一種制動夾鉗單元結構改進的研究

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,整車的穩定性對車輛輕量化有了更高的要求。國內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中的制動夾鉗單元,其輕量化特征有材料減重和結構改進2個方向。其中材料減重目前已有外部結構承載件采用鈦合金材料替代鑄鐵材料[2],可減重25%,結構改進即通過改變零件造型及組件組成,以更優的結構實現制動功能。

軌道交通車輛輕量化可以減少材料使用和能量消耗,使得整車系統運行更加高效,為適應軌道交通車輛輕量化的技術發展趨勢,下文對制動夾鉗總成和停放制動缸進行結構分析和改進,設計實現了新的夾鉗總成零部件,同時停放制動缸也由蓄能彈簧結構改成鎖止式結構,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構改進[3]的一種探索。

1 制動夾鉗總成設計

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,遠小于800 kPa這一最大試驗氣壓,且運用過程中絕大多數工況為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構可靠性下,可以對上述零部件結構進行減重設計,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 關鍵零部件結構改進

根據受力情況分析,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,針對零部件的低應力區域進行如下改進設計[4]:

1)如圖2所示,吊座不再獨立設計頸部筋,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)在閘片托背板低應力區域以鏤空式設計增加減重孔,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,閘片托吊的輻板結構改為鏤空式框架結構,優化了骨架形狀。

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力部位,便于零部件的結構強度分析[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,應力云圖結果見圖6,其中吊架最大應力314.1 MPa,吊座最大應力156.1 MPa,杠桿最大應力287.7 MPa,閘片托吊最大應力13.44 MPa,閘片托最大應力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力圖

2 停放制動缸設計

2.1 傳統式停放制動缸

三點吊掛式制動夾鉗單元采用傳統式停放制動缸,這種停放制動缸為上、下分體設計,如圖7所示,上半部分是常用缸,下半部分是停放缸。常用缸內一般包含制動缸體組件、間隙調節組件、調節軸組件等,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揮作用來減速或停車,停放缸需要始終充入壓縮氣體,當常用缸的制動缸體組件內充氣后,氣體壓力轉化為制動缸活塞軸向推力從而推動調節軸組件行進,制動夾鉗總成施加制動。當閘片或制動盤磨損以后間隙調節組件補償制動間隙,實現制動的穩定性。駐車制動后,停放缸體組件內的停放活塞在蓄能彈簧復位作用下,經過楔形放大組件推動常用缸產生制動動作。停放制動狀態下,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,使得車輛恢復走行狀態。

這種分體式的停放制動缸結構整體尺寸較大,零部件體積較大導致產品重量也很大,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 停放制動缸結構改進

一種改進設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)常用缸部分和傳統式制動缸類似,包含制動缸體組件、間隙調節組件、調節軸組件等;

2)停放缸部分取消了蓄能彈簧組件,改為停放鎖止機構,改進后如圖9所示,該圖為停放制動缸背部視角的結構簡化圖,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螺紋的棘輪。和傳統式停放制動缸不同,制動活塞和常用缸內的制動調節機構沒有同軸方向安裝,而是垂直方向安裝,制動活塞上有楔形結構的凸起,和制動調節機構組件相連。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構簡化圖

改進后停放制動缸的常用制動、間隙調整、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,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,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節軸伸出,從而制動夾鉗總成施加制動。

2)間隙調整:間隙調整原理和傳統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,再排出制動缸內氣體后便會保持停放制動的鎖止狀態。

4)手動緩解:和傳統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構具有如下優點:

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構,所以無論在常用制動還是停放制動工況下,都能產生制動放大的效果,即在較小的制動活塞面積下,也能產生較大的制動力,這種結構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,而是控制鎖止機構開閉,從而控制常用制動力是否維持施加狀態的機構,即在制動氣壓釋放后,制動缸機構可以使常用制動力繼續保持下去,間接實現停放制動力的施加,因此不再需要傳統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,也可以極大簡化結構和零部件,從而減輕缸體重量。

3 試驗驗證

試制結構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,各項試驗結果均達到標準要求。

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量對比 kg

4 停放制動輸出力效率分析

結構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。根據停放鎖止機構的工作原理,鎖止指和棘輪之間的嚙合關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傳動機構、鎖止機構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,棘輪仍會發生旋轉,旋轉一個齒距角度后,鎖止指才將棘輪限位,隨后處于保持狀態,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為制動缸回調量;p為螺桿導程;iC為制動缸放大倍率;n為棘輪齒數。

從上述公式可以發現,降低夾鉗杠桿剛度、減小停放螺桿導程、增大制動缸放大倍率和增加鎖止棘輪齒數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致杠桿強度、疲勞性能降低,減小停放螺桿導程可能導致螺紋發生自鎖,增大制動缸放大倍率影響制動力曲線,增加鎖止棘輪齒數會降低齒的強度,須綜合考慮影響因素來確定其數值大小。

綜合考慮上述因素的影響效果,對夾鉗杠桿剛度、停放螺桿導程、制動缸放大倍率和鎖止棘輪齒數進行調整,并進一步對優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行。表2所示為結構改進后停放制動缸內鎖止式機構在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果,計算得出停放制動的傳動效率在91%以上,高于傳統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,結構改進后的制動夾鉗單元經過試驗驗證,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、停放螺桿導程、制動缸放大倍率和鎖止棘輪齒數有關,優化后停放制動力效率超過90%,高于傳統彈簧蓄能式停放制動夾鉗單元。

3)相比傳統彈簧蓄能式停放制動缸相對固定的停放制動力,結構改進的制動夾鉗單元可以實現不同的停放制動力,適應性更強,使用更靈活。