方明剛 張海鋒 杜利清 王常川 張 寧

(中車(chē)戚墅堰機(jī)車(chē)車(chē)輛工藝研究所有限公司，213011,常州//第一作者，工程師)

制動(dòng)盤(pán)作為軌道交通車(chē)輛基礎(chǔ)制動(dòng)裝置的重要組成部分，在空氣制動(dòng)過(guò)程中需要克服制動(dòng)夾鉗作用而產(chǎn)生的制動(dòng)扭矩。制動(dòng)盤(pán)按照其安裝的位置分為軸裝式及輪裝式。目前軸裝制動(dòng)盤(pán)設(shè)計(jì)中，盤(pán)體與盤(pán)轂之間均通過(guò)螺栓實(shí)現(xiàn)連接。如基礎(chǔ)制動(dòng)裝置供應(yīng)商Knorr在我國(guó)高速動(dòng)車(chē)組及各類(lèi)型城軌車(chē)輛上運(yùn)用的軸裝制動(dòng)盤(pán)即通過(guò)螺栓連接，且一般未設(shè)計(jì)其他傳力件。制動(dòng)時(shí)，施加于盤(pán)體上的制動(dòng)扭矩全部由螺栓連接承擔(dān)并傳遞至盤(pán)轂上。一旦螺栓連接失效，螺栓即承受剪切力作用，導(dǎo)致制動(dòng)盤(pán)工作工況惡劣，影響行車(chē)安全。因此，設(shè)計(jì)可靠的連接結(jié)構(gòu)，對(duì)于保證制動(dòng)盤(pán)的安全使用具有重要意義。

本文根據(jù)某動(dòng)車(chē)組車(chē)輛技術(shù)要求及接口，基于制動(dòng)盤(pán)工作原理設(shè)計(jì)了一種軸裝制動(dòng)盤(pán)的連接結(jié)構(gòu)，同時(shí)通過(guò)對(duì)螺栓工作載荷的分析進(jìn)行了連接設(shè)計(jì)及校核，并通過(guò)振動(dòng)沖擊試驗(yàn)及1∶1制動(dòng)臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證了連接結(jié)構(gòu)可滿(mǎn)足車(chē)輛的使用要求。

1 軸裝制動(dòng)盤(pán)的連接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

某動(dòng)車(chē)組拖車(chē)采用軸裝盤(pán)形制動(dòng)，盤(pán)體與盤(pán)轂之間通過(guò)9組M14的螺栓、螺母緊密連接，制動(dòng)扭矩通過(guò)螺栓連接產(chǎn)生的靜摩擦力克服。為保證螺栓連接的可靠性，同時(shí)避免螺栓連接失效后螺栓直接承受剪切力，設(shè)計(jì)了一種具有螺栓保護(hù)作用的定位及傳力結(jié)構(gòu),如圖1所示。由圖1可知,該結(jié)構(gòu)在盤(pán)體與盤(pán)轂連接爪之間設(shè)計(jì)了3只均布的滑塊?；瑝K一端為圓柱結(jié)構(gòu)，其安裝于盤(pán)轂連接爪上的螺栓孔內(nèi);另一端為平鍵型結(jié)構(gòu)，其安裝于盤(pán)體連接爪上的鍵槽內(nèi)。

a) 平面圖b) A-A剖面圖

圖1 設(shè)計(jì)的滑塊連接結(jié)構(gòu)

滑塊連接結(jié)構(gòu)在組裝時(shí)，滑塊與盤(pán)體上的鍵槽及盤(pán)轂上的臺(tái)階孔同時(shí)配合，可實(shí)現(xiàn)盤(pán)體與盤(pán)轂之間的周向定位安裝。當(dāng)螺栓連接失效時(shí)，盤(pán)體在閘片的作用力下發(fā)生周向偏轉(zhuǎn)，其上鍵槽與滑塊貼合，從而將制動(dòng)力通過(guò)滑塊傳遞至盤(pán)轂。連接結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)保證滑塊與盤(pán)體及盤(pán)轂之間的配合尺寸小于螺栓孔與螺栓桿部之間的間隙，從而在連接失效、滑塊發(fā)生作用時(shí)，螺栓桿部不與螺栓孔接觸，制動(dòng)力不傳遞至螺栓，保證螺栓連接不受剪切力作用。

2 螺栓連接工作載荷

2.1 溫度載荷

在車(chē)輛制動(dòng)過(guò)程中，由其產(chǎn)生的巨大的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為熱能傳遞至盤(pán)體，進(jìn)而通過(guò)熱傳導(dǎo)的方式施加于螺栓，從而對(duì)螺栓產(chǎn)生軸向拉伸作用。本文分析了在平直道條件下，某動(dòng)車(chē)組采用純空氣制動(dòng)方式實(shí)施兩次緊急制動(dòng)下螺栓的受力狀況。相關(guān)計(jì)算參數(shù)如表1所示。

表1 制動(dòng)工況計(jì)算參數(shù)

經(jīng)熱機(jī)械耦合仿真可得到制動(dòng)盤(pán)各零件溫度狀況，圖2為螺栓溫度達(dá)到最高值時(shí)的溫度云圖。由圖2可知，螺栓溫度最高部位位于其與盤(pán)體配合處。

圖2 螺栓溫度達(dá)到最高值時(shí)的溫度云圖

提取溫度最高部位的溫度載荷，得到螺栓軸向力時(shí)間歷程曲線，如圖3所示。由圖3可知,在車(chē)輛的兩次制動(dòng)過(guò)程中,由溫度載荷引起的螺栓最大軸向力出現(xiàn)在車(chē)輛第二次緊急制動(dòng)過(guò)程中，其最大軸向力F21=5.68 kN。

圖3 螺栓軸向力時(shí)間歷程曲線

2.2 制動(dòng)扭矩

根據(jù)制動(dòng)夾鉗及閘片設(shè)計(jì)，制動(dòng)盤(pán)雙側(cè)最大閘片壓力F1=37 kN，摩擦半徑Rm=251 mm，閘片與盤(pán)面間的摩擦系數(shù)μ1=0.5,由此得到制動(dòng)盤(pán)應(yīng)承受的最大制動(dòng)扭矩Tz=μ1F1Rm=4 643.5 N·m。

2.3 沖擊載荷

由于線路條件、軌道不平整度及輪對(duì)多邊形等因素的影響，制動(dòng)盤(pán)在車(chē)輛運(yùn)行過(guò)程中不可避免地會(huì)受到由輪對(duì)傳遞而來(lái)的振動(dòng)沖擊載荷。

根據(jù)GB/T 21563—2008《軌道交通 機(jī)車(chē)車(chē)輛設(shè)備沖擊和振動(dòng)試驗(yàn)》規(guī)定的3類(lèi)要求，按照1 000m/s2的沖擊加速度分析軸向、橫向及縱向沖擊載荷對(duì)螺栓連接的影響。

(1) 軸向沖擊。盤(pán)轂過(guò)盈壓裝在車(chē)軸上，其在受到?jīng)_擊作用時(shí)對(duì)螺栓連接不構(gòu)成影響，考慮盤(pán)體在隔圈側(cè)對(duì)螺栓的橫向沖擊，仿真得到單個(gè)螺栓受到的軸向沖擊載荷F22=11.41 kN。

(2) 縱向及垂向沖擊。車(chē)輛在行駛過(guò)程中，盤(pán)體在縱向及垂向受到?jīng)_擊載荷作用，即為使螺栓產(chǎn)生松動(dòng)趨勢(shì)的橫向載荷，仿真得到盤(pán)體對(duì)螺栓連接的橫向沖擊載荷F23=102.7 kN。

3 螺栓連接設(shè)計(jì)

3.1 扭矩系數(shù)

制動(dòng)盤(pán)安裝于車(chē)輛轉(zhuǎn)向架上，其上緊固件要求暴露于空氣中并長(zhǎng)期可靠運(yùn)用，因此制動(dòng)盤(pán)應(yīng)具有良好的防腐性能。目前緊固件常用的表面處理方式有發(fā)黑、磷化、鍍鋅及達(dá)克羅等。由于鍍鋅工藝允許的工作溫度為200 ℃左右，且生產(chǎn)過(guò)程易產(chǎn)生氫脆現(xiàn)象[1]，不宜應(yīng)用于制動(dòng)盤(pán)螺栓。

對(duì)螺栓在有無(wú)涂抹潤(rùn)滑脂條件下，以及在發(fā)黑、磷化及達(dá)克羅等3種處理方式下的扭矩系數(shù)進(jìn)行了試驗(yàn)，得到不同工況下的扭矩系數(shù)。

試驗(yàn)結(jié)果表明，涂抹潤(rùn)滑脂后可得到較低且更為穩(wěn)定的扭矩系數(shù)。采用達(dá)克羅表面處理方式得到的扭矩系數(shù)相對(duì)發(fā)黑及磷化處理方式總體較低，同時(shí)考慮達(dá)克羅處理較發(fā)黑及磷化處理的耐腐蝕性能更強(qiáng)，因此選用達(dá)克羅處理方式，并在緊固時(shí)涂抹潤(rùn)滑脂。

3.2 緊固扭矩

根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)，采用合金鋼螺栓推薦的預(yù)緊力為：

F0=0.6RP 0.2As

(1)

式中:

F0——螺栓的預(yù)緊力；

RP 0.2——螺栓的規(guī)定塑性延伸強(qiáng)度；

As——螺栓危險(xiǎn)截面的面積。

進(jìn)而根據(jù)T=kF0d計(jì)算得到組裝扭矩為110～140 N·m。其中，k為螺栓連接的扭矩系數(shù)，d為螺栓公稱(chēng)直徑。

3.3 組裝工藝

制動(dòng)盤(pán)組裝時(shí)，若將螺栓一次緊固到位，則可能導(dǎo)致各螺栓連接的相對(duì)剛度不一致，從而影響各螺栓擰緊后的預(yù)緊力的一致性，以及制動(dòng)盤(pán)受工作載荷后螺栓連接的總拉力。因此應(yīng)采取可靠的組裝工藝保證螺栓緊固的均勻性。同時(shí)考慮到制動(dòng)盤(pán)螺栓總體呈中心對(duì)稱(chēng)布置，在設(shè)計(jì)中應(yīng)采用交叉擰緊工藝。

相關(guān)研究表明，螺栓經(jīng)過(guò)2～3次擰緊后，螺紋副表面經(jīng)過(guò)研磨，去除了其上的局部高點(diǎn)，其扭矩系數(shù)更趨于穩(wěn)定，有利于保證軸向力的一致性[3]。而某動(dòng)車(chē)組用螺母為頭部嵌料型的鎖緊螺母，多次擰緊會(huì)破壞其頭部的鎖緊結(jié)構(gòu)，不宜采用多次擰緊工藝，考慮采用分步緊固工藝。

因此，螺栓進(jìn)行組裝時(shí)，首先按照按圖1中1、4、7、2、5、8、3、6、9的順序預(yù)擰緊，然后再按照上述順序依次終緊。

4 設(shè)計(jì)校核及驗(yàn)證

4.1 連接計(jì)算校核

4.1.1 螺栓軸向總拉力

綜合上述分析，得到同時(shí)考慮制動(dòng)過(guò)程溫度載荷及橫向沖擊載荷作用下螺栓的疊加工作拉力為F2=F21+F22=17.09 kN?？紤]制動(dòng)盤(pán)采用全金屬碟簧結(jié)構(gòu)墊片，取螺栓連接的相對(duì)剛度為0.2，得到螺栓軸向總拉力為F=F0+0.2F2=60.27 kN。

4.1.2 拉伸強(qiáng)度校核

螺栓材料為塑性材料，按照第四強(qiáng)度理論，螺栓連接的許用拉應(yīng)力為：[σ]=RP 0.2/SP=783.33 MPa。其中,SP為安全系數(shù)。

當(dāng)σca<[σ]時(shí)，螺栓連接的軸向拉伸強(qiáng)度滿(mǎn)足其使用要求。

4.1.3 扭矩及橫向載荷校核

考慮設(shè)計(jì)的螺栓為普通螺栓組聯(lián)接，各螺栓在被連接件接合面處產(chǎn)生的摩擦力應(yīng)能克服制動(dòng)扭矩及橫向載荷的作用。

考慮最大制動(dòng)扭矩的作用，得到所需最小軸向力為：

(2)

式中:

Tz——最大制動(dòng)扭矩；

f——接合面件的摩擦系數(shù)，取0.2；

z——螺栓數(shù)量，取9；

Ks——防滑系數(shù)，取1.2；

ri——第i個(gè)螺栓的軸向到螺栓組對(duì)稱(chēng)中心的距離，取0.148。

考慮F23的作用，得到所需最小軸向力為：

(3)

式中:

j——接合面數(shù)量，取2。

疊加考慮制動(dòng)扭矩及橫向載荷的影響，螺栓組應(yīng)滿(mǎn)足最小軸向力Fmin=F2t+F2h的要求[4]。經(jīng)計(jì)算,F>Fmin，即螺栓軸向總拉力產(chǎn)生的摩擦力足夠克服制動(dòng)扭矩及橫向載荷的疊加作用。

4.2 試驗(yàn)驗(yàn)證

(1) 振動(dòng)和沖擊試驗(yàn)。依據(jù)IEC 61373—2010《鐵路應(yīng)用 機(jī)車(chē)車(chē)輛 沖擊和振動(dòng)試驗(yàn)》規(guī)定的3類(lèi)要求,對(duì)振動(dòng)盤(pán)分別進(jìn)行了功能隨機(jī)振動(dòng)、提高隨機(jī)振動(dòng)量級(jí)的模擬長(zhǎng)壽命振動(dòng)及沖擊試驗(yàn)，以及對(duì)連接結(jié)構(gòu)在振動(dòng)沖擊試驗(yàn)條件下的緊固情況及可靠性進(jìn)行了分析。圖4為制動(dòng)盤(pán)橫向振動(dòng)和沖擊試驗(yàn)照片。制動(dòng)盤(pán)在振動(dòng)和沖擊試驗(yàn)結(jié)束后，檢查螺栓連接,發(fā)現(xiàn)其緊固可靠,無(wú)松動(dòng)、松脫等異?，F(xiàn)象。

圖4 制動(dòng)盤(pán)橫向振動(dòng)和沖擊試驗(yàn)

(2) 制動(dòng)動(dòng)力臺(tái)架試驗(yàn)。采用1∶1制動(dòng)動(dòng)力試驗(yàn)臺(tái)，針對(duì)某動(dòng)車(chē)組車(chē)輛制動(dòng)工況,對(duì)設(shè)計(jì)的螺栓連接進(jìn)行1∶1制動(dòng)動(dòng)力試驗(yàn)及疲勞試驗(yàn)，分析其在實(shí)際制動(dòng)工況下的連接情況。試驗(yàn)結(jié)束后，檢查制動(dòng)盤(pán)緊固件,發(fā)現(xiàn)其連接可靠,無(wú)松動(dòng)等異?，F(xiàn)象。

5 結(jié)論

(1) 根據(jù)制動(dòng)盤(pán)的工作原理及軸裝制動(dòng)盤(pán)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了一種軸裝制動(dòng)盤(pán)連接結(jié)構(gòu)。

(2) 針對(duì)某動(dòng)車(chē)組車(chē)輛技術(shù)要求，分析計(jì)算了螺栓連接的工作載荷，并對(duì)螺栓連接進(jìn)行了設(shè)計(jì)計(jì)算及校核，最后通過(guò)振動(dòng)沖擊試驗(yàn)及1∶1制動(dòng)臺(tái)架試驗(yàn)對(duì)連接結(jié)構(gòu)進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。

(3) 提出的制動(dòng)盤(pán)連接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)思路及試驗(yàn)方法可為制動(dòng)盤(pán)及其他車(chē)輛制動(dòng)部件的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)及試驗(yàn)驗(yàn)證提供有效的指導(dǎo)和依據(jù)。