轨道交通中闸瓦托结构分析和研究

王 振，韩晓辉，赵 屹，张庆爽，张思远

（中国铁道科学研究院 机车车辆研究所，北京100081）

随着我国经济的迅速发展，城市人口的不断增加，轨道交通作为有效缓解交通压力的运输型式也得到了迅猛的发展。尽管电制动技术发展已经比较成熟，但是基础制动作为轨道交通中最后一道制动保障系统，为保证乘客的生命安全，等待救援发挥着非常重要的作用。

基础制动单元是制动系统的执行机构，而根据其机构的不同可以分为踏面制动单元和夹钳制动单元，由于目前大部分的地铁设计速度都是低于80km／h，所以在城市轨道车辆制动系统中的基础制动采用踏面制动单元就成了首选。踏面基础制动单元型式多种多样，有横体结构、直体结构等多种结构，其制动原理就是将车辆的动能转化为闸瓦与车轮的摩擦热能，而作为摩擦副的闸瓦安装在闸瓦托上，所以将空气压力转变成摩擦力的执行机构是闸瓦托，因而闸瓦托材质以及结构的研究就会是非常必要的。

1 闸瓦托主要结构

目前城市轨道中常用的闸瓦托，从成形方法上分类主要有板材焊接成型和铸造成型两种结构；从适应车型上主要有A型车用闸瓦托和B型车用闸瓦托。下面逐一介绍常用的闸瓦托结构：

图1的闸瓦托应用于北京地铁13号线、八通线以及天津滨海地铁等，闸瓦托是一个焊接件，主要结构用7mm厚的Q235-A钢板焊接而成；图2的闸瓦托应用于大连EMD机车和后期城轨新B型车，为了增强其整体的稳定性，闸瓦托采用铸造而成；图3的闸瓦托应用于广州地铁1、2、8号线以及上海地铁线，同样为了适应A型车的要求，闸瓦托采用铸造而成。

图1 板材焊接结构闸瓦托结构示意图

图2 铸造成型结构机车、B型车闸瓦托结构示意图

图3 铸造成型结构A型车闸瓦托结构示意图

2 闸瓦托结构以及功能研究

从上面3种闸瓦托的结构分析可以看出，闸瓦托主要有闸瓦托弧板、闸瓦托支撑侧板、闸瓦钎、闸瓦钎卡销、闸瓦托导槽、闸瓦托调整部分等组成，下面针对闸瓦托的主要组成部分论述其作用及功用，并详细分析每一种闸瓦托结构和功能上的差异。

闸瓦托弧板是闸瓦和闸瓦托的安装结合面，也是将制动单元的空气压力转化为摩擦力的部分。弧板的弧度由选定闸瓦的背板弧度决定，背板弧度主要是由车轮的直径计算决定，但是弧板弧度的设计会比经过计算得出的闸瓦托半径略小一些，预留一定的弹性变形量以保证闸瓦与车轮能够结合的比较好。

闸瓦托侧板是由两块结构完全相同的平板组成，其作用是支撑闸瓦托弧板，在整个闸瓦托结构中起着非常重要的支撑作用，制动单元经过力学放大产生的制动作用力将全部经过这两块板作用到车轮上，所以其厚度的不同主要取决于闸瓦托所承受的作用力。侧板的另一项作用是将缸体和闸瓦托连接起来，完成闸瓦托的伸出和缩回动作，这个作用主要是通过侧板的旋转孔实现。

闸瓦钎是将闸瓦和闸瓦托能够固定在一起的弹性夹紧部件，为了增加其弹性强度，闸瓦钎一般采用高碳合金钢，例如65Mn，60Cr2Mn等，同时为了在狭小的空间有足够的、稳定的弹性强度，闸瓦钎会设计成弓形。

闸瓦钎定位销是用来防止闸瓦钎在车辆运行的过程中受到振动和冲击而脱落设计的，其端部有一个卡销，同时也是保证其自身在车辆运行中不会滑出定位孔，这样的双重保险设计可以大大避免事故的发生。由于闸瓦销的作用只是吊挂，不承受大作用力，所以其材质一般采用45钢。

闸瓦钎导槽有两个基本的功能，一方面是用于在闸瓦钎穿入时的导向作用，另一方面限制闸瓦和闸瓦托产生较大的横向窜动。由于闸瓦钎是靠自身的弹性将闸瓦和闸瓦托进行连接，这样当制动单元进行刹车制动时，同时如果车辆在弯道上行驶，那么闸瓦可能会受到高约8kN的横向力，所以很容易造成闸瓦和闸瓦托的横向错位。为了防止发生错位，闸瓦钎设计时要进行合理的宽度计算，使其既能顺利通过，又能达到限制错位的功能。

闸瓦托调整部分是闸瓦托设计的核心，是用于调整闸瓦托运动轨迹的部件，所以笔者将就各种闸瓦托的该部分进行深入的讲解说明。由于闸瓦托的轨迹要绕着缸体固定轴旋转运动，其轨迹是一段弧线。如果没有调整部分，那么闸瓦就会是一段更大的弧线，这样接触车轮的瞬间，会是闸瓦的某一部分接触，长此以往闸瓦会产生磨耗不均匀。而增加调整部分的作用就是要让闸瓦的弧形运动，变成闸瓦平行的移动，这样将很好的贴合车轮。如图4、图5。

图4 带有调整部分的闸瓦托运动轨迹

图5 没有调整部分的闸瓦托运动轨迹

从图4、图5可以看出，如果没有调整机构，闸瓦托在制动时总是一端先接触车轮，这样就会造成严重的闸瓦偏磨。正是为了防止发生闸瓦偏磨，闸瓦托设计了调整机构，下面就几种典型的结构进行说明：

（1）闸瓦托调整类型1（图6）

图6 闸瓦托调整部分组成图

该结构采用“Ω”形簧2和“V”形簧1以及滑块3相结合的方式实现闸瓦托4的平行移动的。当闸瓦托4向前运动时，丝杠的端面会沿着滑块3的平面进行上下移动，这时“V”形簧1的作用是保证丝杠的端面与滑块3的平面紧密贴合，而“Ω”形簧2是调整滑块与闸瓦托通过“U”形面紧密贴合，最终使得闸瓦托上下摆动时会受到“Ω”形簧2的弹性限制，使得闸瓦托和丝杠会在运动过程中一直处于垂直状态，从而保证了闸瓦托制动缓解过程的平行移动。

（2）闸瓦托调整类型2（图7）

图7 闸瓦托调整部分组成图

图8 弹性摩擦面组成图

该机构采用的是圆形螺杆头3结合弹性摩擦面来实现的，这种结构在设计时考虑的是仿生结构，模仿了人的手掌和手臂的连接，圆形螺杆头3犹如手关节，可以实现闸瓦托4在垂向上有一定的摆动，以利于更好的与车轮贴合。而闸瓦托侧板2（图8）和闸瓦托活动吊杆轴5的弹性摩擦面一方面能够保持与车轮贴合的形状，实现与车轮比较理想的贴合，另一方面限制闸瓦托不能有较大尺度的横向摆动。这是因为该类型的闸瓦托应用于大连生产的HXN3内燃机车上，其要求的轴重较大，而且采用的是3轴转向架，中间轴在转弯时会产生较大的横向作用力，所以该闸瓦托具有较好的抗横向力功能。

（3）闸瓦托调整类型3（图9）

图9 闸瓦托调整部分组成图

该机构是为了适应A型车的特点而设计的闸瓦托机构，A型车的特点是车体宽，车厢容积大，所以载客量大，体现在转向架上就是轴重比较大，而广州、上海等地A型车又采用大车轮。鉴于以上特点，闸瓦托采用的是独立的双闸瓦结构，巧妙的通过一根闸瓦钎6实现对双闸瓦7的固定，便于检修人员操作。从作用原理分析，与HXN3内燃机车闸瓦托具有一定的相似性，概括来说也是通过圆形螺杆头结合弹性摩擦面来实现的，但是实现的方法有所不同。从图上可以看出，HXN3内燃机车中闸瓦托侧板和活动吊杆轴的平面弹性摩擦变为闸瓦托侧板4和制动螺杆3的弹性摩擦面，而且不是平面摩擦，而是带有一定锥度的锥面摩擦，锥面摩擦的目的就是要实现制动螺杆和闸瓦托4通过适当的调整，既能有一定的垂向摆动，又能使得闸瓦托沿着平行的方向贴向车轮，同时也能够产生足够的支撑力来支持A型车的双闸瓦和自身较重的闸瓦托。该类型的闸瓦托在广州1号线、2号线、8号线以及上海的3号线上都有应用，这些线路采用的都是A型车。

3 闸瓦托材质分析

闸瓦托作为反复承受制动缸压力的制动和缓解作用的部件，尤其是城市轨道交通中，每2～3min就有制动和缓解一次，所以闸瓦托材质的机械性能是设计者特别需要考虑的问题。目前接触到的闸瓦托承受的最大正压力能够达到50kN，材质为铸造碳钢（ZG230-450），利用Solidworks应力分析软件进行应力计算如下：

应力分析输入条件：

①选取闸瓦托弧面为约束面；

②在闸瓦托与螺杆头的圆弧面上添加法向力50 kN；

③分别输入材质QT400-18、ZG230-450的弹性模量、泊松比、抗剪模量和密度；

④运行算例。

应力分析结果如图10、图11；表1、表2。

图10 武汉2号线B型车用闸瓦托应力分析图

图11 广州1，2，8号线A型车用闸瓦托应力分析图

从表1和表2看出，闸瓦托承受的最大应力值σmax为101MPa，而且在设计选取材料时屈服强度一般考虑取1.5～2.0的安全系数（用字母K表示），同时考虑到车辆在制动过程会产生制动冲击，所以选取闸瓦托材质时，建议最小屈服强度选取σ0.2min≥K×σmax≈200MPa（安全系数K取2）。

表1 武汉2号线用闸瓦托应力计算结果

表2 广州128号线A型车用闸瓦托应力计算结果

另外，由于闸瓦托承受的是交变载荷，所以闸瓦托材质不但需要具有一定的刚性，还需要有一定的韧性。针对上述分析，建议设计者在闸瓦托材质选取上主要从材料的屈服强度和延伸率两个方面进行考虑，另外批量生产时需要考虑到闸瓦托成型加工工艺方面的因素，将目前常用到的闸瓦托材质列举如表3，供设计者选用时参考。

表3 常用闸瓦托材质

4 结束语

随着我国城市轨道交通在各大城市的发展，不断有新式的基础制动单元被设计和制造，而闸瓦托作为基础制动单元中承受压力的重要部件，其重要性不言而喻。从中选取几种比较有代表性的闸瓦托对其进行结构、功能以及材质选用上的说明，一方面让读者知晓不同的车型决定着不同的闸瓦托结构设计，比如上面提到的A型车、B型车以及HXN3机车；另一方面能够让检修人员更多的了解设计者的设计思路和使用原理，为轨道交通车辆的检修维护、安全行驶提供必要的技术支持。

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