孫新海， 郭彥峰， 宋躍超， 郭 斌， 齊 冀

(1 中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 機(jī)車車輛研究所， 北京 100081；2 北京縱橫機(jī)電科技有限公司， 北京 100094)

近年來(lái)中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司在基于計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的新型機(jī)車制動(dòng)系統(tǒng)方面開(kāi)展了自主化研究，研制成功包括基礎(chǔ)制動(dòng)裝置在內(nèi)的CAB型機(jī)車制動(dòng)系統(tǒng)，并已在CR200J動(dòng)力集中電動(dòng)車組動(dòng)力車上批量推廣運(yùn)用。基礎(chǔ)制動(dòng)裝置是機(jī)車制動(dòng)系統(tǒng)中的重要組成部分，空氣制動(dòng)時(shí)由基礎(chǔ)裝置通過(guò)摩擦制動(dòng)方式實(shí)現(xiàn)機(jī)車或列車的調(diào)速和停車。

針對(duì)CR200J動(dòng)力集中電動(dòng)車組動(dòng)力車研制的基礎(chǔ)制動(dòng)裝置，采用輪裝式盤形制動(dòng)，主要包括輪裝制動(dòng)盤、粉末冶金閘片和制動(dòng)夾鉗單元等。每條輪對(duì)安裝2套盤形制動(dòng)裝置，其中制動(dòng)夾鉗單元采用3點(diǎn)吊掛方式，根據(jù)功能分為帶停放制動(dòng)夾鉗單元和不帶停放制動(dòng)夾鉗單元兩種。

1 研制目標(biāo)

(1)基礎(chǔ)制動(dòng)裝置應(yīng)能滿足動(dòng)力車在160 km/h制動(dòng)初速時(shí)，緊急制動(dòng)制動(dòng)距離 ≤1 400 m，符合《鐵路技術(shù)管理規(guī)程》中對(duì)制動(dòng)距離限值的要求[1]；

(2)基礎(chǔ)制動(dòng)裝置制動(dòng)能力(制動(dòng)摩擦副熱容量)應(yīng)能滿足動(dòng)力車運(yùn)行速度提升至200 km/h的制動(dòng)需求；

(3)基礎(chǔ)制動(dòng)裝置應(yīng)能滿足動(dòng)力車在30‰坡道上安全停放[1]。

2 制動(dòng)摩擦副

制動(dòng)摩擦副是基礎(chǔ)制動(dòng)裝置的核心部件，主要由輪裝制動(dòng)盤和粉末冶金閘片組成，其主要功能是將運(yùn)行動(dòng)能轉(zhuǎn)化成熱能，并逸散至大氣中。

2.1 制動(dòng)盤

2.1.1盤體材料

盤體選用綜合性能優(yōu)異的合金鑄鋼，其常溫力學(xué)性能和金相組織要求見(jiàn)表1[2]。

盤體材料具有以下特點(diǎn)：

(1)穩(wěn)定的機(jī)械性能。該材料在低溫、常溫和高溫(600 ℃)時(shí)有相對(duì)恒定的機(jī)械強(qiáng)度，并具有一定的韌性，可以滿足制動(dòng)盤長(zhǎng)期正常使用要求。

(2)良好的熱物理性能。該材料有高導(dǎo)熱性、大熱容和較小的線脹系數(shù)，能夠保證制動(dòng)盤溫度升高或降低時(shí)引起的應(yīng)力變化梯度較小，以延緩制動(dòng)盤熱裂紋的萌生和擴(kuò)展，提高制動(dòng)盤使用壽命。

(3)較適宜的硬度。該材料經(jīng)熱處理后的硬度能夠保證制動(dòng)盤具有良好的耐磨特性；

(4)較好的抗腐蝕能力。該材料屬于低碳合金鋼，其中的合金元素提高了材料的抗腐蝕能力，其環(huán)境適應(yīng)性較好，能夠保證制動(dòng)盤在較惡略工況下長(zhǎng)期穩(wěn)定服役。

表1 力學(xué)性能和金相組織

2.1.2制動(dòng)盤結(jié)構(gòu)

制動(dòng)盤主要由盤體、定位銷和螺栓緊固連接件等組成，參見(jiàn)圖1所示。采用6個(gè)定位銷將盤體定位在車輪輻板兩側(cè)，再通過(guò)18組螺栓緊固連接件將盤體與車輪緊固為一個(gè)整體。螺栓采用變徑結(jié)構(gòu)，提高螺栓的疲勞壽命，使用有效力矩和楔形螺紋雙重防松結(jié)構(gòu)螺母，提升緊固件連接質(zhì)量和防松能力，保障制動(dòng)盤具有較高抗沖擊和振動(dòng)性能。

盤體采用葉柵式散熱筋，圓周等角度循環(huán)對(duì)稱分布結(jié)構(gòu)，參見(jiàn)圖2所示。這種結(jié)構(gòu)形式可以保證摩擦面制動(dòng)時(shí)受熱均勻，并可以提高冷卻風(fēng)的流動(dòng)速度，降低制動(dòng)盤溫升，減少熱裂紋的產(chǎn)生。

圖1 制動(dòng)盤主要構(gòu)成

圖2 盤體散熱筋結(jié)構(gòu)

2.1.3仿真計(jì)算

為考查制動(dòng)盤在速度200 km速度等級(jí)動(dòng)力車的制動(dòng)適應(yīng)性，驗(yàn)證極端工況下的安全性，進(jìn)行了連續(xù)2次緊急制動(dòng)時(shí)的仿真計(jì)算分析。盤體瞬時(shí)溫度場(chǎng)仿真計(jì)算基本參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 溫度場(chǎng)仿真計(jì)算基本參數(shù)

平直道上200 km/h制動(dòng)初速度連續(xù)2次緊急制動(dòng)時(shí)，盤體溫度場(chǎng)云圖參見(jiàn)圖3所示，制動(dòng)盤溫度隨時(shí)間的變化曲線參見(jiàn)圖4所示。

圖3 盤體溫度場(chǎng)云圖

圖4 盤體溫度變化曲線

仿真計(jì)算結(jié)果表明：在200 km/h制動(dòng)初速度下，1次緊急制動(dòng)時(shí)盤體最高溫度260 ℃，連續(xù)2次緊急制動(dòng)時(shí)盤體最高溫度410 ℃，低于鑄鋼制動(dòng)盤和粉末冶金閘片550 ℃穩(wěn)定性能溫度限值。

2.2 粉末冶金閘片

粉末冶金閘片由左右兩半片配對(duì)組成，主要由摩擦塊、鋼背和彈性卡簧等構(gòu)成，參見(jiàn)圖5所示。摩擦塊與鋼背之間采用彈性浮動(dòng)式結(jié)構(gòu)，摩擦塊由銅基粉末冶金摩擦體與鋼制內(nèi)襯板燒結(jié)成為一體。閘片名義摩擦面積400 cm2，安裝接口采用燕尾通用型(符合UIC 541-3的規(guī)定)。

摩擦體剪切強(qiáng)度、內(nèi)襯板與摩擦體結(jié)合強(qiáng)度要求見(jiàn)表3[3]。

圖5 閘片主要構(gòu)成

表3 摩擦塊的物理機(jī)械性能要求

2.3 摩擦副臺(tái)架試驗(yàn)

制動(dòng)摩擦副在高速鐵路系統(tǒng)試驗(yàn)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室按照TJ/JW 042-2014《交流傳動(dòng)機(jī)車制動(dòng)盤暫行技術(shù)條件》中規(guī)定的200 km/h速度等級(jí)機(jī)車用制動(dòng)盤1∶1制動(dòng)動(dòng)力試驗(yàn)及疲勞試驗(yàn)程序進(jìn)行了臺(tái)架試驗(yàn)，基本試驗(yàn)條件見(jiàn)表4。

(1)1∶1制動(dòng)動(dòng)力試驗(yàn)臺(tái)試驗(yàn)[4]

連續(xù)2次200 km/h和連續(xù)2次220 km/h制動(dòng)初速度緊急制動(dòng)停車試驗(yàn)曲線(溫度和瞬時(shí)摩擦系數(shù))參見(jiàn)圖6和圖7所示，具體試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表5和表6。

表4 基本試驗(yàn)條件

圖6 連續(xù)2次200 km/h緊急制動(dòng)停車試驗(yàn)曲線

圖7 連續(xù)2次220 km/h緊急制動(dòng)停車試驗(yàn)曲線

表5 1∶1制動(dòng)動(dòng)力試驗(yàn)數(shù)據(jù)(200 km/h連續(xù)緊急制動(dòng))

(2)1∶1制動(dòng)動(dòng)力試驗(yàn)臺(tái)疲勞試驗(yàn)

為考查制動(dòng)盤長(zhǎng)期服役可靠性，在1∶1制動(dòng)動(dòng)力試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行了共計(jì)1 200次以上制動(dòng)疲勞試驗(yàn)，疲勞試驗(yàn)盤載荷12.5 t、最高試驗(yàn)速度220 km/h。疲勞試驗(yàn)完成后，對(duì)被試制動(dòng)盤的狀態(tài)進(jìn)行查看，制動(dòng)盤狀態(tài)良好，緊固件未出現(xiàn)松動(dòng)及損壞跡象，盤體摩擦面未出現(xiàn)熱裂紋和明顯磨損情況，證明制動(dòng)盤能夠滿足25 t及以下軸重動(dòng)力車(機(jī)車)長(zhǎng)期200 km/h速度運(yùn)用的正常制動(dòng)要求。制動(dòng)盤疲勞試驗(yàn)后的狀態(tài)參見(jiàn)圖8所示。

表6 1∶1制動(dòng)動(dòng)力試驗(yàn)數(shù)據(jù)(220 km/h連續(xù)緊急制動(dòng))

圖8 疲勞試驗(yàn)后狀態(tài)

3 制動(dòng)夾鉗單元

制動(dòng)夾鉗單元是基礎(chǔ)制動(dòng)裝置的關(guān)鍵部件，其主要功能是將制動(dòng)空氣壓力或儲(chǔ)能彈簧力轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械推力，推動(dòng)閘片貼緊制動(dòng)盤摩擦面，產(chǎn)生摩擦力矩。

3.1 基本結(jié)構(gòu)

制動(dòng)夾鉗單元采用3點(diǎn)吊掛方式，安裝在轉(zhuǎn)向架構(gòu)架上，主要包括制動(dòng)缸(或復(fù)合制動(dòng)缸)、制動(dòng)杠桿、制動(dòng)吊架、閘片托、閘片托吊桿和銷軸等零部件組成。按照使用功能分為帶停放制動(dòng)夾鉗單元和不帶停放制動(dòng)夾鉗單元兩類，參見(jiàn)圖9和圖10所示，主要區(qū)別是制動(dòng)缸的差異，復(fù)合制動(dòng)缸帶有彈簧儲(chǔ)能停放制動(dòng)缸。

圖9 帶停放制動(dòng)夾鉗單元結(jié)構(gòu)

圖10 不帶停放制動(dòng)夾鉗單元結(jié)構(gòu)

制動(dòng)缸(或復(fù)合制動(dòng)缸)帶有間隙自動(dòng)調(diào)整裝置，可以始終保持制動(dòng)盤和閘片的間隙處于設(shè)計(jì)值，也就是具有自動(dòng)調(diào)整閘片間隙的功能。

3.2 基本原理

3.2.1空氣制動(dòng)

制動(dòng)時(shí)壓力空氣進(jìn)入制動(dòng)夾鉗單元的制動(dòng)缸，推動(dòng)制動(dòng)缸活塞通過(guò)制動(dòng)杠桿轉(zhuǎn)化為閘片的正壓力施加至制動(dòng)盤上，閘片在制動(dòng)盤的旋轉(zhuǎn)過(guò)程中產(chǎn)生摩擦作用，來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)速或停車。

制動(dòng)盤和閘片的正常間隙是由制動(dòng)缸保證和調(diào)整的，運(yùn)用過(guò)程中因閘片和制動(dòng)盤磨耗積累，造成閘片與制動(dòng)盤間隙不斷擴(kuò)大，或者因更換閘片，造成的閘片與制動(dòng)盤間隙擴(kuò)大，都可以通過(guò)制動(dòng)缸內(nèi)的間隙自動(dòng)調(diào)整裝置實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)整，使制動(dòng)盤與閘片的間隙縮小，并回復(fù)至正常間隙值范圍。

3.2.2停放制動(dòng)

停放制動(dòng)是將停放制動(dòng)缸內(nèi)的儲(chǔ)能彈簧力轉(zhuǎn)化為活塞推力，經(jīng)缸內(nèi)楔塊放大后，通過(guò)制動(dòng)杠桿轉(zhuǎn)化為閘片的正壓力施加至制動(dòng)盤上，閘片與制動(dòng)盤產(chǎn)生靜摩擦作用，實(shí)現(xiàn)車輛靜態(tài)長(zhǎng)期停放。在車輛運(yùn)行過(guò)程中，壓力空氣作用在停放制動(dòng)缸活塞上，始終保持儲(chǔ)能彈簧處于受壓狀態(tài)。只有在動(dòng)力車或動(dòng)車組需要靜態(tài)停放時(shí)排出停放制動(dòng)缸內(nèi)的壓力空氣，即可啟動(dòng)停放制動(dòng)作用；根據(jù)需要也可通過(guò)手動(dòng)緩解機(jī)構(gòu)將儲(chǔ)能彈簧力釋放，實(shí)現(xiàn)停放制動(dòng)作用的切除或停放制動(dòng)的緩解。

3.3 基本參數(shù)

按照CR200J動(dòng)力集中電動(dòng)車組動(dòng)力車技術(shù)要求、基礎(chǔ)制動(dòng)裝置配置、制動(dòng)機(jī)輸出壓力參數(shù)等技術(shù)信息，所確定的制動(dòng)夾鉗單元基本參數(shù)見(jiàn)表7。

3.4 仿真計(jì)算

制動(dòng)夾鉗單元設(shè)計(jì)過(guò)程中對(duì)制動(dòng)吊架和制動(dòng)杠桿主要承載零件進(jìn)行了強(qiáng)度仿真計(jì)算，制動(dòng)吊架最大應(yīng)力218 MPa、制動(dòng)杠桿最大應(yīng)力278 MPa，均低于材料的屈服極限370 MPa，最小安全系數(shù)分別1.697和1.331，能夠滿足強(qiáng)度要求。制動(dòng)吊架和制動(dòng)杠桿的應(yīng)力云圖參見(jiàn)圖11和圖12所示。

表7 制動(dòng)夾鉗單元基本參數(shù)

圖11 制動(dòng)吊架應(yīng)力云圖

圖12 制動(dòng)杠桿應(yīng)力云圖

3.5 疲勞試驗(yàn)

按照TJ/JW 043—2014 《交流傳動(dòng)機(jī)車制動(dòng)夾鉗單元暫行技術(shù)條件》中的規(guī)定要求，對(duì)制動(dòng)夾鉗單元進(jìn)行了疲勞試驗(yàn)，包括空氣制動(dòng)和緩解疲勞試驗(yàn)、停放制動(dòng)和緩解疲勞試驗(yàn)、停放制動(dòng)手動(dòng)緩解疲勞試驗(yàn)。疲勞試驗(yàn)完成后制動(dòng)夾鉗狀態(tài)良好，并通過(guò)了所有規(guī)定的例行試驗(yàn)項(xiàng)目試驗(yàn)。

3.6 型式試驗(yàn)

國(guó)家鐵路產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心選取能夠涵蓋所有規(guī)定試驗(yàn)檢驗(yàn)項(xiàng)目的帶停放制動(dòng)夾鉗單元，按照TJ/JW 043—2014 《交流傳動(dòng)機(jī)車制動(dòng)夾鉗單元暫行技術(shù)條件》中規(guī)定的試驗(yàn)項(xiàng)目進(jìn)行了型式試驗(yàn)，所有檢測(cè)項(xiàng)目均滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定和設(shè)計(jì)要求。

檢測(cè)項(xiàng)目包括：外觀檢查、強(qiáng)度試驗(yàn)、靈敏度試驗(yàn)、密封性試驗(yàn)、一次調(diào)整量試驗(yàn)、最大調(diào)整量試驗(yàn)、緩解間隙試驗(yàn)、輸出力試驗(yàn)、靜態(tài)傳動(dòng)效率試驗(yàn)、手動(dòng)復(fù)位試驗(yàn)、手緩解拉力試驗(yàn)、停放制動(dòng)功能試驗(yàn)、制動(dòng)夾鉗單元稱重、低溫試驗(yàn)、沖擊和振動(dòng)試驗(yàn)。

4 現(xiàn)車試驗(yàn)及運(yùn)用考核

4.1 停放制動(dòng)試驗(yàn)

2017年10月在中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司國(guó)家鐵道試驗(yàn)中心進(jìn)行了CR200J動(dòng)力集中電動(dòng)車組動(dòng)力車停放制動(dòng)試驗(yàn)，依據(jù)停放制動(dòng)閘片推力實(shí)測(cè)值計(jì)算得到停放坡度為51.5‰，滿足動(dòng)力車在30‰坡道上安全停放的設(shè)計(jì)要求。停放制動(dòng)閘片推力實(shí)測(cè)值見(jiàn)表8。

表8 停放制動(dòng)閘片推力實(shí)測(cè)結(jié)果

4.2 運(yùn)行制動(dòng)試驗(yàn)

2017年11月在中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司國(guó)家鐵道試驗(yàn)中心進(jìn)行了CR200J動(dòng)力集中電動(dòng)車組動(dòng)力車運(yùn)行制動(dòng)試驗(yàn)，制動(dòng)初速度160 km/h緊急制動(dòng)距離1 118 m，制動(dòng)初速度120 km/h緊急制動(dòng)距離659 m，滿足《鐵路技術(shù)管理規(guī)程》中對(duì)制動(dòng)距離限值的要求。純空氣緊急制動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表9。

表9 純空氣緊急制動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果(大閘操縱)

4.3 運(yùn)用考核

CR200J動(dòng)力集中電動(dòng)車組在完成整車型式試驗(yàn)和正線綜合運(yùn)行試驗(yàn)后，于2018年4月13日～2018年7月29日期間，在蘭渝線進(jìn)行了20萬(wàn)km以上的運(yùn)用考核。在完成累計(jì)201 072 km(初始里程為9 901 km)運(yùn)用考核后，對(duì)動(dòng)力車裝用的基礎(chǔ)制動(dòng)裝置進(jìn)行了狀態(tài)檢查。制動(dòng)摩擦副狀態(tài)良好，參見(jiàn)圖13所示，制動(dòng)盤緊固件正常、摩擦面未發(fā)現(xiàn)熱裂和明顯磨損、閘片磨耗較??；制動(dòng)夾鉗單元外觀狀態(tài)良好，參見(jiàn)圖14所示，制動(dòng)與緩解功能正常、停放制動(dòng)施加與緩解功能正常。

圖13 制動(dòng)摩擦副狀態(tài)

圖14 制動(dòng)夾鉗狀態(tài)

5 結(jié) 論

(1)制動(dòng)盤經(jīng)仿真計(jì)算、匹配粉末冶金閘片進(jìn)行了1∶1制動(dòng)動(dòng)力試驗(yàn)臺(tái)試驗(yàn)和疲勞試驗(yàn)(按最大軸重25 t)，滿足200 km/h速度等級(jí)動(dòng)力車(機(jī)車)的正常制動(dòng)要求；

(2)制動(dòng)夾鉗單元經(jīng)主要承載零件強(qiáng)度仿真計(jì)算、疲勞試驗(yàn)和型式試驗(yàn)，符合TJ/JW 043—2014 《交流傳動(dòng)機(jī)車制動(dòng)夾鉗單元暫行技術(shù)條件》規(guī)定要求，各項(xiàng)性能指標(biāo)均滿足設(shè)計(jì)要求；

(3)CR200J動(dòng)力集中電動(dòng)車組動(dòng)力車經(jīng)停放制動(dòng)試驗(yàn)表明，停放制動(dòng)能力達(dá)到51.5‰，滿足動(dòng)力車在30‰坡道上安全停放要求；經(jīng)運(yùn)行制動(dòng)試驗(yàn)表明，160 km/h和120 km/h制動(dòng)初速時(shí)，緊急制動(dòng)距離分別為1 118 m和659 m,滿足《鐵路技術(shù)管理規(guī)程》中對(duì)制動(dòng)距離限值的要求；

(4)CR200J動(dòng)力集中電動(dòng)車組經(jīng)過(guò)20萬(wàn)km以上的運(yùn)用考核，其基礎(chǔ)制動(dòng)裝置狀態(tài)良好，表明自主化研制的基礎(chǔ)制動(dòng)裝置夠滿足動(dòng)力車(機(jī)車)長(zhǎng)期可靠性能運(yùn)用要求。