王 震， 張 昕， 黃建松， 刁有彬， 張方亮

(中車青島四方車輛研究所有限公司 制動事業(yè)部， 山東青島 266031)

制動夾鉗單元作為制動系統(tǒng)的關鍵部件，是其他制動措施失效下的最后一道安全保障，對列車運行的安全起著至關重要的作用，根據(jù)課題任務要求，中車青島四方車輛研究所有限公司承擔研制了一種緊湊化、輕量化的制動夾鉗單元。

1 基本功能、外形結構與技術參數(shù)

針對“下一代地鐵列車”研制的UCA10(S)型制動夾鉗單元，包括帶有停放制動功能的UCA10S以及不帶停放制動功能的UCA10兩種型號。

1.1 基本功能與外形結構

UCA10(S)型制動夾鉗單元具有制動與緩解、閘片間隙自動調整、手動調整功能，帶有停放制動模塊的還具有停放制動與緩解、停放制動手緩解等功能。UCA10S及UCA10型制動夾鉗單元采用3點吊裝接口形式，主要由制動缸、夾鉗臂、連接架和閘片托4大模塊組成(如圖1所示)。

圖1 UCA10(S)型制動夾鉗單元

1.2 主要技術參數(shù)(見表1)

2 作用原理簡介

UCA10(S)型制動夾鉗單元常用制動具有相同的基本工作原理，通過充入空氣壓力使制動缸伸長，再經杠桿機構(夾鉗臂、連接架和閘片托等)實現(xiàn)力的放大及傳遞，實現(xiàn)常用制動。UCA10S型制動夾鉗單元增加了停放制動功能模塊，通過儲能彈簧的釋放使停放制動缸伸長，再經杠桿機構實現(xiàn)力的放大及傳遞，實現(xiàn)停放制動。由于此杠桿機構為3點浮動式制動夾鉗單元通用結構，以UCA10S型制動夾鉗單元的制動缸(以下簡稱UCA10S型制動缸)為例，對其基本功能、結構與作用原理進行介紹。

表1 UCA10(S)型制動夾鉗單元主要技術參數(shù)

UCA10S型制動缸由制動缸氣室、彈性變形識別機構、前調整離合機構、后調整離合機構、絲杠前體機構、彈簧缸以及手緩解機構等部件組成。制動缸氣室由制動缸體、活塞等件組成，彈性識別機構由識別環(huán)、識別座、識別彈簧等件組成，前調整離合機構由前調螺母座、前調整彈簧、前調整螺母等件組成，后調整離合機構由后調螺母座、后調整彈簧、后調整螺母等件組成，絲杠前體機構由絲杠、前體、鞍形彈簧組、調整螺母等件組成，彈簧缸由停放彈簧、停放活塞、停放絲杠、棘輪等件組成，手緩解機構由手柄、拉繩、復位彈簧、杠桿、止動爪等件組成(如圖2所示)。

1-制動缸體； 2-活塞； 3-外套筒； 4-緩解彈簧；5-后調整彈簧； 6-活塞套筒； 7-導向塊； 8-后調螺母座； 9-后調整螺母；10-識別環(huán)；11-限位環(huán)；12-識別座；13-識別彈簧；14-停放彈簧；15-停放活塞；16-停放絲杠；17-前調螺母座；18-前調整螺母； 19-前調整彈簧； 20-前體； 21-鞍形彈簧組； 22-調整螺母； 23-前調擋塊； 24-前調防轉座； 25-絲杠； 26-棘輪。圖2 UCA10S型制動缸結構圖

2.1 正常制動與緩解

當閘片緩解間隙在正常范圍值時制動夾鉗單元所進行的制動(或緩解)稱為正常制動(或緩解)，正常制動、緩解過程中閘片間隙自動調整功能不啟用，該制動作用過程為：向制動氣室充入壓縮空氣，活塞壓縮緩解彈簧左向移動，活塞套筒依次通過識別座、識別彈簧、前調螺母座、前調螺母、絲杠、推動前體左移。當前體受到制動缸外部其他結構一定的外力限制(閘片夾緊制動盤)之后，識別彈簧會繼續(xù)壓縮，直至識別座、識別環(huán)與前調螺母座之間無間隙，此時活塞推力依次由活塞套筒、識別座、識別環(huán)、前調螺母座、前調螺母，通過絲杠傳遞至前體，實現(xiàn)UCA10S型制動缸伸長，最終將壓縮空氣壓強轉化成閘片與制動盤壓力，實現(xiàn)制動作用，其中識別彈簧的壓縮過程為彈性識別的功能，當識別環(huán)與前調螺母座接觸后，彈性變形識別機構變?yōu)閯傂误w，用于避免制動施加后由于零部件的彈性變形等因素導致的緩解間隙的自動調整誤動作，保證緩解間隙正常。

該緩解作用過程為：排出制動氣室內的壓縮空氣，緩解彈簧復位伸長，推動活塞右移，活塞套筒帶動前調防轉座、前調擋塊、前調螺母、絲杠、前體右移復位，直至活塞與制動缸體端面接觸，使制動缸復位。通過緩解彈簧的作用，將制動缸長度復位縮短，解除了閘片與制動盤壓力，恢復了閘片與制動盤的間隙，實現(xiàn)常用制動緩解。

2.2 閘片間隙調整

閘片間隙的調整分為自動調整及手動調整兩大主要功能，自動調整功能可自動補償因閘片、制動盤磨耗或其他原因產生的多余間隙，使閘片緩解間隙穩(wěn)定在規(guī)定范圍內；當需要進行更換閘片或拆卸制動夾鉗單元等作業(yè)時，可手動調整，使閘片與制動盤之間的間隙設置在需要的范圍之內。閘片間隙的自動調整功能主要由前調整離合機構、后調整離合機構以及絲杠等組件的依次相互作用來實現(xiàn)，閘片間隙的手動調整功能主要由前體離合機構、絲杠、前調整離合機構以及后調整離合機構等組件的依次相互作用來實現(xiàn)。

2.2.1閘片間隙的自動調整

一個完整的閘片間隙自動調整分為制動過程及緩解過程兩個階段：

在制動過程中，當活塞運動了正常的緩解間隙C距離時，導向塊靠在限位環(huán)上受其約束無法繼續(xù)運動，但由于磨耗量A的存在，絲杠還要繼續(xù)運動一定的行程，在此過程中，后調整離合器的后調整螺母與后調螺母座之間的錐齒嚙合解除，在后調整彈簧的彈力作用下后調整螺母在非自鎖的絲杠上轉動，該制動過程結束后，絲杠與后調整螺母之間產生了相當于磨耗量A距離的相對移動，后調整螺母與后調螺母座重新嚙合，在制動過程中絲杠總行程為C+A。

在緩解過程中，在緩解彈簧作用下，活塞帶動活塞套筒、前調擋塊、前調整離合機構、后調整離合機構復位，當導向塊接觸到外套筒的限位臺上，則后調整離合機構的復位過程結束，由于此時后調整離合機構處于鎖閉，絲杠的復位過程也結束，而活塞帶動活塞套筒、前調擋塊在緩解彈簧的作用下還需繼續(xù)移動距離A才能復位，前調整彈簧被壓縮，前調整離合機構的錐齒嚙合脫開，使前調整螺母在非自鎖的絲杠上轉動，緩解結束后，活塞、前調整離合機構、后調整離合機構復位，在緩解過程中絲杠的復位行程為C。

在上述的制動及緩解過程中，絲杠前體機構相對制動缸本體伸出了距離A，補償了磨耗量，使緩解間隙穩(wěn)定在設置范圍之內。

2.2.2閘片間隙的手動調整

轉動調整螺母，鞍形彈簧組被壓縮，前體與絲杠之間錐齒副脫開，絲杠轉動(前調整離合機構以及后調整離合機構均處于鎖閉狀態(tài))，從而使前體絲杠機構相對于制動缸本體伸出或縮回，通過制動缸長度的變化來實現(xiàn)閘片間隙的手動調整。

2.3 停放制動與緩解

彈簧缸利用彈簧儲能原理，采用多組小型停放彈簧圓周陣列布局，彈簧缸充風緩解、排風制動，操作手緩解裝置可實現(xiàn)停放制動的手動緩解。

2.3.1停放制動的施加

排出彈簧缸內的壓縮空氣，停放彈簧釋放其儲存的彈簧力伸長，推動停放活塞、停放絲杠通過鍵結構在棘輪內孔滑動伸出，傳遞至常用制動缸模塊，然后按照2.1所述的制動過程繼續(xù)執(zhí)行作用，最終實現(xiàn)制動。

2.3.2停放制動的充風緩解

向彈簧缸充入壓縮空氣，壓縮停放彈簧，推動停放活塞，同時帶動停放絲杠復位，解除了停放彈簧對制動缸模塊的推動作用，在緩解彈簧的作用下，常用制動缸按照2.1所述的緩解過程繼續(xù)執(zhí)行作用，實現(xiàn)停放制動充風緩解。

2.3.3停放制動的手動緩解

拉動手拉線機構手柄(如圖3所示)，拉繩帶動動杠桿壓縮復位扭簧繞支點轉動，拉力經杠桿放大并傳遞至止動爪，當止動爪與棘輪脫離后，在停放彈簧的伸長的作用下，停放絲杠相對停放活塞旋轉并沿軸向運動，當停放活塞運動至機械限位位置，解除了停放彈簧對制動缸模塊的推動作用，在緩解彈簧的作用下，常用制動缸按照2.1所述的緩解過程繼續(xù)執(zhí)行作用，實現(xiàn)停放制動手動緩解。

1-手柄； 2-復位彈簧； 3-拉繩； 4-杠桿；5-止動爪； 6-棘輪。圖3 UCA10S型制動缸側視局部結構圖

3 結構緊湊及輕量化特點

UCA10S型制動缸的外形空間及質量相對于傳統(tǒng)型帶停放功能的制動缸均明顯減小，彈簧缸采用多組儲能彈簧圓周陣列的結構形式，彈簧缸與常用制動缸活塞運動方向采用同向串聯(lián)的方式布置，大大縮小了制動缸的垂向尺寸，同時減輕了制動缸的總質量。UCA10S型制動缸相對于傳統(tǒng)型帶停放功能的制動缸，自制動缸中心線至制動缸底端距離由282 mm縮減至168 mm，制動缸橫向交接孔最小距離由211 mm縮減至205 mm，實現(xiàn)了緊湊化；同時質量由49 kg減小至36 kg，明顯降低了制動缸的質量，實現(xiàn)了輕量化，對比表見表2，對比圖見圖4。

表2 UCA10S制動缸與傳統(tǒng)停放制動缸對比

圖4 與傳統(tǒng)式制動夾鉗單元外形空間對比

4 地面試驗情況

UCA10(S)型制動夾鉗單元按照試驗大綱分別在中鐵檢驗認證(青島)車輛檢驗站有限公司及青島市產品質量監(jiān)督檢驗研究院完成了常溫性能試驗、高低溫試驗、沖擊振動試驗及疲勞試驗等各項型式試驗，各項試驗均滿足設計要求，且性能良好。

4.1 常溫性能試驗

常溫條件下，在專用性能試驗臺上檢測UCA10(S)型制動夾鉗單元的強度、動作、靈敏度、一次調整量、緩解間隙、總調整量、氣密性、制動缸制動輸出力、停放制動缸制動輸出力、停放制動缸緩解、停放制動缸手拉緩解、手動復位等性能，各項試驗結果均滿足設計要求。

4.2 高低溫試驗

根據(jù)我國地鐵列車的運用極限溫度，同時考慮具有一定的安全余量，將UCA10(S)型制動夾鉗單元分別在高溫+70 ℃并保溫24 h、低溫-45 ℃并保溫48 h條件下，同時保證試驗風源溫度與試驗箱內部環(huán)境溫度一致，檢測UCA10(S)型制動夾鉗單元的動作、靈敏度、一次調整量、緩解間隙、氣密性、停放制動缸緩解、停放制動缸手拉緩解及手動復位等性能，各項試驗結果均滿足設計要求。

4.3 沖擊振動試驗

按照IEC 61373-2010規(guī)定的2類試驗工況對UCA10(S)型制動夾鉗單元進行功能性隨機振動試驗、模擬長壽命振動試驗及沖擊試驗，完成上述3項試驗后再對試驗樣品進行外觀檢查及全性能試驗，各項試驗結果均滿足設計要求。

4.4 疲勞試驗

UCA10(S)型制動夾鉗單元在專用疲勞試驗臺上進行，模擬在車輛上的安裝和受力情況。常用制動緩解循環(huán)總次數(shù)為100萬次，制動缸充風壓力為400～500 kPa；停放制動緩解循環(huán)總次數(shù)為10萬次，停放制動手動緩解1萬次，其中停放缸充風壓力為(600±20) kPa。疲勞試驗后再對試驗樣品進行外觀檢查及全性能試驗，各項試驗結果均滿足設計要求。

5 裝車運用

2018年1月UCA10(S)型制動夾鉗單元在中車長春軌道客車股份有限公司生產的“下一代地鐵列車”實現(xiàn)整列裝車，列車采用2動2拖編組，全列制動夾鉗單元共32臺，其中UCA10S及UCA10型制動夾鉗單元各16臺，每個轉向架上的2臺UCA10S及UCA10型制動夾鉗單元呈對角布置。

2018年5月“下一代地鐵列車”在廠內分別在AW0、AW2和AW3載荷下完成了各項動態(tài)試驗，隨后轉移至北京地鐵燕房線進行正線試驗以及示范運用，UCA10(S)型制動夾鉗單元運用狀態(tài)良好，圖5為裝備UCA10(s)型制動夾鉗單元的“下一代地鐵列車”外形圖。

圖5 裝備UCA10(S)型制動夾鉗單元的“下一代地鐵列車”

6 結 論

針對“下一代地鐵列車”研制的UCA10(S)型制動夾鉗單元設計合理，功能完善，同時申請2項發(fā)明專利，在其設計、試制、試驗到運用考驗的全過程中皆嚴格執(zhí)行了設計開發(fā)程序。各項試驗結果和裝車運用情況表明，UCA10(S)型制動夾鉗單元的各項技術指標均符合設計要求，能夠滿足“下一代地鐵列車”示范運用要求，實現(xiàn)了制動夾鉗單元的緊湊化及輕量化。