丁 穎 ,王洪昆 ,曾德涼 ,張金發(fā) ,涂智文

(1.國(guó)能鐵路裝備有限責(zé)任公司,北京 100000;2.中車(chē)長(zhǎng)江集團(tuán)科技分公司,湖北 武漢 430212)

制動(dòng)系統(tǒng)作為鐵路貨車(chē)的重要組成部分,其技術(shù)狀態(tài)直接影響到車(chē)輛運(yùn)行安全。隨著鐵路重載運(yùn)輸?shù)倪M(jìn)一步發(fā)展,對(duì)車(chē)輛制動(dòng)性能的要求越來(lái)越高[1],純電制動(dòng)技術(shù)已作為一種解決方案正在研究當(dāng)中。而制動(dòng)缸作為制動(dòng)系統(tǒng)的關(guān)鍵部件之一,其性能的優(yōu)劣對(duì)制動(dòng)系統(tǒng)的可靠性影響極大[2]。在現(xiàn)有鐵路貨車(chē)制動(dòng)技術(shù)中,為保證空氣制動(dòng)缸的密封可靠性,需要經(jīng)常進(jìn)行檢修,否則將導(dǎo)致制動(dòng)缸漏泄故障。

為保持在運(yùn)用后制動(dòng)缸活塞行程不隨車(chē)輪、閘瓦等磨耗而增大,基礎(chǔ)制動(dòng)裝置一般需采用閘瓦間隙調(diào)整器(以下簡(jiǎn)稱(chēng)閘調(diào)器),這樣會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜,同時(shí)由于運(yùn)用后制動(dòng)杠桿角度發(fā)生偏轉(zhuǎn),車(chē)輛各相關(guān)部件剛度、間隙產(chǎn)生變化,即使有閘調(diào)器的作用,制動(dòng)缸活塞行程也會(huì)產(chǎn)生一定程度的變化[3],使得車(chē)輛制動(dòng)力一致性難以保證,給列車(chē)運(yùn)行特別是長(zhǎng)大下坡道運(yùn)行造成安全隱患。為使空氣制動(dòng)缸活塞在緩解時(shí)能夠復(fù)位,還設(shè)置有復(fù)位彈簧[4],但復(fù)位彈簧會(huì)對(duì)制動(dòng)缸推力產(chǎn)生較大反力,從而降低制動(dòng)效率。另外,現(xiàn)有貨車(chē)加裝了人力制動(dòng)裝置,以保證長(zhǎng)時(shí)間停車(chē)時(shí)車(chē)輛也能停駐,但人力制動(dòng)裝置存在需人工操作、現(xiàn)場(chǎng)工作量大、易出現(xiàn)誤操作等缺點(diǎn)。

為了解決上述空氣制動(dòng)缸存在的問(wèn)題,同時(shí)配套重載列車(chē)電制動(dòng)系統(tǒng)研發(fā),本文提出了一種多功能電制動(dòng)缸,旨在徹底解決制動(dòng)缸漏泄問(wèn)題,簡(jiǎn)化基礎(chǔ)制動(dòng)結(jié)構(gòu),提高制動(dòng)缸緩解性能、作用可靠性及制動(dòng)力一致性。

1 電制動(dòng)缸主要結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 主要結(jié)構(gòu)

電制動(dòng)缸是借鑒電動(dòng)缸在工業(yè)領(lǐng)域大范圍應(yīng)用的成熟經(jīng)驗(yàn),如升降臺(tái)、機(jī)械自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)及壓裝設(shè)備等,以取代功能單一的空氣制動(dòng)缸,產(chǎn)生制動(dòng)力,達(dá)到車(chē)輛調(diào)速、停車(chē)及駐車(chē)的目的,適用于采用電制動(dòng)系統(tǒng)的軌道車(chē)輛[5]。

多功能電制動(dòng)缸主要由直流伺服電機(jī)、缸蓋、缸體、蝸輪、蝸桿、螺桿、轉(zhuǎn)換螺母、外套、伸縮桿及螺桿頭等組成,如圖1、圖2所示。

圖1 多功能電制動(dòng)缸

圖2 多功能電制動(dòng)缸三維示意圖

缸蓋與缸體左側(cè)通過(guò)螺栓連接,外套與缸體右側(cè)通過(guò)螺紋連接。螺桿置于缸體與外套形成的空腔內(nèi),螺桿中部擋肩左側(cè)設(shè)有蝸輪,螺桿右端帶梯形螺紋并與轉(zhuǎn)換螺母通過(guò)螺紋相連。伸縮桿為中空結(jié)構(gòu),左端置于外套空腔內(nèi),并與轉(zhuǎn)換螺母相連,右端從外套伸出并與螺桿頭相連。蝸輪置于缸體中央大空腔內(nèi),蝸輪通過(guò)擋鍵與螺桿連接。蝸桿置于缸體左側(cè)空腔內(nèi),中部與蝸輪通過(guò)齒相連,并從缸體左側(cè)腔體的頂部伸出。直流伺服電機(jī)轉(zhuǎn)軸從下方伸出置于蝸桿上端桿內(nèi)孔中,并通過(guò)鍵與蝸桿相連。直流伺服電機(jī)轉(zhuǎn)軸除從電機(jī)下方伸出外,也從電機(jī)上方伸出。蝸桿頭數(shù)為1,以增加結(jié)構(gòu)單向自鎖性。

多功能電制動(dòng)缸具備自動(dòng)制動(dòng)、自動(dòng)緩解、電控手動(dòng)制動(dòng)、電控手動(dòng)緩解、機(jī)械手動(dòng)制動(dòng)、機(jī)械手動(dòng)緩解、自動(dòng)駐車(chē)、自動(dòng)調(diào)整閘瓦間隙等功能,通過(guò)伺服電機(jī)確保輸出力穩(wěn)定準(zhǔn)確,以取消傳統(tǒng)閘調(diào)器。利用蝸輪、蝸桿單向自鎖特性實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駐車(chē)功能,利用雙向伸出轉(zhuǎn)軸,實(shí)現(xiàn)自動(dòng)及機(jī)械手動(dòng)操作功能。通過(guò)設(shè)置在車(chē)輛上的按鈕與驅(qū)動(dòng)器,可電控手動(dòng)制動(dòng)及緩解,以利于現(xiàn)場(chǎng)換瓦作業(yè)。

為保證配件強(qiáng)度,鑄件均采用C 級(jí)鋼;考慮減摩性,蝸輪及轉(zhuǎn)換螺母均采用鋁青銅材料;為提高配件防塵、防水性能,密封件采用耐油耐寒橡膠;為防止鋼與鋼的對(duì)磨,伸縮桿的支承件采用改性尼龍材料。

1.2 工作原理

制動(dòng)缸采用直流電驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī),電機(jī)旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)蝸桿,進(jìn)而驅(qū)動(dòng)與蝸桿相嚙合的蝸輪,再由蝸輪帶動(dòng)內(nèi)部的螺桿轉(zhuǎn)動(dòng),螺桿上的轉(zhuǎn)換螺母沿著螺桿的方向前后移動(dòng),伸縮桿與轉(zhuǎn)換螺母為一體,在轉(zhuǎn)換螺母的推動(dòng)下相對(duì)于筒體前后伸縮運(yùn)動(dòng),從而實(shí)現(xiàn)將電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)。

伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)軸從電機(jī)兩端伸出,以保證電制動(dòng)缸在電機(jī)失電的情況,亦可手動(dòng)實(shí)施制動(dòng)及緩解[6]。利用蝸輪蝸桿單向自鎖特性,即只能蝸桿驅(qū)動(dòng)蝸輪,蝸輪不能驅(qū)動(dòng)蝸桿,實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駐車(chē)及制動(dòng)保壓功能。

2 主要技術(shù)參數(shù)的確定

2.1 適用環(huán)境溫度

國(guó)內(nèi)空氣制動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)用環(huán)境溫度為-40～+40℃,110℃、3 h恢復(fù)常溫能正常作用;部件應(yīng)滿(mǎn)足-50～+70℃運(yùn)用要求?；诖?適應(yīng)環(huán)境溫度設(shè)定為-50～+70℃,110℃、3 h恢復(fù)常溫能正常作用[7]。

2.2 重車(chē)緊急制動(dòng)輸出力

以制動(dòng)能力符合《鐵路技術(shù)管理規(guī)程》及TB/T 1407.1—2018《列車(chē)牽引計(jì)算 第1部分:機(jī)車(chē)牽引式列車(chē)》的相關(guān)規(guī)定進(jìn)行核算。國(guó)內(nèi)305 mm 空氣制動(dòng)缸在制動(dòng)缸壓力420 kPa、效率100%時(shí)提供的輸出力為30.67 kN。以車(chē)輛倍率7.8、轉(zhuǎn)向架倍率4考慮,同時(shí)電制動(dòng)缸布置于車(chē)體的制動(dòng)杠桿中部,則此時(shí)對(duì)應(yīng)的電制動(dòng)缸輸出力為60.57 kN。經(jīng)取整,電制動(dòng)缸重車(chē)緊急制動(dòng)輸出力取不小于60 kN。

2.3 工作行程

國(guó)內(nèi)空氣制動(dòng)缸全行程普遍為254 mm,以車(chē)輛倍率7.8、轉(zhuǎn)向架倍率4考慮,同時(shí)電制動(dòng)缸布置于車(chē)體的制動(dòng)杠桿中部[8],此時(shí)電制動(dòng)缸對(duì)應(yīng)國(guó)內(nèi)空氣制動(dòng)缸全行程的行程應(yīng)為254×2×4÷(7.8+2×4)=129 mm。

由于電制動(dòng)缸集成了閘調(diào)器功能,工作行程還應(yīng)考慮車(chē)輪與閘瓦磨耗的影響。根據(jù)車(chē)輪閘瓦磨耗限度,車(chē)輪允許磨耗為27 mm,閘瓦允許磨耗為25 mm,輪瓦總磨耗為52 mm。則輪瓦磨耗引起的行程變化量為52×7.8×2×4÷(7.8+2×4)=205 mm。綜上,經(jīng)取整并預(yù)留一定制動(dòng)能力提升空間,電制動(dòng)缸的工作行程取350 mm。

3 主要技術(shù)參數(shù)及基本尺寸

多功能電制動(dòng)缸的基本尺寸為:最短安裝長(zhǎng)度為1 110 mm,外套直徑為80 mm,缸體內(nèi)徑為176 mm,蝸桿渦輪中心距為100 mm,主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 電制動(dòng)缸主要技術(shù)參數(shù)

4 技術(shù)特點(diǎn)

多功能電制動(dòng)缸主要有以下特點(diǎn):

(1) 采用電驅(qū)動(dòng),無(wú)需壓力空氣,徹底解決了傳統(tǒng)空氣制動(dòng)缸漏泄故障。

(2) 采用伺服電機(jī)控制輸出力,制動(dòng)力輸出穩(wěn)定可靠,避免了傳統(tǒng)空氣制動(dòng)缸輸出力不穩(wěn)定的問(wèn)題。

(3) 制動(dòng)、緩解雙向驅(qū)動(dòng),解決了傳統(tǒng)空氣制動(dòng)缸制動(dòng)力與緩解力相互制約問(wèn)題,緩解性能好。

(4) 無(wú)氣動(dòng)密封要求,檢修周期更長(zhǎng)。

(5) 集成自動(dòng)駐車(chē)、自動(dòng)調(diào)整閘瓦間隙功能,基礎(chǔ)制動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,列檢作業(yè)量少,可靠性高。

(6) 具有自動(dòng)、手動(dòng)制動(dòng)緩解功能,可適應(yīng)多種應(yīng)用工況。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文研制的多功能電制動(dòng)缸采用具有精準(zhǔn)輸出能力的伺服直流電機(jī)以及具有單向自鎖特性的蝸輪蝸桿傳動(dòng)結(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)了多功能、高集成、準(zhǔn)輸出設(shè)計(jì),耗能清潔,節(jié)約能源,符合我國(guó)碳達(dá)峰碳中和發(fā)展戰(zhàn)略,可為鐵路貨車(chē)電制動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供關(guān)鍵技術(shù)支撐。