王磊，陳輝

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HXD1D型電力機(jī)車用盤形制動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

王磊，陳輝

（南京鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 南京 210031）

針對HXD1D型電力機(jī)車盤形制動(dòng)裝置在運(yùn)用過程中暴露出的異常損害現(xiàn)象，在對現(xiàn)車盤形制動(dòng)裝置的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)深入研究的基礎(chǔ)上，分析制動(dòng)盤和制動(dòng)閘片的零部件組成和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)出符合要求的盤形制動(dòng)裝置，并利用1:1制動(dòng)動(dòng)力試驗(yàn)臺(tái)模擬HXD1D型電力機(jī)車的實(shí)際運(yùn)用工況對盤形制動(dòng)裝置制動(dòng)摩擦磨損性能和可靠性進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，試驗(yàn)結(jié)果表明：該盤形制動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，性能可靠，可有效提升機(jī)車運(yùn)用的安全性和穩(wěn)定性。

HXD1D型電力機(jī)車；盤形制動(dòng)裝置；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；臺(tái)架試驗(yàn)

和諧型電力機(jī)車自2006年引入中國，并進(jìn)行技術(shù)引進(jìn)消化在創(chuàng)新的近十多年時(shí)間里，市場規(guī)模逐年增大。HXD1D型電力機(jī)車是中車株洲電力機(jī)車有限公司根據(jù)HXD1C平臺(tái)研發(fā)的設(shè)計(jì)時(shí)速160 km/h、7200 kW的準(zhǔn)高速交流傳動(dòng)大功率客運(yùn)電力機(jī)車，該電力機(jī)車應(yīng)用初期的盤形制動(dòng)裝置一直由德國克諾爾獨(dú)家供應(yīng)。德國克諾爾公司的盤形制動(dòng)裝置產(chǎn)品由于其先進(jìn)的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的產(chǎn)品性能，在我國的和諧型電力機(jī)車市場上一直保持著壟斷地位。近年來，隨著我國軌道交通整體制造水平不斷提高，為進(jìn)一步降低采購和維修成本，打破國外公司技術(shù)壟斷，越來越多的國內(nèi)院所企業(yè)開始進(jìn)行電力機(jī)車盤形制動(dòng)裝置產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)改進(jìn)和本土化研究。

德國克諾爾公司生產(chǎn)的和諧型電力機(jī)車用盤形制動(dòng)裝置有2種，一種是適用于時(shí)速低于160公里電力機(jī)車的鑄鐵制動(dòng)盤和合成閘片組合；另一種是適用于時(shí)速高于160公里電力機(jī)車的鑄鋼制動(dòng)盤和粉末冶金閘片組合。在國內(nèi)，中國鐵道科學(xué)研究院研制了多種鐵路車輛用的基礎(chǔ)制動(dòng)裝置，如踏面制動(dòng)裝置和時(shí)速160公里及以下鑄鐵制動(dòng)盤及配套合成閘片，但對于時(shí)速160公里及以上等級客運(yùn)機(jī)車用盤形制動(dòng)裝置仍沒有完成開發(fā)。中車青島四方車輛研究所有限公司也在進(jìn)行機(jī)車制動(dòng)系統(tǒng)開發(fā)，其開發(fā)的JZ-8機(jī)車制動(dòng)系統(tǒng)已經(jīng)在大功率貨運(yùn)機(jī)車上裝車試用，配套的盤形制動(dòng)裝置為鑄鐵制動(dòng)盤和合成閘片組合，但無法滿足時(shí)速超過160公里的和諧型電力機(jī)車的使用要求。中車株洲電力機(jī)車有限公司也完成了機(jī)車基礎(chǔ)制動(dòng)系統(tǒng)（鑄鐵制動(dòng)盤和合成閘片）的自主開發(fā)，其研制的DK-2制動(dòng)系統(tǒng)在HXD1系列大功率客運(yùn)電力機(jī)車上已實(shí)現(xiàn)批量裝車，但其研制的 HXD1D型電力機(jī)車制動(dòng)系統(tǒng)配套的鑄鋼制動(dòng)盤和粉末冶金閘片仍需從德國克諾爾公司采購，在實(shí)際運(yùn)用過程中出現(xiàn)多起制動(dòng)盤盤面異常磨耗，制動(dòng)閘片的掉塊、脫落、制動(dòng)抖動(dòng)等可能對行車安全造成威脅的嚴(yán)重問題，此外進(jìn)口產(chǎn)品采購周期較長和運(yùn)用維護(hù)成本較高?；谝陨戏治觯酱_發(fā)一種適用于HXD1D型電力機(jī)車這樣的時(shí)速160公里及以上大功率客運(yùn)機(jī)車盤形制動(dòng)裝置，滿足日益增長的市場需求。

本文深入研究國內(nèi)目前應(yīng)用速度等級最高的HXD1D型和諧型電力機(jī)車用盤形制動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，結(jié)合制動(dòng)摩擦對偶性能匹配因素，提出HXD1D型電力機(jī)車用盤形制動(dòng)裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，實(shí)現(xiàn)本土化替代，有效降低電力機(jī)車運(yùn)營成本，保障HXD1D型電力機(jī)車安全和可靠地運(yùn)營。

1 制動(dòng)摩擦副結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求

目前，我國的HXD1D型客運(yùn)電力機(jī)車盤形制動(dòng)裝置主要采用制動(dòng)盤輪裝方式。制動(dòng)盤和制動(dòng)閘片是盤形制動(dòng)裝置中最重要的部件，工作原理是通過制動(dòng)盤和制動(dòng)閘片之間的摩擦將巨大的列車動(dòng)能轉(zhuǎn)化為摩擦熱能，并散逸到周圍環(huán)境中。因此，制動(dòng)盤和制動(dòng)閘片既要結(jié)構(gòu)連接可靠，性能匹配較好，又要具有良好的通風(fēng)散熱性能。

（1）制動(dòng)盤結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求

制動(dòng)盤主要采用輪裝盤形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)形式，材質(zhì)為鑄鐵和鑄鋼。制動(dòng)盤結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，首先應(yīng)具有可靠的連接結(jié)構(gòu)，保證制動(dòng)盤在工作時(shí)不發(fā)生零件松動(dòng)或脫落；其次，具有良好的通風(fēng)散熱性能，降低制動(dòng)盤的工作溫度；最后，制動(dòng)盤應(yīng)具有一定的徑向自由度，以最大限度的降低制動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的熱應(yīng)力。

（2）制動(dòng)閘片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求

制動(dòng)閘片結(jié)構(gòu)主要是采用國際鐵路聯(lián)盟（International Union of Railways）簡稱鐵盟（UIC）燕尾接口型結(jié)構(gòu)，材質(zhì)為合成和粉末冶金。制動(dòng)閘片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，首先考慮摩擦材料與背板連接的可靠性，防止在工作中發(fā)生摩擦塊或摩擦體脫落；其次，具有良好的通風(fēng)散熱和排屑性能，摩擦體上或附近有明顯的磨耗到限標(biāo)志；最后，摩擦塊（粒子）尺寸合理，布局科學(xué)。

2 盤形制動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

制動(dòng)盤和制動(dòng)閘片的結(jié)構(gòu)、性能和組織等指標(biāo)對盤形制動(dòng)裝置性能有直接影響，是制動(dòng)摩擦副設(shè)計(jì)中重點(diǎn)考慮的內(nèi)容。

圖1示意了HXD1D型電力機(jī)車用制動(dòng)盤輪裝結(jié)構(gòu)，輪裝制動(dòng)盤布置在車輪輻板兩側(cè)。

根據(jù)這一特點(diǎn)，盤體設(shè)計(jì)為單片形式（見圖1），內(nèi)側(cè)面設(shè)計(jì)有片狀徑向散熱筋，以利于制動(dòng)過程中盤體的散熱。盤面中間設(shè)計(jì)有連接螺栓孔及布置定位銷的鍵槽，盤體通過定位銷和連接螺栓組安裝在車輪上（見圖2）。依靠螺栓預(yù)緊力產(chǎn)生的靜摩擦力以及布置在盤體上的6根定位銷承受制動(dòng)過程中產(chǎn)生的摩擦扭矩（見圖3）。連接螺栓只承受預(yù)緊力，不承受剪切力，保證了螺栓連接的可靠性。采用定位銷連接方式改善了圓盤體應(yīng)力狀態(tài)分布，為制動(dòng)盤在周期性熱負(fù)荷作用下自由膨脹和收縮提供了足夠的空間，盤體沿定位銷能徑向自由伸縮，不受約束。這樣，盤體在制動(dòng)工況下，主要受熱應(yīng)力作用，其抵抗熱沖擊的能力則完全取決于材料本身的性能。

圖1 HXD1D型電力機(jī)車制動(dòng)盤結(jié)構(gòu)

圖2 HXD1D型電力機(jī)車制動(dòng)盤螺栓連接結(jié)構(gòu)

制動(dòng)閘片采用符合國際規(guī)定的UIC燕尾接口與制動(dòng)夾鉗閘片托進(jìn)行配合，采用2個(gè)半片組成單片閘片的設(shè)計(jì)方式，有利于減小閘片制動(dòng)過程中受熱膨脹，解決制動(dòng)閘片拆裝困難的問題。制動(dòng)閘片主要由摩擦塊（10個(gè)）、安裝板、燕尾板、連接部件和彈性元件等部件組成，摩擦塊通過鉚釘固定連接到安裝板上（見圖4）。摩擦塊采用間隙布置形式，每個(gè)摩擦塊之間留有一定間隙，形成排屑通道，便于摩擦碎屑的排出，解決了前期研究中發(fā)現(xiàn)的德國克諾爾公司研制的制動(dòng)摩擦副因磨屑沒有及時(shí)排出導(dǎo)致劃傷制動(dòng)盤表面的問題。調(diào)整了摩擦塊結(jié)構(gòu)形狀和尺寸大小，采用圓角結(jié)構(gòu)，避免摩擦塊尖角在制動(dòng)盤螺栓孔附近產(chǎn)生的劃傷問題；適當(dāng)增大了摩擦塊尺寸，制動(dòng)盤螺栓孔直徑為20 mm時(shí)，建議單個(gè)摩擦塊的最小尺寸應(yīng)大于50 mm，防止摩擦塊與制動(dòng)盤螺栓孔產(chǎn)生啃咬拉傷現(xiàn)象。在摩擦塊與安裝板之間加裝彈性墊片，彈性浮動(dòng)式結(jié)構(gòu)的摩擦塊能夠最大限度地與制動(dòng)盤貼合在一起，達(dá)到更好地制動(dòng)效果。

圖3 HXD1D型電力機(jī)車制動(dòng)盤定位銷結(jié)構(gòu)

圖4 制動(dòng)閘片結(jié)構(gòu)圖

此外，制動(dòng)盤和制動(dòng)閘片之間的間隙應(yīng)設(shè)計(jì)合理，如果間隙過小，不利于細(xì)小砂粒等異物的及時(shí)排出也可能造成異物夾雜在摩擦面上，在機(jī)車制動(dòng)時(shí)對制動(dòng)盤和制動(dòng)閘片造成表面劃傷。因此，除了制動(dòng)盤和制動(dòng)閘片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)外，還應(yīng)考慮周邊部件對盤形制動(dòng)裝置性能的影響，其中制動(dòng)夾鉗應(yīng)保證制動(dòng)閘片和制動(dòng)盤的單邊間隙不低于1～2 mm，還應(yīng)避免出現(xiàn)帶閘拖磨等損害盤形制動(dòng)裝置的現(xiàn)象。

3 臺(tái)架試驗(yàn)

為進(jìn)一步驗(yàn)證本文所述盤形制動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)的可靠性，對該結(jié)構(gòu)產(chǎn)品參照UIC 541-3-2010試驗(yàn)項(xiàng)目和試驗(yàn)程序，并且結(jié)合HXD1D型電力機(jī)車的實(shí)際制動(dòng)壓力，在國內(nèi)具有鐵路產(chǎn)品認(rèn)證資質(zhì)的1:1型式試驗(yàn)臺(tái)上完成了臺(tái)架試驗(yàn)，試驗(yàn)條件是：車輪直徑1250 mm，模擬軸重22.5 t，最高試驗(yàn)速度200 km/h，為進(jìn)一步與現(xiàn)車的實(shí)際運(yùn)用工況相接近，本試驗(yàn)程序包括干燥條件、潮濕條件（噴水量25 L/h）、坡道持續(xù)制動(dòng)和變壓力制動(dòng)等試驗(yàn)工況。試驗(yàn)結(jié)果如表1所示，試驗(yàn)結(jié)果表明：列車在制動(dòng)初速為160 km/h進(jìn)行緊急制動(dòng)（實(shí)施最大制動(dòng)壓力）時(shí)對應(yīng)的制動(dòng)距離為936 m，未超過我國鐵路技術(shù)規(guī)范要求的1400 m（干燥條件下），同時(shí)試驗(yàn)過程中制動(dòng)盤盤面最高溫度為308℃，尚未超出700℃的合金鋼制動(dòng)盤最高許用溫度。

表1 盤形制動(dòng)裝置臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)后對制動(dòng)盤和制動(dòng)閘片進(jìn)行分別檢測，圖5所示為制動(dòng)盤盤面磁粉探傷結(jié)果，盤體表面未發(fā)現(xiàn)任何初裂紋。

圖5 制動(dòng)盤表面磁粉探傷

制動(dòng)盤表面狀態(tài)良好（見圖6），未出現(xiàn)任何裂紋、熱斑、擦傷等異常情況，螺栓緊固件未松動(dòng)；制動(dòng)閘片平均磨耗量不超過UIC541-3-2010規(guī)定的0.5 cm3/MJ要求，且試驗(yàn)后制動(dòng)閘片表面狀態(tài)良好，未出現(xiàn)掉塊、掉渣等異常情況，如圖7所示。

圖6 試驗(yàn)結(jié)束后制動(dòng)盤表面狀態(tài)

圖7 試驗(yàn)結(jié)束后制動(dòng)閘片表面狀態(tài)

4 結(jié)論

通過對HXD1D型電力機(jī)車用盤形制動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的深入研究，充分考慮了盤形制動(dòng)裝置摩擦副性能匹配因素，對盤形制動(dòng)裝置的制動(dòng)盤采用內(nèi)側(cè)面分布片狀徑向散熱筋結(jié)構(gòu)，解決制動(dòng)盤面受熱不均導(dǎo)致盤面翹曲變形問題；而制動(dòng)閘片則增加了排屑通道，解決了制動(dòng)盤表面劃傷問題，提高了制動(dòng)閘片與制動(dòng)盤的盤形制動(dòng)效果，并對制動(dòng)閘片與制動(dòng)盤匹配方面提出設(shè)計(jì)建議。通過多工況的臺(tái)架試驗(yàn)對盤形制動(dòng)裝置進(jìn)行了安全性、可靠性和匹配性驗(yàn)證，結(jié)果證明：該盤形制動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能有效避免制動(dòng)盤表面異常劃傷和制動(dòng)閘片摩擦塊掉塊、脫落等現(xiàn)象，提高使用壽命，安全可靠，符合使用要求，可以進(jìn)行進(jìn)口產(chǎn)品替代。

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Structural Design of Disc Brake Device for HXD1D Electric Locomotive

WANG Lei，CHEN Hui

( Nanjing Institute of Railway Technology, Nanjing 210031, China )

For disc brake device of type HXD1D electric locomotive abnormal damages caused by during the applying process; based on the deep research on the structure characteristics of brake disc device; analyzed the brake disc and brake pads components and product structure design requirements, designed to meet the requirements of the disc brake device, and the use of 1:1 brake dyno-test rig simulation of HXD1D electric locomotive application conditions on the disc brake, brake friction and wear performance and reliability were tested. The test results showed that the disc brake device structure design was reasonable, reliable performance, and the safety and stability of the locomotive effectively improved.

HXD1D electric locomotive；disc brake device；structural design；dyno-test

TD534+.5

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2018.06.008

1006－0316 (2018) 06－0047－05

2017－11－22

江蘇省“333工程”科研資助項(xiàng)目（BRA2015078）和諧型機(jī)車用制動(dòng)摩擦副匹配特性研究（Y170005）

王磊（1979－），男，遼寧海城人，碩士研究生，高級工程師，主要從事軌道交通制動(dòng)裝置研究工作。