董振威 崔 雷 劉 帥

(中車青島四方車輛研究所有限公司，266011，青島∥第一作者，工程師)

中低速磁浮交通車輛施加摩擦制動時，夾鉗直接夾緊F型導(dǎo)軌，通過閘片與導(dǎo)軌間的摩擦實(shí)施制動[1]，見圖1。與傳統(tǒng)盤片制動相比，中低速磁浮交通車輛沒有制動盤進(jìn)行摩擦配副，對偶間的運(yùn)動型式也由傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)動相對運(yùn)動變?yōu)榫€性相對運(yùn)動。本文針對這種特殊的摩擦形式，提出了一種適用于中低速磁浮交通車輛閘片的試驗(yàn)方法，用于驗(yàn)證閘片的使用性能。

圖1 夾鉗與F型導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)

1 閘片試驗(yàn)?zāi)康?/h2>

傳統(tǒng)軌道交通車輛的閘片試驗(yàn)通常指摩擦磨耗性能試驗(yàn)，其目的為驗(yàn)證閘片的以下性能是否滿足要求：① 不允許造成制動盤的異常磨耗和損傷；② 摩擦系數(shù)位于適當(dāng)?shù)膮^(qū)間范圍；③ 磨耗量必須小于要求的上限；④ 物理力學(xué)性能、火花及噪聲等滿足要求。

對于中低速磁浮交通車輛，閘片試驗(yàn)除了需要驗(yàn)證上述性能，還需額外驗(yàn)證以下性能：

1)閘片的低速磨耗量。車輛在中高速條件下制動時，主要采用電制動；在進(jìn)站停車過程中，當(dāng)車速達(dá)到電液轉(zhuǎn)換點(diǎn)時，電制動逐漸退出，轉(zhuǎn)為施加液壓摩擦制動[2]。可見，閘片在低速區(qū)段的使用頻率遠(yuǎn)高于中高速區(qū)段。此外，中低速磁浮交通車輛每次制動時，閘片和導(dǎo)軌的接觸位置和貼合程度均不一致，使得摩擦面長期處于非磨合狀態(tài)，故需單獨(dú)對低速工況下閘片的磨耗性能進(jìn)行試驗(yàn)評估。

2)抗沖擊性能。中低速磁浮交通車輛的導(dǎo)軌是分段布置的，考慮熱脹冷縮的影響，在每2段導(dǎo)軌接頭處預(yù)留接縫[3]。接縫長度為0～10 mm、10～20 mm和20～40 mm等3種[4]。根據(jù)中低速磁浮軌排組裝要求，每2段F型導(dǎo)軌接縫的橫向錯位極限偏差為±1 mm(見圖2)。在制動過程中，當(dāng)閘片夾緊導(dǎo)軌通過接縫時，導(dǎo)軌的橫向錯位會對閘片產(chǎn)生沖擊(見圖3)。這種沖擊可能導(dǎo)致閘片被破壞，因此需對閘片的抗沖擊性能進(jìn)行試驗(yàn)評估。

圖2 導(dǎo)軌接縫結(jié)構(gòu)

圖3 接縫沖擊示意圖

2 試驗(yàn)對象設(shè)計

試驗(yàn)對象包含閘片和對偶導(dǎo)軌兩部分。

傳統(tǒng)摩擦磨耗性能試驗(yàn)僅需把實(shí)車使用的制動盤和閘片裝配在1∶1試驗(yàn)臺上即可[5-6]。對于中低速磁浮車，實(shí)車閘片和對偶導(dǎo)軌均為線性結(jié)構(gòu)[7]，無法直接在1∶1試驗(yàn)臺上裝配使用，需要針對試驗(yàn)臺的工作原理和試驗(yàn)需求進(jìn)行單獨(dú)設(shè)計。

2.1 對偶導(dǎo)軌設(shè)計

為了和1∶1試驗(yàn)臺的回轉(zhuǎn)運(yùn)動方式匹配，需要將對偶導(dǎo)軌設(shè)計為盤型結(jié)構(gòu)來替代模擬，并使其材質(zhì)與實(shí)車導(dǎo)軌保持一致。

閘片的摩擦系數(shù)和磨耗量等參數(shù)，需要在平整的盤面上進(jìn)行試驗(yàn)；閘片的抗沖擊性能參數(shù)需要在有接縫和橫向錯位的盤面上進(jìn)行試驗(yàn)。

基于以上考慮，將模擬盤設(shè)計為圖4所示結(jié)構(gòu)。每個模擬盤由盤主體、嵌入塊和連接螺栓組成。

圖4 模擬盤結(jié)構(gòu)

盤主體采用大直徑環(huán)形結(jié)構(gòu)，其中一段環(huán)向角度為60°的區(qū)域(以下簡為“60°段”)進(jìn)行了開槽處理，用于與嵌入塊配合。此外，盤主體在60°段開槽的一側(cè)，額外設(shè)計1段淺槽，來模擬2段導(dǎo)軌間的接縫，見圖5。

圖5 盤主體結(jié)構(gòu)

嵌入塊為1段環(huán)向角度為60°的環(huán)塊。通過改變摩擦面的形狀，可得到適用于不同試驗(yàn)的嵌入塊。

常規(guī)試驗(yàn)和低速磨耗試驗(yàn)使用平面型嵌入塊。這種嵌入塊的摩擦面設(shè)計為平面。裝配到盤主體后，嵌入塊摩擦面與盤主體摩擦面等高，見圖6。

圖6 平面型嵌入塊

在抗沖擊試驗(yàn)中使用的螺旋型嵌入塊(見圖7)。其摩擦面設(shè)計為螺旋結(jié)構(gòu)。嵌入塊裝配到盤主體后，摩擦面遠(yuǎn)離軌縫的一端與盤主體摩擦面等高，靠近軌縫的一端高出盤主體摩擦面，可模擬實(shí)際接縫的橫向錯位。

圖7 螺旋型嵌入塊

此外，還可以通過調(diào)整沖擊塊軌縫一側(cè)的尺寸，設(shè)計不同臺階高度和不同的軌縫寬度。

盤主體和嵌入塊在軌縫位置均進(jìn)行倒角處理，模擬實(shí)際導(dǎo)軌在接縫處的倒角。

2.2 閘片設(shè)計

在1∶1試驗(yàn)臺試驗(yàn)中，閘片與模擬盤之間做轉(zhuǎn)動相對運(yùn)動。為保證試驗(yàn)閘片的摩擦受力方向與實(shí)際的受力方向一致，將試驗(yàn)閘片摩擦體設(shè)計為弧形結(jié)構(gòu)，以適應(yīng)模擬盤的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(見圖8)。

a)實(shí)車線性摩擦體

2.3 模擬盤和閘片匹配方式

模擬盤和閘片在設(shè)計完成后，借助既有標(biāo)準(zhǔn)的機(jī)車車輪作為試驗(yàn)工裝，在1∶1試驗(yàn)臺上進(jìn)行安裝配合。

模擬盤設(shè)計為輪盤結(jié)構(gòu)。根據(jù)不同的試驗(yàn)流程，在車輪兩側(cè)的模擬盤上裝配不同的嵌入塊。

在常規(guī)試驗(yàn)和低速磨耗試驗(yàn)時，兩側(cè)的模擬盤均裝配平面型嵌入塊。

抗沖擊試驗(yàn)包含有沖擊試驗(yàn)和無沖擊試驗(yàn)。在無沖擊試驗(yàn)中，車輪兩側(cè)的模擬盤均裝配平面型嵌入塊；在有沖擊試驗(yàn)中，車輪一側(cè)的模擬盤裝配平面型嵌入塊，另一側(cè)模擬盤裝配螺旋型嵌入塊。

3 試驗(yàn)流程設(shè)計

目前，城市軌道交通車輛、動車組及交流傳動機(jī)車等軌道交通車輛均出臺了相關(guān)的閘片標(biāo)準(zhǔn)，但并不適用于中低速磁浮交通車輛。本文針對中低速磁浮交通車輛特有的制動要求和特性，設(shè)計了1套閘片摩擦磨耗性能試驗(yàn)流程。該試驗(yàn)流程包含常規(guī)試驗(yàn)、低速磨耗試驗(yàn)和抗沖擊試驗(yàn)等3部分。

3.1 常規(guī)試驗(yàn)

常規(guī)試驗(yàn)的主要目的為驗(yàn)證閘片在不同速度、不同夾緊力及不同干濕環(huán)境下的摩擦系數(shù)和磨耗量是否滿足要求。

常規(guī)試驗(yàn)包含最大常用制動、緊急制動及持續(xù)制動等車輛常用制動工況。在試驗(yàn)過程中，需實(shí)時記錄環(huán)境溫度、濕度、閘片壓力、初始速度、制動時間、制動距離、摩擦系數(shù)、制動盤溫度及磨耗量等參數(shù)。常規(guī)試驗(yàn)流程見表1。

表1 常規(guī)試驗(yàn)流程

3.2 低速磨耗試驗(yàn)

低速磨耗試驗(yàn)的目的為驗(yàn)證閘片在低速停車條件下的磨耗量。

列車進(jìn)站停車的電液轉(zhuǎn)換速度通常為8 km/h左右。若采用此速度進(jìn)行模擬，則每一閘的制動能量過低，且需要試驗(yàn)臺反復(fù)加速減速并施加速度控制，使試驗(yàn)過程復(fù)雜低效。由于從8 km/h減速至0的速度跨度較小，且速度變化對磨耗量的影響較小，因此，將停車制動工況優(yōu)化為8 km/h持續(xù)1 min，并采用3級制動力，以加速閘片磨耗，提高試驗(yàn)效率。試驗(yàn)共制動120次，且每制動20次就停機(jī)觀察閘片和盤表面狀態(tài)，測量閘片磨耗量(共觀察測量6組數(shù)據(jù))。

假定3級制動的停車減速度為0.5 m/s2，則車輛從初速度v0=8 km/h制動至停車所需時間為4.4 s，低速磨耗制動總制動時間設(shè)定為120 min，則相當(dāng)于單對閘片施加1 636次制動，以北京市郊鐵路城市副中心線(以下稱為“S1線”)中低速磁浮車的發(fā)車間隔和運(yùn)營時間為參照，單輛車單日停站次數(shù)約230次，則整個低速磨耗試驗(yàn)流程約等效于車輛運(yùn)行7天的單對閘片制動次數(shù)。

3.3 抗沖擊試驗(yàn)

抗沖擊試驗(yàn)的目的是測量車輛通過軌道接縫時，閘片承受的沖擊載荷。試驗(yàn)過程中需實(shí)時記錄夾鉗的制動扭矩，從而計算得到閘片承受的沖擊載荷。試驗(yàn)包含有沖擊試驗(yàn)和無沖擊試驗(yàn)兩部分。

有沖擊試驗(yàn)采用持續(xù)制動?？紤]到高速沖擊可能對試驗(yàn)設(shè)備造成的破壞，試驗(yàn)從v0=10 km/h的低速開始，逐漸增加速度，直至測得的扭矩峰值達(dá)到試驗(yàn)臺允許的最大值或閘片被破壞。制動力選擇小級位B3和大級位B7。制動過程中，需監(jiān)測并計算得到夾鉗在固定速度下的平均沖擊扭矩。

無沖擊試驗(yàn)制動工況和有沖擊試驗(yàn)相同，其目的是為有沖擊試驗(yàn)提供參照和扭矩計算依據(jù)。在制動過程中，監(jiān)測并計算得到夾鉗的平均扭矩。

單個閘片承受的沖擊載荷F為：

F=(M1-M2/2)/R

式中：

M1——有沖擊試驗(yàn)平均沖擊扭矩；

M2——無沖擊試驗(yàn)平均扭矩；

R——制動半徑。

具體試驗(yàn)流程見表2。

表2 抗沖擊試驗(yàn)流程

4 結(jié)語

本文總結(jié)了中低速磁浮交通車輛閘片試驗(yàn)在低速磨耗性能和抗沖擊性能方面的特殊需求；提出了中低速磁浮交通車輛閘片試驗(yàn)專用的模擬盤和閘片設(shè)計方法，以及針對不同試驗(yàn)流程的匹配方法；設(shè)計了適用于中低速磁浮交通車輛閘片專用的摩擦磨耗試驗(yàn)流程，涵蓋了對閘片一般性能、低速磨耗性能和抗沖擊性能的驗(yàn)證方法。