劉 帥，楊 磊，張敬斌，崔 雷

（中車青島四方車輛研究所有限公司 技術(shù)中心，山東青島266031）

現(xiàn)代有軌電車相比于地鐵，運(yùn)行在地面上的專用軌道，建設(shè)成本低，非常適于作為中心城區(qū)和衛(wèi)星城之間的交通工具?，F(xiàn)代有軌電車采用低地板結(jié)構(gòu)，無需設(shè)置專門站臺(tái)，乘客上下車方便，但也對(duì)車下裝備尤其是制動(dòng)系統(tǒng)的安裝空間提出了很高的要求，現(xiàn)代低地板有軌電車通常采用結(jié)構(gòu)緊湊的液壓制動(dòng)系統(tǒng)以適應(yīng)苛刻的安裝空間要求[1]。液壓制動(dòng)夾鉗是液壓制動(dòng)系統(tǒng)關(guān)鍵部件，其運(yùn)行可靠性是列車液壓制動(dòng)系統(tǒng)準(zhǔn)確制動(dòng)的關(guān)鍵。

目前液壓制動(dòng)夾鉗主要分為主動(dòng)式制動(dòng)夾鉗和被動(dòng)式制動(dòng)夾鉗，主動(dòng)式制動(dòng)夾鉗由于內(nèi)部油缸結(jié)構(gòu)為活塞直推式，如圖1 所示，隨著液壓壓力的升高活塞輸出力線性增加，其液壓壓力與輸出力響應(yīng)取決于內(nèi)部油密封圈、防塵圈等阻力的大小，且已經(jīng)通過理論和試驗(yàn)被廣泛研究。被動(dòng)式制動(dòng)夾鉗內(nèi)部的彈簧缸結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜[2]，其輸出力為內(nèi)部碟簧組輸出，輸出力隨著液壓壓力的降低而增大，在油壓降低為零時(shí)輸出力最大，因此其制動(dòng)原理符合故障導(dǎo)向原則，而制動(dòng)響應(yīng)時(shí)間作為制動(dòng)距離的重要因素[3]，文中從執(zhí)行機(jī)構(gòu)夾鉗結(jié)構(gòu)原理出發(fā)，分別從理論和試驗(yàn)方面分析夾鉗液壓壓力與輸出力的響應(yīng)情況。

1 被動(dòng)式制動(dòng)夾鉗彈簧缸概述

1.1 彈簧缸結(jié)構(gòu)及原理

圖1 主動(dòng)式夾鉗內(nèi)部油缸結(jié)構(gòu)圖

彈簧缸是被動(dòng)式制動(dòng)夾鉗主要結(jié)構(gòu)，具有夾鉗制動(dòng)緩解功能。如圖2 所設(shè)計(jì)的一種新型彈簧缸結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)主要分為輸出力機(jī)構(gòu)、緩解油缸機(jī)構(gòu)、自調(diào)整機(jī)構(gòu)以及機(jī)械緩解輸出力機(jī)構(gòu)。輸出力機(jī)構(gòu)是碟簧力經(jīng)由連接部件輸出，由碟簧組、螺柱、主軸、主軸頂板和壓板組成。緩解油缸機(jī)構(gòu)是通過活塞密封油腔的一定壓力液壓油反向抵消碟簧力，且備有第二油缸結(jié)構(gòu)在第一油缸失效時(shí)輔助緩解，提高彈簧缸的可靠性的功能。其由常用活塞、輔助活塞、端蓋、活塞（桿）密封圈、O 型圈和導(dǎo)向帶組成。自調(diào)整機(jī)構(gòu)是當(dāng)夾鉗閘片或制動(dòng)盤磨耗后使閘片與盤間隙增大，該機(jī)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)間隙調(diào)整補(bǔ)償磨耗的間隙，使碟簧組具有固定的壓縮量，進(jìn)而保證彈簧缸有穩(wěn)定的輸出力，其自調(diào)整功能為當(dāng)閘片間隙變大時(shí)，在緩解工況下活塞帶動(dòng)連接部件后移，其內(nèi)部非自鎖螺紋副中的螺柱脫開鎖止機(jī)構(gòu)，在螺紋副受到相互軸向力情況下，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)動(dòng)代替了移動(dòng)量△，然后在制動(dòng)工況下，部件回移，螺柱多回移了移動(dòng)量△，進(jìn)而帶動(dòng)主軸補(bǔ)償磨耗間隙。機(jī)械緩解輸出力機(jī)構(gòu)是在緩解油缸機(jī)構(gòu)失效的情況下，可以通過手動(dòng)機(jī)械緩解方式對(duì)夾鉗進(jìn)行緩解，由機(jī)械調(diào)整桿、螺柱、主軸、主軸頂板和壓板組成，通過大機(jī)械扳手順時(shí)針旋轉(zhuǎn)機(jī)械調(diào)整桿尾部，驅(qū)動(dòng)主軸旋轉(zhuǎn)縮回，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)機(jī)械緩解。因此從以上分析可知，彈簧缸區(qū)別于傳統(tǒng)油缸結(jié)構(gòu)，動(dòng)力源為碟簧組產(chǎn)生彈簧力，制動(dòng)時(shí)油壓降低，彈簧力通過傳遞路徑施加到夾鉗閘片，最終作用于制動(dòng)盤產(chǎn)生制動(dòng)力；緩解時(shí)，通過彈簧缸直通接頭的油路口充入一定壓力液壓油，液壓反向力推動(dòng)活塞，壓縮碟簧從而抵消碟簧的彈簧力，并最終產(chǎn)生一定緩解間隙；此外配備了間隙自調(diào)整功能和手動(dòng)機(jī)械緩解功能。

圖2 彈簧缸結(jié)構(gòu)原理圖

1.2 彈簧缸性能參數(shù)

由以上功能需求分析，新型彈簧動(dòng)力單元的技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 技術(shù)參數(shù)表

1.3 液壓壓力與輸出力響應(yīng)的影響因素

由彈簧缸結(jié)構(gòu)原理分析可知，輸出力的響應(yīng)有兩個(gè)方面的影響因素:

（1）如圖2，碟簧組彈簧力施加傳遞到主軸，其產(chǎn)生的阻力Ft主要由活塞桿密封圈，導(dǎo)向帶、防塵圈、導(dǎo)向軸承等產(chǎn)生，此外由流體力學(xué)可知[4]，阻力還包括液壓油的響應(yīng)速率，由產(chǎn)品和試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，其產(chǎn)生阻力大小大致估算在1 kN 范圍內(nèi)。

（2）在夾鉗制動(dòng)達(dá)到額定輸出力F時(shí)，碟簧組具有一定的壓縮量，此時(shí)碟簧組彈簧力F0=kx0，而當(dāng)夾鉗完全緩解時(shí)，碟簧組進(jìn)一步壓縮，此時(shí)碟簧組彈簧力：

其中，k為碟簧組剛度；x0為初始?jí)嚎s量；x1為二次壓縮量，即閘片間隙；

由以上的兩個(gè)因素分析可以得出，當(dāng)夾鉗完全緩解時(shí)，彈簧缸內(nèi)部彈簧力施加運(yùn)動(dòng)部件的最大力Fm:

當(dāng)夾鉗開始制動(dòng)時(shí)，彈簧力施加運(yùn)動(dòng)部件的力Fn:

由于內(nèi)在阻力相對(duì)于碟簧力較小，因此在整個(gè)運(yùn)動(dòng)過程中運(yùn)動(dòng)部件受力可視為線性減小，平均的受力Fc:

設(shè)彈簧力通過運(yùn)動(dòng)部件總質(zhì)量為m，則運(yùn)動(dòng)部件平均加速度范圍值ɑc，

因此在整個(gè)緩解—制動(dòng)過程中，運(yùn)動(dòng)部件走過行程所用的時(shí)間（即閘片間隙x1），即輸出力的響應(yīng)時(shí)間t:

綜上分析可知，輸出力的響應(yīng)時(shí)間與碟簧壓縮量、碟簧剛度、內(nèi)在阻力以及施加運(yùn)動(dòng)部件質(zhì)量等因素有關(guān)，而內(nèi)在阻力中液壓油的阻力由于油缸管路及壓力變化的不確定性，無法精確估算，由此有必要對(duì)液壓壓力與輸出力的響應(yīng)進(jìn)行試驗(yàn)分析。

2 彈簧缸輸出力響應(yīng)試驗(yàn)

2.1 彈簧缸試驗(yàn)臺(tái)搭建

如圖3 所示為使用的液壓制動(dòng)性能試驗(yàn)臺(tái)，其由3個(gè)部分組成，控制部分采用的是城軌制動(dòng)系統(tǒng)所用EBCU，用于控制液壓部分壓力的精確輸出；液壓部分采用的是城軌制動(dòng)系統(tǒng)所用液壓?jiǎn)卧?，其液壓控制閥使用是比例閥，輸出的液壓油給執(zhí)行機(jī)構(gòu)；執(zhí)行部分為被測(cè)試件—被動(dòng)式液壓制動(dòng)夾鉗，彈簧缸作為模塊化部件安裝在夾鉗上，壓力傳感器，載荷傳感器安裝到夾鉗對(duì)應(yīng)接口處（此測(cè)試夾鉗理論為零點(diǎn)時(shí)最大輸出力為23 KN）。

此外，為精確的采集試驗(yàn)數(shù)據(jù)，試驗(yàn)使用的是課題組開發(fā)的牽引制動(dòng)性能集成測(cè)試平臺(tái)[5]，如圖4 所示，其由采集單元對(duì)制動(dòng)傳感器組的油壓壓力和輸出力進(jìn)行硬線讀取，傳輸?shù)讲杉?jì)算機(jī)上，計(jì)算機(jī)開發(fā)了專用的終端訪問測(cè)試軟件，能夠用處理算法進(jìn)行車輛制動(dòng)性能參數(shù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集、結(jié)果計(jì)算和離線數(shù)據(jù)分析。

試驗(yàn)臺(tái)設(shè)備精度:

采集儀的采集數(shù)據(jù)點(diǎn)時(shí)間間隔為0.1 s；

壓力傳感器的精度0.001 MPa；

載荷傳感器的精度0.1 kN。

圖3 液壓制動(dòng)性能試驗(yàn)臺(tái)

圖4 牽引制動(dòng)性能集成測(cè)試平臺(tái)

2.2 不同工況下響應(yīng)試驗(yàn)

試驗(yàn)從夾鉗制動(dòng)、緩解兩個(gè)功能出發(fā)，通過彈簧缸減壓和增壓兩種工況，測(cè)試液壓壓力與輸出力的響應(yīng)情況。

2.2.1 減壓試驗(yàn)響應(yīng)工況

液壓壓力分別從8 MPa（穩(wěn)壓5 s）分別減壓到0，1，2，3，4 MPa，測(cè)試液壓壓力與輸出力的響應(yīng)曲線。

由以上試驗(yàn)曲線可得(縱坐標(biāo)紅色線代表輸出力，藍(lán)色線代表油壓壓力，橫坐標(biāo)代表時(shí)間點(diǎn))，在減壓試驗(yàn)工況下，液壓壓力與輸出力的響應(yīng)時(shí)間在0～0.3 s 區(qū)間內(nèi)。試驗(yàn)結(jié)果表明此工況下，輸出力響應(yīng)較快，且隨著壓降差的減小，彈簧缸的輸出力響應(yīng)時(shí)間增大。分析其原因?yàn)閴航翟叫?，在相同減壓閥開度相同情況下，液壓油流速減慢，阻力較大，進(jìn)而彈簧缸輸出力的響應(yīng)時(shí)間增大。

圖5 減壓工況下不同目標(biāo)壓力的液壓壓力和輸出力曲線

圖6 增壓工況下不同目標(biāo)壓力的液壓壓力和輸出力曲線

2.2.2 增壓試驗(yàn)響應(yīng)工況

液壓壓力分別從 0、1、2、3、4 MPa（穩(wěn)壓 5 s）增壓到8 MPa，測(cè)試液壓壓力與輸出力的響應(yīng)曲線。

由以上試驗(yàn)曲線可得(縱坐標(biāo)紅色線代表輸出力，藍(lán)色線代表油壓壓力，橫坐標(biāo)代表時(shí)間點(diǎn))，在增壓試驗(yàn)工況下，液壓壓力與輸出力的響應(yīng)時(shí)間在0～0.1 s 區(qū)間內(nèi)。試驗(yàn)結(jié)果表明此工況下，相比減壓工況輸出力響應(yīng)更快，且在不同目標(biāo)壓力下，響應(yīng)時(shí)間均在0～0.1 s 區(qū)間內(nèi)。分析其原因?yàn)閴毫υ词褂玫氖侨萘繛?.8 dm3、油壓14 MPa 的蓄能器，儲(chǔ)能較高，液壓流速較快，因試驗(yàn)儀器精度問題，無法得出不同目標(biāo)壓力下彈簧缸的響應(yīng)時(shí)間變化趨勢(shì)，但0.1 s 內(nèi)的響應(yīng)時(shí)間為液壓制動(dòng)系統(tǒng)的液壓精確控制提供了重要的試驗(yàn)依據(jù)。

3 結(jié) 論

基于項(xiàng)目需求，對(duì)被動(dòng)式液壓制動(dòng)夾鉗的彈簧缸結(jié)構(gòu)原理進(jìn)行分析，通過分析計(jì)算，得出液壓壓力和輸出力的響應(yīng)因素；為進(jìn)一步量化響應(yīng)時(shí)間，通過搭建的試驗(yàn)臺(tái)，測(cè)量不同工況下液壓壓力和輸出力的響應(yīng)進(jìn)行了理論和試驗(yàn)分析，試驗(yàn)結(jié)果表明:在減壓試驗(yàn)工況下，液壓壓力與輸出力的響應(yīng)時(shí)間維持在0～0.3 s 區(qū)間內(nèi)（由于試驗(yàn)儀器精度問題，導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果為區(qū)間值），此工況下夾鉗輸出力響應(yīng)較快，并且得出不同目標(biāo)壓力下的響應(yīng)曲線及趨勢(shì)；在增壓試驗(yàn)工況下，液壓壓力與輸出力的響應(yīng)時(shí)間維持在0～0.1 s 范圍內(nèi)，說明此工況下夾鉗輸出力響應(yīng)較快，另外試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比表明階梯減壓的響應(yīng)階梯增壓工況相比反應(yīng)有所減慢，其原因?yàn)殡A梯增壓工況壓力源為14 MPa 左右，液壓油流速較快。本文的理論和試驗(yàn)分析為液壓制動(dòng)系統(tǒng)的精確控制提供了理論支撐和數(shù)據(jù)支持。