四縱四橫鐵路快速客運(yùn)系統(tǒng)將全面建成，我國將進(jìn)入高鐵時(shí)代。

隨著列車速度的提高，如何將高速運(yùn)行的列車安全地停下來是一個(gè)關(guān)系到生命和財(cái)產(chǎn)安全的重要問題。列車制動(dòng)有電阻制動(dòng)、磁軌制動(dòng)、渦流制動(dòng)、摩擦制動(dòng)等多種方式，其中摩擦制動(dòng)是不可缺少的。摩擦制動(dòng)方式是通過摩擦把動(dòng)能轉(zhuǎn)化為熱能，然后消散于大氣。高速列車的摩擦制動(dòng)通常采用的是盤式制動(dòng)方式，利用制動(dòng)盤和制動(dòng)閘片間的相互摩擦作用達(dá)到消耗列車動(dòng)能的目的。因此，這兩個(gè)部件的性能成為一個(gè)關(guān)系到列車運(yùn)行安全的重要方面。

1 高速列車粉末冶金閘片結(jié)構(gòu)類型

當(dāng)前中國鐵路開行的高速動(dòng)車組主要有CRH1、CRH2、CRH3、CRH5系列，全部使用盤式制動(dòng)方式。閘片與制動(dòng)器安裝接口分為燕尾型（含通用和非通用）、和非燕尾型兩種。燕尾型閘片主要靠閘片背部的燕尾板安裝在制動(dòng)器上起到制動(dòng)作用。目前閘片燕尾板與鋼背之間的連接方式有兩種：焊接式連接和鉚接式連接。具體樣式如圖1和圖2所示。

這兩種連接型式在當(dāng)前動(dòng)車組制動(dòng)過程中大量使用，在使用過程中也發(fā)現(xiàn)了很多問題。

2 兩種連接結(jié)構(gòu)存在的問題

雖然以上兩種連接型式在當(dāng)前動(dòng)車組運(yùn)用過程中大量使用，也暴露出很多存在的問題。

在閘片使用過程中，燕尾部位主要受到的力為制動(dòng)過程中剪切作用。由于列車慣性很大，所受到剪切力也非常大。根據(jù)《動(dòng)車組閘片暫行技術(shù)條件》（TJ/CL 307-2014）要求，閘片摩擦系數(shù)最高可高達(dá)0.55，雙側(cè)閘片制動(dòng)壓力最高位32kN。按照摩擦系數(shù)計(jì)算公式μ=F/N

μ為摩擦系數(shù)，F(xiàn)為摩擦力，N為正壓力。

由于兩種連接型式中，摩擦塊與燕尾屬于剛性連接，摩擦力即為燕尾所受剪切力。

通過以上公式可計(jì)算出，在摩擦系數(shù)選用0.55，雙側(cè)閘片制動(dòng)壓力選用32kN時(shí)，制動(dòng)盤單側(cè)單個(gè)閘片燕尾所受剪切力為8.8kN。如果考慮到閘片在制動(dòng)瞬間所受的沖擊，則燕尾所受剪切力會(huì)更大。

從結(jié)構(gòu)上看，兩種連接結(jié)構(gòu)都屬于剛性連接，閘片燕尾牢固程度全部依靠鉚釘或焊接部位固定，一旦有一處固定點(diǎn)失效，很容易引起閘片整個(gè)燕尾部位固定不牢甚至脫落，嚴(yán)重影響列車的安全運(yùn)行。

雖然在設(shè)計(jì)時(shí)選用適當(dāng)材料，可以保證足夠連接強(qiáng)度，生產(chǎn)過程中通過探傷等方式焊接和鉚接缺陷，但是由于列車運(yùn)行過程中所遇工況復(fù)雜多變，不能完全排除此種結(jié)構(gòu)發(fā)生斷裂的可能。

在列車運(yùn)營過程中，多次發(fā)現(xiàn)燕尾不牢或閘片脫落現(xiàn)象。如2016年1月份，某鐵路局發(fā)現(xiàn)配屬的動(dòng)車組在運(yùn)行過程中軸盤外側(cè)上一對閘片下半部分丟失。圖3為脫落后的閘片燕尾與正常閘片比較圖，閘片鋼背以下部位從燕尾焊接處脫落。如果脫落閘片掉落在鐵軌上，會(huì)給列車行駛造成很大安全隱患。因此有必要對這種結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，增加閘片使用過程中的安全性，避免重大事故的發(fā)生。

3 對閘片燕尾連接結(jié)構(gòu)的改進(jìn)

針對上述閘片燕尾使用過程中存在問題，有必要對閘片燕尾結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，以消除列車運(yùn)行過程中的安全因素。

當(dāng)前廣泛使用的焊接式和鉚接式閘片燕尾屬于點(diǎn)式固定，受力點(diǎn)完全集中于焊接部位和鉚接部位，受力較集中，存在失效風(fēng)險(xiǎn)。如果將點(diǎn)式固定更改為面式固定結(jié)構(gòu)，將會(huì)從根本上消除燕尾脫落的風(fēng)險(xiǎn)。

為此，我們對閘片燕尾結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，在不改變燕尾安裝接口的情況下，采用CNC一體加工工藝，來加工閘片的燕尾和鋼背，使閘片燕尾和鋼背成為一個(gè)整體。

由于采用了一體加工成型，閘片燕尾與鋼背之間由最初的點(diǎn)連接變成了面連接，制動(dòng)過程中閘片所受巨大剪切力不會(huì)集中作用于焊接處和鉚接處，而是分布在整個(gè)燕尾和鋼背連接面，發(fā)生脫落的可能而大大降低。

前文提到在制動(dòng)過程中，單片閘片燕尾受力約為8.8kN。以圖中鉚接結(jié)構(gòu)為例，閘片燕尾采用了8個(gè)鉚釘進(jìn)行鉚接，假設(shè)采用φ6的鉚釘，則閘片制動(dòng)過程中，燕尾受力剪切面積為8*π*3*3=226mm2。

同理以圖中的焊接結(jié)構(gòu)為例，經(jīng)計(jì)算閘片燕尾在制動(dòng)過程中受力剪切面積為5*70=350mm2。

經(jīng)實(shí)測，改進(jìn)結(jié)構(gòu)閘片燕尾的受力剪切面積為1900mm2，為鉚接結(jié)構(gòu)受力面積的8.4倍，為焊接結(jié)構(gòu)受力面積的5.5倍。

由于閘片制動(dòng)時(shí)燕尾所受剪切力是一定的，因此改進(jìn)結(jié)構(gòu)中單位剪切面積所受剪切力大大減少，極大的減少了閘片燕尾脫落的可能，大大增加列車運(yùn)行過程中的安全系數(shù)。考慮到成本因素，雖然一體加工成型的燕尾鋼背會(huì)增加部分閘片成本，相對于以安全性要求為首的動(dòng)車運(yùn)行成本，增加的閘片成本是可以忽略不計(jì)的。

4 結(jié)束語

本文針對動(dòng)車組燕尾型粉末冶金閘片使用過程中的燕尾脫落問題進(jìn)行了分析，并提出了改進(jìn)型粉末冶金閘片燕尾鋼背結(jié)構(gòu)。

通過對其制動(dòng)過程中受力分析，得出改進(jìn)結(jié)構(gòu)閘片燕尾的受力剪切面積為鉚接結(jié)構(gòu)受力面積的8.4倍，為焊接結(jié)構(gòu)受力面積的5.5倍。由于閘片制動(dòng)時(shí)燕尾所受剪切力是一定的，因此改進(jìn)結(jié)構(gòu)中單位剪切面積所受剪切力大大減少，安全運(yùn)行系數(shù)大大增加。

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