謝建平，陳治亞，楊坤，王玨

JDYZ-5緊湊型單元制動器閘瓦偏磨分析及改進措施

謝建平1，陳治亞1，楊坤2，王玨2

(1. 中南大學 交通運輸工程學院，湖南 長沙 410075；2. 長沙市軌道交通運營有限公司，湖南 長沙 410000)

基于單元制動器閘瓦的結(jié)構(gòu)特性，結(jié)合閘瓦質(zhì)量評估、單元制動器安裝座強度建模以及安裝位置測量等手段，對JDYZ-5緊湊型單元制動器閘瓦偏磨原因進行分析，通過制定改進措施，檢驗閘瓦偏磨的改善效果。研究發(fā)現(xiàn)：單元制動器安裝座位置存在超差是造成閘瓦偏磨的主要原因，通過在單元制動器和制動缸座之間加調(diào)整墊片的方式，對超差進行調(diào)整，可以有效改善閘瓦偏磨的現(xiàn)象，提高閘瓦的使用壽命。

單元制動器；閘瓦偏磨；改進措施

JDYZ-5緊湊型單元制動器集成了空氣制動和彈簧蓄能停放制動的功能，它既為行車提供緊急制動力，又可以蓄能提供停放制動力。DGY470型軌道車主要擔當牽引任務，使用次數(shù)多、制動頻繁，加之地鐵線路情況復雜,導致閘瓦偏磨現(xiàn)象多發(fā)，而且多次更換閘瓦后依舊存在閘瓦偏磨包邊的情況，這將大大降低閘瓦和輪對的使用壽命，嚴重情況下會影響車輛的制動性能，影響車輛運行安全。國內(nèi)針對閘瓦偏磨現(xiàn)象開展了很多研究，取得了相對可觀的研究成果。王業(yè)鵬[1]針對DF7G型機車閘瓦偏磨問題進行研究；劉小利[2]通過對東風4機車閘瓦制動裝置結(jié)構(gòu)原理分析閘瓦偏磨的成因，并提出改進措施；馮中立[3]從機構(gòu)學角度分析車輛工程轉(zhuǎn)向架制動裝置閘瓦的偏磨問題；盧碧紅等[4]對閘瓦制動單元的力學模型進行理論分析，采用仿真技術(shù)RecurDyn理論[5]研究閘瓦偏磨及改善效果的問題，發(fā)現(xiàn)對稱性結(jié)構(gòu)設計是閘瓦偏磨的主要原因；孫可心等[6]運用解析法求得瞬時閘瓦上下壓力比與閘瓦上下端磨耗量的關(guān)系；羅迎等[7-8]通過磨損面積擴散率針對閘瓦磨損壽命的影響進行研究；上述研究主要集中在閘瓦的材料和設計結(jié)構(gòu)，并未對實際應用中的缺陷整改給出有效解決措施。為此，本文結(jié)合某地鐵實際情況，尋找閘瓦偏磨的成因，并提出控制措施，通過對比試驗，檢驗改造效果。

1 JDYZ-5緊湊型單元制動器的結(jié)構(gòu)及安裝

JDYZ-5緊湊型單元制動器是用于機車及車輛的基礎(chǔ)單元制動裝置，主要由閘瓦及閘瓦托、間隙調(diào)整器、箱體組件以及制動缸組件4部分組成，如圖1所示。

1—閘瓦及閘瓦托；2—閘瓦間隙調(diào)整器；3—箱體組件；4—制動缸組件；5—彈簧蓄能停車制動缸組件。

2 JDYZ-5緊湊型單元制動器閘瓦偏磨主要成因分析

2.1 閘瓦幾何尺寸及材料分析

優(yōu)良的閘瓦產(chǎn)品需同時滿足強度、高能、耐磨和尺寸波動小的要求。閘瓦偏磨主要分為上下偏磨、左右偏磨和內(nèi)外偏磨3種[9]。經(jīng)檢查DGY470型軌道車閘瓦偏磨均為左右偏磨，故考核不同批次相同型號的閘瓦寬度，可避免因制造而引起的尺寸偏差?，F(xiàn)隨機抽取庫存中的不同批次相同型號的閘瓦與發(fā)生偏磨的閘瓦進行寬度測量，1~3為偏磨閘瓦，4和5為隨機閘瓦，作為本次閘瓦幾何制造指標考核。

表1 閘瓦寬度測量結(jié)果

從表1可以看出，5個閘瓦的總寬度誤差僅在0.2 mm以內(nèi)，尺寸基本一致，反映出閘瓦幾何制造尺寸偏差較小，由于閘瓦包邊的尺寸經(jīng)測量為2~6 mm，因此，推斷閘瓦偏磨并非閘瓦的制造尺寸問題造成。

閘瓦磨損是多種因素綜合作用的結(jié)果，閘瓦摩擦材料的性能也對閘瓦磨損有很大影響。該閘瓦選用高磷閘瓦，標準TB/T1661中要求其含磷量為2%~2.5%，平均靜摩擦因數(shù)為0.45。為排查閘瓦材料不合格因素的影響，對閘瓦材料參數(shù)進行檢測，結(jié)果顯示其閘瓦含磷量達到2.45%，平均靜摩擦因數(shù)為0.45，達到標準要求，排除材料不合格因素造成的閘瓦偏磨現(xiàn)象。

2.2 單元制動器安裝座強度分析

單元制動器垂直安裝在安裝座上，分析單元制動器安裝座是否產(chǎn)生的變形從而引起閘瓦偏磨。為此，本文對單元制動器強度進行數(shù)值模擬計算，驗證單元制動器的強度。轉(zhuǎn)向架構(gòu)架采用低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼板，側(cè)梁中間設置有隔板，以保證側(cè)梁的抗彎抗扭能力。側(cè)梁端部有垂向減振器安裝座、橫梁上設有中心銷牽引裝置安裝座、單元制動器安裝座等復雜結(jié)構(gòu)，但當壓力加載時候，橫梁上復雜結(jié)構(gòu)變化情況不明顯，因此對計算模型進行簡化，為保證計算相對準確，進行1:1數(shù)值仿真，掛質(zhì)量點進行加載計算(單個75 kg)。對構(gòu)架計算模型進行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格以四面體單元為主，網(wǎng)格單元大小為10 mm，在單元制動器近壁面進行密網(wǎng)格劃分，最小網(wǎng)格單元邊長為0.8 mm；網(wǎng)格單元數(shù)為394 740；節(jié)點數(shù)為736 924，網(wǎng)格信息及單元質(zhì)量如圖2所示。

圖2 網(wǎng)格劃分

為滿足車輛在35‰大坡道上的駐車要求，單元制動器最大制動倍率=4.5。單元制動器制動缸直徑=178 mm，單元制動器制動缸活塞面積= 0.024 885 m2，單元制動器在緊急制動時最大制動壓力=450 kPa，制動效率=0.9，對構(gòu)架約束及單元制動器座板閘瓦壓力加載，閘瓦壓力=(·? 0.25)··?0.65(kN)=44 kN，壓力加載方向如圖3所示，為單元制動器制動時閘瓦對于輪對踏面的制動力，即安裝座所承受的力。為車軸拉桿的約束力,包括軸箱拉桿節(jié)點，前后和左右相對的力的變化應力結(jié)果如圖3所示，應力主要出現(xiàn)在單元制動器安裝底座與構(gòu)架主體的連接部位，應力范圍在0.11~178.56 MPa之間，而本車的構(gòu)架材料為Q345 (16Mn)，TB1335評定標準中的許用應力為 183 MPa，實際測量的最大制動壓力的反作用力作用下的最大應力178.56 MPa小于評定值183 MPa，因此實際應力在合理范圍以內(nèi)。

當應力加載后，安裝底座的應變量主要發(fā)生在單元制動器座板下方位置，單元制動器座板在最大制動壓力的反作用力作用下的最大應變位移為0.296 mm，遠遠小于閘瓦包邊的最小寬度2 mm，不會對單元制動器的工作構(gòu)成影響，排除單元制動器座板變形的可能性。

2.3 單元制動器尺寸及安裝位置分析

單元制動器采用橫向安裝方式，通過3顆螺栓固定在安裝座上，當單元制動器安裝位置發(fā)生偏移，將會導致閘瓦位置發(fā)生偏移從而引起偏磨，而單元制動器安裝位置發(fā)生變化可能是由于單元制動器安裝座尺寸制造偏差、單元制動器安裝座尺寸偏差、單元制動器與其安裝座的貼合面磨損引起[10?11]。

(a) 應力結(jié)果；(b) 應變結(jié)果

首先對單元制動器安裝座尺寸偏差分析，單元制動器安裝座的設計尺寸為22 mm，若其實際尺寸過大或過小，則將導致單元制動器的位置發(fā)生變化，從而引起偏磨現(xiàn)象。為此對單元制動器1~6的安裝底座尺寸進行測量，如表2所示，6個安裝座的寬度與設計尺寸基本一致，誤差僅在0.4 mm以內(nèi)，不存在制造偏差，且遠小于閘瓦包邊最小寬度2 mm，因此閘瓦偏磨并非安裝座的尺寸原因造成。

表2 安裝座尺寸

其次，在制動過程中單元制動器受到頻繁反作用力，長時間后可能導致單元制動器晃動與安裝座發(fā)生摩擦，當應力和摩擦力過于集中，則會對應力集中的部位形成較大的磨損，使貼合面的薄弱部位快速嚴重磨損，導致單元制動器的位置出現(xiàn)橫向外移。因此對單元制動器與其安裝座的貼合面磨損情況進行觀察，未發(fā)現(xiàn)嚴重磨損情況，故排除貼合面磨損導致偏磨的可能。

再次，對單元制動器安裝座位置偏差進行分析。若單元制動器安裝座位置存在超差現(xiàn)象，例如當安裝座位置向內(nèi)側(cè)偏移，將使整個制動裝置向內(nèi)側(cè)偏移，使整個閘瓦與輪對踏面接觸位置發(fā)生變化，導致閘瓦出現(xiàn)偏磨現(xiàn)象。為驗證是否存在超差現(xiàn)象，對4組同軸的2個單元制動器安裝座位置進行測量，通過2個安裝座之間的實際距離與設計值相比得出偏移量。左右2個單元制動器設計距離為1 728 mm，而實際測量結(jié)果見表3。

表3 單元制動器之間的實際距離

從表3可以看出，閘瓦1和閘瓦2對應的第1組單元制動器之間距離已經(jīng)超過設計尺寸12.2 mm，閘瓦3和閘瓦4對應的第2組單元制動器之間距離已經(jīng)超過設計尺寸6 mm，閘瓦5和閘瓦6對應的第3組單元制動器之間距離超過設計尺寸0.5 mm，閘瓦7和閘瓦8對應的第4組單元制動器之間距離與設計尺寸一致。為驗證閘瓦包邊與2個單元制動器安裝位置的關(guān)聯(lián)，對8個閘瓦包邊寬度同步做了測量，將結(jié)果與上表中的偏差值進行對比，見表4。

表4 閘瓦包邊寬度

從表4可以看出，第1組單元制動器安裝位置超差距離與閘瓦1和閘瓦2包邊總和數(shù)值基本一致，第2組、第3組、第4組安裝位置超差距離與對應的2個閘瓦包邊寬度數(shù)值完全一致，因此，推斷單元制動器安裝座位置超差是造成閘瓦偏磨的主要原因(見圖4)。

圖4 閘瓦偏磨圖

3 方案制定與結(jié)果分析

由于單元制動器是通過3顆螺栓固定在安裝制動缸座上的，可理解為3點接觸，而運動和力的傳遞是通過約束和接觸實現(xiàn)的[12]。為保證閘瓦與車輪接觸面力的傳遞不發(fā)生改變，通過對每顆螺栓處增加相同數(shù)量、相同厚度的墊片，使得單元制動器的僅橫向位置發(fā)生變化，閘瓦發(fā)生橫向水平偏移，不改變閘瓦與車輪的受力接觸方向，因此閘瓦的受力將不會發(fā)生改變。從而保證增加墊片后單元制動器及閘瓦的穩(wěn)定性。故對閘瓦包邊寬度在2~3 mm之間的，在單元制動器和制動缸座之間共加3個調(diào)整墊(每個固定螺栓處增加1個)，每個墊片厚度3 mm，進行調(diào)整并更換長螺栓進行固定。閘瓦包邊寬度在5~6 mm之間的，在單元制動器和制動缸座之間共加6個調(diào)整墊(每個固定螺栓處增加2個)每個墊片厚度3 mm，進行調(diào)整并更換螺栓，如圖5所示。

內(nèi)燃機車上線運行，并在3個月、6個月后均進行檢測，結(jié)果顯示閘瓦均無偏磨包邊現(xiàn)象、單元制動器無位置偏移現(xiàn)象、固定螺栓無松動，因此驗證了此前發(fā)生的閘瓦皮偏磨包邊是由單元制動器安裝座位置存在超差引起，而通過在單元制動器和制動缸座之間加調(diào)整墊片的方式進行調(diào)整，可以有效的改善閘瓦偏磨的現(xiàn)象(見圖6)。

圖5 調(diào)整墊片安裝圖

圖6 閘瓦整改前后

4 結(jié)論

1) 對閘瓦寬度幾何尺寸進行詳細的闡述和測量比較，結(jié)果符合設計尺寸，因此，閘瓦幾何尺寸不是引起閘瓦偏磨包邊的因素。

2) 對單元制動器安裝座強度采用數(shù)值模擬方法，驗證單元制動器的強度，結(jié)果顯示單元制動器座板在最大制動壓力的反作用力作用下的最大應變位移為0.296 mm，遠遠小于閘瓦包邊的最小寬度2 mm。

3) 基于安裝座尺寸無偏差，單元制動器晃動與安裝座無嚴重磨損，針對單元制動器安裝座位置超差數(shù)值與閘瓦偏磨數(shù)值基本一致的情況，研究安裝底座位置超差與閘瓦偏磨的關(guān)系，通過在單元制動器和制動缸座之間加調(diào)整墊片進行調(diào)整，有效地改善了閘瓦偏磨現(xiàn)象，從而驗證了安裝底座位置超差是引起閘瓦偏磨的直接原因。

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Analysis and improvement measures of JDYZ-5 compact unit brake shoe

XIE Jianping1, CHEN Zhiya1, YANG Kun2, WANGjue2

(1. School of Traffic & Transportation Engineering, Central South University, Changsha 410075, China; 2. Changsha Metro Operation Co., Ltd, Changsha 410000, China)

Based on the structural characteristics of brake shoe of unit brake, combined with quality evaluation of brake shoe, strength modeling of brake pedestal and installation position measurement, the causes of eccentric wear of JDYZ-5 compact unit brake shoe were analyzed, and the improvement effect of eccentric wear of brake shoe was tested by formulating improvement measures. It is found that the overshoot in the installation seat of unit brake is the main cause of brake shoe eccentric wear. By adjusting the overshoot between unit brake and brake cylinder seat, the phenomenon of brake shoe eccentric wear can be effectively improved and the service life of brake shoe can be increased.

unit brake; partial wear of brake shoe; improvement measures

U270

A

1672 ? 7029(2019)09? 2312 ? 05

10.19713/j.cnki.43?1423/u.2019.09.024

2019?04?12

湖南省科技計劃項目(2011RS4062)

謝建平(1980?)，男，湖南邵陽人，博士研究生，從事地鐵車輛研究；E?mail：531285741@qq.com

(編輯 陽麗霞)