GCY-307重型轨道车制动装置结构优化

2019-06-21秦晓波李海洋

装备制造技术 2019年4期

丁乔，张飞，秦晓波，李海洋

（中国人民解放军63607部队）

0 引言

GCY-307重型轨道车是我单位管内铁路设备维修、沿线生活物资发放的主要运输工具，其制动系统的性能好坏直接关系轨道车运行安全。目前轨道车多使用摩擦制动方式，利用闸瓦与车轮踏面之间的摩擦力来产生制动力。实际运行过程遇到夜间行车、风沙埋道等紧急情况时，常出现机车不能在安全距离内停车、闸瓦磨损严重的问题，带来一定的安全隐患。为缩短制动距离、提高该车的运行安全性，本文分析了现有基础制动装置的结构原理，提出了双侧制动改造方案，通过对两种不同制动方式的制动力和制动距离对比，证明改进后的结构能够有效提高制动性能。

1 现有制动装置

1.1 制动原理

GCY-307重型轨道车制动装置主要由空气制动机和基础制动装置组成。空气制动机以压力空气作为动力来源，通过一系列的传递和控制使风压发生变化。基础制动装置主要由单侧闸瓦和闸瓦间隙调整期组成，其基本作用是将压力空气作用到制动缸活塞上传出的力，扩大适当倍数后传递给闸瓦，使闸瓦压紧车轮踏面产生机械摩擦，将机车的动能转变为热能，从而产生制动力；缓解时则使闸瓦离开车轮踏面并保持6～8 mm间隙，防止闸瓦贴靠车轮磨耗或产生抱闸，其作用原理如图1所示[1]。

图1 基础制动装置原理

当机车实行制动时，压缩空气由总风缸进入制动缸，推动横杆AB以C点为支点逆时针旋转。B点又推动叉杆BD将力传递到竖杆DF上，使DF以E为支点逆时针旋转，将D点的力传到闸瓦间隙调节器FG、F点的力通过闸瓦压到车轮上，使机车制动。

1.2 制动力的形成

制动工况时，列车依靠惯性惰行。施行制动时，制动缸中的空气压力通过基础制动装置的传递和放大，使得闸瓦以垂直压力作用于车轮踏面，引起与车轮的反向摩擦力。该摩擦力为轮对内力，不能使车轮停止运动，但由于车轮与钢轨的粘着状态的存在，使得钢轨产生了反作用力作用于车轮上，使车轮减速以至停止转动，这才是真正阻碍列车运行的制动力。每块闸瓦的制动力为：

其中ψK是闸瓦的踏面磨擦系数。上式说明在一定范围内，制动力大小由K和ψK这两个数值来决定[2]。

1.3 制动力的限制

对于GCY-307重型轨道车，制动力大小要受到轮轨间粘着力的限制，不能出现车轮被闸瓦抱紧而导致在轨面上滑行的情况，如图2所示。

图2 闸瓦制动力示意图

设每轴作用在钢轨上的垂直载荷为Q，轮轨件粘着系数为μZ，轴上的闸瓦总压力为∑K，必须使得：

《铁路技术管理规程》中用轴制动率δ来判别，其值通常在0.25～2之间。

2 结构设计优化

现有单侧制动方式是在车轮一侧配置一块合成闸瓦，通过制动缸的控制来实施制动和缓解。其优点是闸瓦间隙可调，结构简单、检修方便，缺点是单侧受力容易使得轴承发热、闸瓦寿命短，同时由于闸瓦面积和压强有限，机车载重和行驶速度也会受到一定限制。

增大制动力的方法有两种，其一是通过改变各吊杆尺寸来增大制动倍率。要改变制动倍率，则各个吊杆长度都要进行改造，过程较为复杂且费时。其二可通过增加闸瓦与车轮间的摩擦系数来增大制动力。闸瓦压力一定时，制动力的大小决定于摩擦系数的大小，要求闸瓦摩擦系数数值要高且稳定。摩擦系数与闸瓦接触面积有关，闸瓦对车轮单位面积上的压力越大，摩擦产生的热量越多，闸瓦温度升高使得接触面变软，降低了摩擦系数；反之则摩擦系数越大。

采用双侧闸瓦制动能增加闸瓦摩擦面积，减小单位面积压力，制动时温度较低，引起的闸瓦变形也变小，使闸瓦与车轮有较好的接触状态，提高了摩擦系数。且安装过程也相对简单，只需加装与原来一样的闸瓦即可实现[3]。管内0279轨道车就是采用双侧闸瓦制动，该车在运用过程中有效地解决了制动力不足的问题，运行安全性能良好。

图3 双侧闸瓦制动示意图

双侧制动装置结构如图3所示。机车实施制动时，压缩空气进入制动缸推动活塞杆伸出，制动杠杆BCD绕A点右移，首先在支点C处压上车轮，待左侧闸瓦压紧后，制动杠杆开始绕支点C顺时针转动，制动拉杆DE左移，此时制动杠杆GFE绕支点G顺时针转动，右侧闸瓦压紧车轮。

3 制动力计算

（1）制动力的计算公式（3）所示。

式中∑K——一个轮对的闸瓦压力；ψK——闸瓦磨擦系数。

（2）机车车辆单块闸瓦压力为：

式中d——制动缸内径；pb——作用在制动缸活塞的空气压力（KPa）；nk——制动缸个数；γb——制动倍率；ηb——传动效率；nb——闸瓦块数。

（3）机车闸瓦的摩擦系数跟闸瓦具体材质有关，目前国内机车多以高磷铸铁闸瓦为主，其磨擦系数及计算公式如下[4]：

式中K——闸瓦压力，v0——制动初始速度，v——制动运行速度。

本文仅对GCY-307重型轨道车单机运行时，当实施紧急制动和常规制动时，基础制动装置装配单侧闸瓦和双侧闸瓦时制动力的计算（计算过程中各量通过角标来表示，如K单紧表示单侧闸瓦紧急制动时的闸瓦压力，其他依此类推）。计算过程中所需的技术参数如表1所示。

表1 ZTY420牵引机车技术参数

查表，代入数值，计算结果见表2。

表2 ZTY420牵引机车制动力数据

可以看出，双侧制动时的制动力要大于单侧制动25%左右。

4 制动距离计算

列车制动距离指施行制动开始到列车停车或达到所要求的速度为止所行走的全部距离，包括列车制动有效距离和制动空走距离。《技规》规定：列车以不超过120 km/h速度，在任何线路坡道上的紧急制动距离为800 m左右。为了利用货物列车动能闯坡，在接近上坡道以前提高列车运行速度，可根据线路状况适当延长制动距离，但最大不得超过1 100 m。我处铁路线路轨道机车最高限速为70 km/h，在任何线路坡道上的非常制动距离为400 m左右，最大不得超过500 m。

制动阀手把置于制动位置后而列车并不能立即发生制动作用，在列车制动后未发生制动力的这一段时间，称为制动空走时间（tK），制动空走时间内所走的距离称为制动空走距离（SK）。在列车制动后产生制动力的一段距离，则称为有效制动距离（Se）[5]。列车全制动距离（简称制动距离）以Sb表示，有：

（1）制动空走距离：

紧急制动时tK=（1.5+0.18n）（1-0.05ij）

常规制动时tK=（2.8+0.014rn）（1-0.01ij）

式中：

n——轨道车牵引车辆数；

r——列车管减压量（kPa）；

ij——制动地点的加算坡道的坡度（‰）；

v0——制动初始速度（km/h）。

（2）有效制动距离：

式中：

v0——制动初始速度（km/h）；

vz——制动运行速度（km/h）；

θh——换算制动率；

ψhdx——距离等效换算磨擦系数（查表得值0.17）；

w0dx——距离等效列车惰行单位基本阻力。

表3是ZTY420牵引机车常规制动和紧急制动情况下的制动距离数据。

表3 ZTY420牵引机车制动距离数据

通过以上计算可知，机车制动系统由单侧闸瓦改为双侧闸瓦，自阀手把在常用制动区减压量在70 kPa时，单机制动距离由原来220 m缩短为186 m，自阀手把在非常制动位时，单机制动由原来的116 m缩短为98 m。机车制动力明显增强，制动距离明显缩短，且符合粘着定律，因而单侧闸瓦改为双侧闸瓦是可行的，能够有效提高机车运行安全性。