顧家禎,曾梁彬,赫明勝,王宇超

(中車戚墅堰機車車輛工藝研究所股份有限公司,江蘇 常州 213011)

0 引言

隨著軌道交通車輛的提速,整車的穩(wěn)定性對車輛輕量化有了更高的要求。國內(nèi)外主機廠近幾年推出了各種輕量化車型[1],軌道交通車輛制動系統(tǒng)中的制動夾鉗單元,其輕量化特征有材料減重和結(jié)構(gòu)改進2個方向。其中材料減重目前已有外部結(jié)構(gòu)承載件采用鈦合金材料替代鑄鐵材料[2],可減重25%,結(jié)構(gòu)改進即通過改變零件造型及組件組成,以更優(yōu)的結(jié)構(gòu)實現(xiàn)制動功能。

軌道交通車輛輕量化可以減少材料使用和能量消耗,使得整車系統(tǒng)運行更加高效,為適應(yīng)軌道交通車輛輕量化的技術(shù)發(fā)展趨勢,下文對制動夾鉗總成和停放制動缸進行結(jié)構(gòu)分析和改進,設(shè)計實現(xiàn)了新的夾鉗總成零部件,同時停放制動缸也由蓄能彈簧結(jié)構(gòu)改成鎖止式結(jié)構(gòu),對新的制動夾鉗單元,進行了理論分析和試驗驗證,是制動夾鉗單元輕量化結(jié)構(gòu)改進[3]的一種探索。

1 制動夾鉗總成設(shè)計

1.1 三點吊掛式制動夾鉗總成

目前軌道交通車輛上的制動夾鉗單元普遍采用三點吊掛安裝方式,包含杠桿、吊座、閘片托、閘片托吊等主要的承載件,如圖1所示,這些關(guān)鍵零部件均采用QT500、QT600等球墨鑄鐵材料鑄造而成。該類型制動夾鉗總成的各個承載件均能滿足最大受力工況,而實際上動車組制動夾鉗單元緊急制動下的制動氣壓僅為340 kPa,遠(yuǎn)小于800 kPa這一最大試驗氣壓,且運用過程中絕大多數(shù)工況為1 N～4 N等級的低級別常用制動,制動氣壓不超過140 kPa,故在不降低制動夾鉗總成零部件結(jié)構(gòu)可靠性下,可以對上述零部件結(jié)構(gòu)進行減重設(shè)計,提高材料利用率。

圖1 三點吊掛式制動夾鉗總成示意圖

1.2 關(guān)鍵零部件結(jié)構(gòu)改進

根據(jù)受力情況分析,吊座和杠桿主要承受制動夾緊力,閘片托吊主要承受垂向制動摩擦力,閘片托則既承受制動夾緊力又承受制動摩擦力,此外,各零部件在振動沖擊情況下還承受一定的慣性載荷。為達到減重的目的,針對零部件的低應(yīng)力區(qū)域進行如下改進設(shè)計[4]:

1)如圖2所示,吊座不再獨立設(shè)計頸部筋,使得吊座頂部的安裝孔和上梁能一體化連接,同時取消了垂向筋,改變了上、下橫梁輪廓和截面,提高了材料利用率。

圖2 吊座改進示意圖

2)如圖3所示,杠桿取消了杠桿后筋,縮短了杠桿長度,同時在杠桿臂截面增加減重槽,大幅降低了重量。

圖3 杠桿改進示意圖

3)在閘片托背板低應(yīng)力區(qū)域以鏤空式設(shè)計增加減重孔,減薄垂向筋板,強化橫向筋板(見圖4)。

圖4 閘片托改進示意圖

4)如圖5所示,閘片托吊的輻板結(jié)構(gòu)改為鏤空式框架結(jié)構(gòu),優(yōu)化了骨架形狀。

圖5 閘片托吊改進示意圖

改進后的零部件將減輕制動夾鉗單元總成的重量,但對銷軸的強度要求更高,通過對制動夾鉗總成的有限元分析和完整的制動夾鉗單元試驗,可以從理論和試驗2個方面進一步驗證制動夾鉗總成的可靠性。

1.3 有限元分析驗證

通過有限元計算分析模擬制動夾鉗總成的靜強度工況,從而確定制動夾鉗總成的高應(yīng)力部位,便于零部件的結(jié)構(gòu)強度分析[5]。

改進后的零部件同樣在有限元計算分析軟件中以800 kPa充氣氣壓的靜強度工況進行模擬分析,應(yīng)力云圖結(jié)果見圖6,其中吊架最大應(yīng)力314.1 MPa,吊座最大應(yīng)力156.1 MPa,杠桿最大應(yīng)力287.7 MPa,閘片托吊最大應(yīng)力13.44 MPa,閘片托最大應(yīng)力170.7 MPa,仍符合零部件材料的強度要求。

圖6 改進后制動夾鉗總成應(yīng)力圖

2 停放制動缸設(shè)計

2.1 傳統(tǒng)式停放制動缸

三點吊掛式制動夾鉗單元采用傳統(tǒng)式停放制動缸,這種停放制動缸為上、下分體設(shè)計,如圖7所示,上半部分是常用缸,下半部分是停放缸。常用缸內(nèi)一般包含制動缸體組件、間隙調(diào)節(jié)組件、調(diào)節(jié)軸組件等,停放缸包含楔形放大組件、停放缸體組件、蓄能彈簧組件、手動緩解本體組件等。

圖7 傳統(tǒng)式停放制動缸示意圖

軌道交通車輛在行進過程中依靠常用制動缸發(fā)揮作用來減速或停車,停放缸需要始終充入壓縮氣體,當(dāng)常用缸的制動缸體組件內(nèi)充氣后,氣體壓力轉(zhuǎn)化為制動缸活塞軸向推力從而推動調(diào)節(jié)軸組件行進,制動夾鉗總成施加制動。當(dāng)閘片或制動盤磨損以后間隙調(diào)節(jié)組件補償制動間隙,實現(xiàn)制動的穩(wěn)定性。駐車制動后,停放缸體組件內(nèi)的停放活塞在蓄能彈簧復(fù)位作用下,經(jīng)過楔形放大組件推動常用缸產(chǎn)生制動動作。停放制動狀態(tài)下,停放制動缸無法獲得壓縮氣體作用,此時通過手動拉動引線帶動手動緩解本體組件工作,可以進行制動釋放,使得車輛恢復(fù)走行狀態(tài)。

這種分體式的停放制動缸結(jié)構(gòu)整體尺寸較大,零部件體積較大導(dǎo)致產(chǎn)品重量也很大,僅停放制動缸就達到了45 kg,更輕的停放制動缸是未來車輛整體輕量化需求的保障。

2.2 停放制動缸結(jié)構(gòu)改進

一種改進設(shè)計后的停放制動缸如圖8所示,也分為常用缸和停放缸2個部分。

圖8 改進后停放制動缸示意圖

1)常用缸部分和傳統(tǒng)式制動缸類似,包含制動缸體組件、間隙調(diào)節(jié)組件、調(diào)節(jié)軸組件等;

2)停放缸部分取消了蓄能彈簧組件,改為停放鎖止機構(gòu),改進后如圖9所示,該圖為停放制動缸背部視角的結(jié)構(gòu)簡化圖,缸體中間為螺桿,螺桿固定在制動活塞中心部位,同時螺桿穿過帶有內(nèi)螺紋的棘輪。和傳統(tǒng)式停放制動缸不同,制動活塞和常用缸內(nèi)的制動調(diào)節(jié)機構(gòu)沒有同軸方向安裝,而是垂直方向安裝,制動活塞上有楔形結(jié)構(gòu)的凸起,和制動調(diào)節(jié)機構(gòu)組件相連。此外停放缸部分還包含圖9中所示的鎖止指、棘輪、螺桿、拉鉤、推桿、停放缸體組件等,停放缸體組件又與外部的手緩解本體組件連接。

圖9 改進后停放制動缸結(jié)構(gòu)簡化圖

改進后停放制動缸的常用制動、間隙調(diào)整、停放制動和手動緩解的工作原理如下:

1)常用制動:停放缸體組件須始終保持充氣緩解狀態(tài),圖9中推桿帶動拉鉤克服鎖止指上的彈簧力使得鎖止指和棘輪保持分離,此時制動活塞在充入的氣體作用下,棘輪旋轉(zhuǎn),螺桿沿著垂直于簡化圖方向前進,螺桿通過楔形放大組件推動調(diào)節(jié)軸伸出,從而制動夾鉗總成施加制動。

2)間隙調(diào)整:間隙調(diào)整原理和傳統(tǒng)蓄能彈簧式停放制動缸相似。

3)停放制動:停放制動時,需要先施加常用制動動作,然后停放缸再排出壓縮空氣,圖9中推桿復(fù)位,從而鎖止指在彈簧力作用下與棘輪嚙合,再排出制動缸內(nèi)氣體后便會保持停放制動的鎖止?fàn)顟B(tài)。

4)手動緩解:和傳統(tǒng)蓄能彈簧式停放制動缸相似,手動拉動手緩解本體組件可以操控停放缸體組件,從而釋放停放制動動作。

改進后停放制動缸結(jié)構(gòu)具有如下優(yōu)點:

1)常用制動和停放制動工況共用1個制動活塞工作,且制動活塞帶有楔形放大結(jié)構(gòu),所以無論在常用制動還是停放制動工況下,都能產(chǎn)生制動放大的效果,即在較小的制動活塞面積下,也能產(chǎn)生較大的制動力,這種結(jié)構(gòu)可以有效縮小缸體尺寸,從而減輕缸體重量。

2)停放缸不再作為停放輸出力的載荷來源,而是控制鎖止機構(gòu)開閉,從而控制常用制動力是否維持施加狀態(tài)的機構(gòu),即在制動氣壓釋放后,制動缸機構(gòu)可以使常用制動力繼續(xù)保持下去,間接實現(xiàn)停放制動力的施加,因此不再需要傳統(tǒng)式停放制動缸采用的蓄能彈簧組件,可縮小缸體高度方向尺寸,也可以極大簡化結(jié)構(gòu)和零部件,從而減輕缸體重量。

3 試驗驗證

試制結(jié)構(gòu)改進的制動夾鉗總成和停放制動缸,組裝成制動夾鉗單元,進行功能性試驗、低溫試驗、沖擊振動試驗、疲勞試驗和IP防護試驗,如圖10所示為部分試驗示意圖,各項試驗結(jié)果均達到標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖10 試驗示意圖

進行稱重試驗后,改進后的制動夾鉗單元及組件重量如表1所示。改進后包含吊座、杠桿、閘片托、閘片托吊這些關(guān)鍵零部件的制動夾鉗總成減重14.2 kg,停放制動缸減重24.3 kg,總計整個制動夾鉗單元減重38.5 kg,減重占比39.5%,減重效果明顯。

表1 制動夾鉗單元改進前后質(zhì)量對比 kg

4 停放制動輸出力效率分析

結(jié)構(gòu)改進后的制動夾鉗單元停放制動輸出力來源于常用制動力。根據(jù)停放鎖止機構(gòu)的工作原理,鎖止指和棘輪之間的嚙合關(guān)系會影響停放施加階段停放制動力,使之不能達到理論輸出值。當(dāng)施加停放鎖止動作時,鎖止指與棘輪完全嚙合,停放制動力的相對常用制動力變化量主要取決于缸體內(nèi)傳動機構(gòu)、鎖止機構(gòu)零部件之間的配合間隙,該情況下的停放制動力傳動效率理論上最高;當(dāng)鎖止指與棘輪的齒頂相接觸時,此時棘輪未被鎖住,在常用缸卸載后,棘輪仍會發(fā)生旋轉(zhuǎn),旋轉(zhuǎn)一個齒距角度后,鎖止指才將棘輪限位,隨后處于保持狀態(tài),該情況下的停放制動力傳動效率理論上最低。停放制動力效率η可用公式(1)計算:

(1)

式中:ΔFP為制動力減小量;FN為常用制動力;KL為夾鉗杠桿剛度;ΔLC為制動缸回調(diào)量;p為螺桿導(dǎo)程;iC為制動缸放大倍率;n為棘輪齒數(shù)。

從上述公式可以發(fā)現(xiàn),降低夾鉗杠桿剛度、減小停放螺桿導(dǎo)程、增大制動缸放大倍率和增加鎖止棘輪齒數(shù)可以提高停放制動輸出力效率,但降低夾鉗杠桿剛度可能導(dǎo)致杠桿強度、疲勞性能降低,減小停放螺桿導(dǎo)程可能導(dǎo)致螺紋發(fā)生自鎖,增大制動缸放大倍率影響制動力曲線,增加鎖止棘輪齒數(shù)會降低齒的強度,須綜合考慮影響因素來確定其數(shù)值大小。

綜合考慮上述因素的影響效果,對夾鉗杠桿剛度、停放螺桿導(dǎo)程、制動缸放大倍率和鎖止棘輪齒數(shù)進行調(diào)整,并進一步對優(yōu)化后的制動夾鉗單元進行停放輸出力試驗。在低制動氣壓下獲得的輸出力較小,無法滿足停放制動使用需求,因此,停放制動通常在中高氣壓下執(zhí)行。表2所示為結(jié)構(gòu)改進后停放制動缸內(nèi)鎖止式機構(gòu)在300 kPa～700 kPa制動充氣氣壓下的常用制動和停放制動輸出力試驗結(jié)果,計算得出停放制動的傳動效率在91%以上,高于傳統(tǒng)彈簧蓄能式停放制動夾鉗單元的停放傳動效率(約80%)。

表2 常用和停放制動力

5 結(jié)論

本文針對三點吊掛制動夾鉗單元,提出了一種采用全新鎖止式停放原理的制動夾鉗單元方案,結(jié)構(gòu)改進后的制動夾鉗單元經(jīng)過試驗驗證,具有如下特點:

1)體積和重量都大幅度減小,能極大滿足軌道交通車輛輕量化和緊湊化的要求。

2)改進后制動夾鉗單元的停放制動力效率與夾鉗杠桿剛度、停放螺桿導(dǎo)程、制動缸放大倍率和鎖止棘輪齒數(shù)有關(guān),優(yōu)化后停放制動力效率超過90%,高于傳統(tǒng)彈簧蓄能式停放制動夾鉗單元。

3)相比傳統(tǒng)彈簧蓄能式停放制動缸相對固定的停放制動力,結(jié)構(gòu)改進的制動夾鉗單元可以實現(xiàn)不同的停放制動力,適應(yīng)性更強,使用更靈活。