中低速磁浮车辆制动夹钳单元 设计研究

徐少亭 孔德鹏 王震 刁有彬 黄士伟

摘 要：中低速磁浮车辆因其具有的悬浮特性，其机械制动形式与一般的城市轨道交通车辆不同。文章介绍 2 种国内中低速磁浮车辆用制动夹钳单元的结构和工作原理，并根据中低速磁浮车辆的特点及使用工况，对制动夹钳单元在运用过程中可能存在的风险及原因进行分析，从而提出制动夹钳单元的设计建议，为制动夹钳单元的设计与制造提供参考。

关键词：城市轨道交通;中低速磁浮车辆;制动夹钳单元;设计研究

中图分类号：U237

中低速磁浮交通采用常导电磁悬浮技术实现悬浮导向，通过直线感应电机实现牵引和电制动，最高运行速度为120km/h。相对于地铁车辆，中低速磁浮车辆具有转弯半径小、爬坡能力强、舒适平稳、安全（不会脱轨）等优势。目前国内已开通载客运营的中低速磁浮线只有北京中低速磁浮交通示范线（S1线）和长沙磁浮快线2条线路，其磁浮车辆采用不同结构的液压制动夹钳单元。与机械制动采用踏面制动或盘形制动形式的轮轨式轨道交通车辆不同，中低速磁浮车辆的机械制动采用闸片夹紧轨道的形式施加摩擦制动，两者的摩擦副形式差异较大，同时制动夹钳单元的运用工况和使用环境发生较大变化，因此故障模式和风险也不同，制动夹钳单元设计时的关注点也会有所不同。

1 基本结构与工作原理

1.1 基本结构

目前，北京S1线磁浮车辆采用的制动夹钳单元为杠杆式，采用单油缸提供压力，而长沙磁浮快线车辆采用直推式，由双油缸提供压力，这2种制动夹钳单元均采用单向充油的制动油缸。2种制动夹钳单元的结构分别如图1和图2所示，主要由制动杠杆、制动油缸、拉杆、支撑座、闸片托、传力杆、闸片等部件组成。

2种制动夹钳单元均为浮动式结构，内侧制动杠杆和外侧制动杠杆由穿过支撑座的拉杆相连，制动夹钳单元整体悬挂安装在车辆构架上。制动油缸产生的推力使闸片压紧F型钢轨（简称“F轨”）的制动面，传力杆可将闸片与F轨摩擦产生的制动力传递至车辆构架上。

虽然2种制动夹钳单元的结构差异较大，但其零部件实现的功能基本相同。杠杆式制动夹钳单元各零部件之间主要通过销轴连接，闸片托与制动杠杆通过销轴连接;直推式制动夹钳单元各零部件之间主要通过螺纹连接，閘片托与制动杠杆通过燕尾槽滑动配合，与制动油缸的活塞杆采用固定连接。

1.2 工作原理

1.2.1 杠杆式制动夹钳单元工作原理

杠杆式制动夹钳单元的制动油缸位于底部，制动油缸充油后活塞杆伸长，活塞杆推动内、外侧制动杠杆同时动作并向外扩张，内、外侧制动杠杆同时绕其与拉杆铰接的销轴转动，并推动闸片托运动，使闸片压紧F轨。该动作过程中，油压转换成制动油缸的活塞杆推力，通过内、外侧制动杠杆传递并放大形成闸片压力，使闸片与F轨之间产生摩擦力，即制动力。

1.2.2直推式制动夹钳单元工作原理

直推式制动夹钳单元的制动油缸位于顶部外侧，与主动杠杆集成一体。制动油缸充油后活塞杆伸长，使外侧闸片先贴靠F轨，同时主动杠杆绕其底部与连接杆铰接的销轴转动;当外侧闸片贴合F轨后，随着活塞杆继续伸长，主动杠杆通过拉杆拖动从动杠杆向外运动，即带动内侧闸片贴靠F轨，两侧闸片均压紧F轨后产生摩擦力，即制动力。

2 设计建议

根据中低速磁浮车辆的运用工况以及制动夹钳单元的特点，分析制动夹钳单元在运用过程中可能存在的问题，并对其设计提出针对性的建议。

2.1 制动油缸渗漏及设计建议

制动油缸为车辆提供液压动力，若制动油缸发生泄漏，容易造成缸爬行、研伤、环境污染以及不安全隐患等问题，因此其密封性能对制动力影响较大。分析认为，影响制动油缸密封性能的因素主要有密封方案及零部件质量控制、密封圈运动导向性、防护性能和液压油清洁度。

2.1.1 密封方案及零部件质量控制

制动油缸工作时，随着密封圈的往复运动，部分液压油以油膜的形式从充油腔逐渐积累至无油腔，从活塞杆端或换气装置处外渗。

制动油缸设计时需考虑增加辅助密封圈。在选择主、辅密封结构时，建议主密封圈选择类似U形圈等密封唇口可反向回流的密封件，保证渗漏至主、辅密封圈之间的液压油可顺利返回充油腔，避免在其之间形成中间压力。制动油缸设计时还需综合考虑外部环境、工作压力、工作行程、油缸尺寸、动作速度等因素，选择活塞密封或活塞杆密封的形式，同时需对密封圈配合的沟槽结构尺寸以及缸体内壁的尺寸、粗糙度、圆柱度、硬度等项点进行严格控制。

2.1.2 密封圈运动导向性

车辆制动时，闸片与F轨摩擦产生制动力，闸片与闸片托之间存在较大的正压力，闸片受摩擦力后会使闸片托产生沿F轨方向的摩擦力和微小的位移量（传力杆与闸片托连接，会限制闸片托的运动位移量），此位移量对制动油缸的密封性能可能产生较大的影响。直推式制动夹钳单元的闸片托与制动油缸活塞杆直接固定连接，密封圈会受到侧向力，从而导致密封圈圆周方向受力不均，使密封圈单侧磨损，增大了渗漏的风险。杠杆式制动夹钳单元的闸片托与杠杆通过销轴连接，杠杆受侧向力带动拉杆挤压支撑座内的弹簧，使制动夹钳单元整体微倾斜，但不会将侧向力传递至制动油缸的活塞杆。

制动油缸设计时，建议在活塞杆工作行程内间隔设计至少2个导向耐磨环，为密封圈的运动提供良好的支撑，避免密封圈受力不均匀。

2.1.3 防护性能

制动油缸距离闸片较近，闸片磨损产生的磨屑会积落在制动油缸上，车辆运用环境中的灰尘、雨水等也会积落在其上，这些异物进入制动油缸会磨损密封圈和缸体内壁，从而造成渗油故障。

制动油缸设计时，需重点考虑防尘、防水结构，将换气装置置于相对隐蔽的部位，且换气通道采用曲折结构，既能确保制动油缸的无油腔与大气换气顺畅，又能保证灰尘、雨水等杂质不能进入制动油缸内部;建议制动油缸的防尘、防水性能满足GB/T 4208-2017/IEC 60529：2013《外壳防护等级（P代码）》标准中的IP65S等级要求。

2.1.4 液压油清洁度

随着制动次数的增加及液压系统中零部件的磨损，液压油的清洁度会逐渐下降，从而影响制动油缸的密封性能。

根据中低速磁浮车辆运用工况，建议每年更换1次液压油（可根据实际运营里程和液压油状态适当延长），储油容器需设置合理的过滤装置及防护措施，避免注油过程或车辆运用过程中杂质进入液压油，建议新加注的液压油清洁度等级不低于GB/T 14039-2002《液压传动 油液 固体颗粒污染等级代号》标准中的15/12级。

2.2 闸片偏磨及设计建议

F轨内、外侧的制动面与垂面设有7°夹角，闸片与F轨制动面摩擦产生制动力。理论上，制动夹钳单元处于缓解状态时，闸片摩擦面应与F轨制动面平行。

2.2.1 杠杆式制动夹钳单元

闸片托与杠杆和传力杆均通过销轴连接，传力杆的另一端与车体安装座也通过销轴连接，两端的连接销轴与销孔之间均存在间隙，且传力杆与车体安装座的安装槽存在垂向间隙，因此制动夹钳单元在缓解状态时，闸片在重力作用下向下转动呈现“低头”状态，传力杆无法约束闸片摩擦面，使其与F轨制动面完全平行。闸片以“低头”状态贴靠F轨时，闸片摩擦面与F轨制动面始终保持一个微小的夹角，因而闸片上侧先与F轨接触，造成初始偏磨。在闸片压力建立后，闸片逐步与F轨完全贴合，随着磨耗的加剧，偏磨趋势逐步增大。

2.2.2 直推式制动夹钳单元

主动杠杆和从动杠杆绕其与连接杆铰接的销轴转动时，闸片与F轨制动面也会产生微小的夹角，两者不再平行，尤其是主动杠杆较从动杠杆摆动角度大，外侧闸片与F轨制动面的夹角更大。随着闸片的磨耗，两侧制动杠杆的摆动量加大，夹角也会逐步增大。闸片在贴合F轨制动面时，闸片上侧先与F轨接触，从而造成初始偏磨，随着磨耗的加剧，偏磨趋势逐步增大。

制动夹钳单元设计时，需合理设计传力杆两端的安装接口结构，尽量减小接口尺寸的公差范围，确保传力杆只能垂向和横向摆动而不能转动。制动夹钳单元随车辆悬浮和降落时垂向发生位移变化，闸片托将带动传力杆垂向摆动;在闸片贴合F轨的过程中，闸片托会带动传力杆横向摆动，但由于传力杆的接口结构限制，传力杆在横向摆动过程中无法转动，因此保证了闸片不会偏转，闸片与F轨制动面保持平行，从而消除闸片的偏磨风险或减轻偏磨程度。

2.3 闸片磨损快及设计建议

中低速磁浮车辆采用闸片与F轨线性摩擦的机械制动形式，因此制动时闸片与F轨为间断摩擦。车辆在正常运营进站时的一次制动过程中，由于机械制动距离较短，F轨制动面同一位置最多与先后2片闸片发生摩擦，因此制动过程中闸片与F轨摩擦产生的热量不易积聚，对闸片和F轨的热负荷要求较低。造成闸片磨损快即影响闸片使用寿命的因素主要有闸片摩擦体材料、摩擦副匹配、F轨制动面状态和闸片摩擦体体积等。

2.3.1 闸片摩擦体材料

闸片摩擦体的材料及配方会直接影响闸片的使用寿命，根据城市轨道交通车辆的运用经验可知，在使用工况相同的前提下，建议选用铜基粉末冶金材料，因其具有良好的导热性、耐蚀性、耐磨性和高温力学性能。具体配方需根据实验室验证，因闸片与F轨的热负荷小，从经济角度考虑，无须选择成本较高的碳陶等材料的闸片。

2.3.2 摩擦副匹配

中低速磁浮车辆的F轨采用Q235冷轧成型，相对车轮踏面及制动盘，Q235材料的硬度较低，且在盘形制动中无应用经验。建议通过模拟1 ： 1台架试验充分研究Q235材质与闸片匹配的摩擦磨损性能，既需保证稳定的摩擦系数，又需具有良好的耐磨性，使摩擦副表面状态光滑平整。

2.3.3 F 轨制动面状态

F轨制动面为非机加工面，表面粗糙，平面度相对较差，轨排之间设有不同型号的伸缩接头，不同型号接头的间距也不同，最大者为20～40 mm。中低速磁浮车辆F轨的标准轨距为1 860 mm，由于宽度较宽，现场安装后相邻两轨排的制动面存在错位差，轨排制动面的不良状态以及接缝处的结构，会对高速通过轨排及接缝的闸片造成异常磨损和异常冲击。因此，在轨排设计时，需提高制动面的表面质量，建议按制动盘表面的设计标准执行，同时提高轨排安装精度，减小相邻轨排缝隙和制动面错位高度，高度差不超过0.3 mm。

2.3.4 闸片摩擦体体积

车辆日常维护时，一般通过检查摩擦体的残余厚度来判定闸片是否使用到限，闸片使用寿命与摩擦体允许磨耗的体积成正比。在相同运用工况及制动压力下，闸片摩擦面的面积越大，允许磨耗的厚度越大，其使用寿命则越长。建议车辆转向架结构设计时，充分考虑制动夹钳单元的安装空间及闸片更换的操作空间，尽可能增大闸片的摩擦面积和允许的磨耗厚度，以提高使用寿命。

2.4 其他建議

中低速磁浮车辆的牵引、制动等关键系统与其他城市轨道交通车辆有较大差异，其制动夹钳单元设计时还需考虑在特殊运用工况中可能受到的影响。

2.4.1 降低磁场力的影响

中低速磁浮车辆依靠电磁力实现车辆悬浮承载、驱动前移及导向，制动夹钳单元安装在直线电机附近，周围环境中存在一定的电磁场力，因此，制动夹钳单元零部件设计选材时，建议选用不锈钢、铝合金等不易被电磁场磁化的材料。

2.4.2 轻量化设计

（1）制动夹钳单元设计时，需尽可能降低零部件的质量。这既可降低产品质量对整车悬浮控制精度的影响，又符合城市轨道交通车辆轻量化设计的要求。

（2）传力杆结构设计时，在保证强度的前提下设计为空心结构，尽可能降低其自身质量，减小自身重力对闸片的影响，避免造成闸片受压下沉及异常磨耗。

（3）制动杠杆设计时，尽可能缩小两侧杠杆的质量差，避免制动夹钳单元偏重造成闸片偏磨。

2.4.3 防腐蚀设计

部分零部件在无法避免使用可导磁材料时，需根据零部件的使用工况选择合适的防腐处理，降低电磁场对零部件防腐层的影响。

中低速磁浮车辆与负极轨之间需设置可靠的接地装置，避免电流流经制动夹钳单元，防止电流对金属零部件和闸片的腐蚀损坏。

2.4.4 模块化设计

为提高产品的可维护性，降低维护成本，提高维护效率，建议制动夹钳单元进行模块化设计，具体如下。

（1）部件之间采用销轴结构连接，便于拆装操作。

（2）零部件防脱结构尽量少采用螺纹连接，便于拆装操作。

（3）制动油缸端增加用于检测或实时监测油压的接口，便于故障检测。

3 结语

本文介绍了2种中低速磁浮车辆用制动夹钳单元的基本结构和工作原理，结合车辆的运用工况和特点，提出了制动夹钳单元在运用过程中可能出现的制动油缸渗漏、闸片偏磨、闸片磨损快等问题，分析了它们出现的原因并针对性地提出设计建议;同时考虑到中低速磁浮车辆的特殊运用工况，针对制动夹钳单元在降低磁场力影响、轻量化、防腐蚀、模块化等方面提出了设计建议，为制动夹钳单元运用问题的解决、产品优化以及新产品设计提供参考。

参考文献

[1]CJ/T 262-2017 中低速磁浮交通设计规范[S].北京：中国标准出版社，2017.

[2]CJ/T 375-2011 中低速磁浮交通车辆通用技术条件[S].北京：中国标准出版社，2011.

[3]肖守讷，沈安林，阳光武. 中低速磁悬浮车体的结构特点及其分析[J].中国科技论文在线，2010，5（10）：803-806.

[4]李和平. 磁浮車制动系统的研究[J].铁道机车车辆，1995（3）：49-52.

[5]宫崎聡夫. 磁悬浮列车的液压制动装置[J].张芳，译. 国外机车车辆工艺，2017（4）：20-23.

[6]CJ/T 413-2012中低速磁浮交通轨排通用技术条件[S].北京：中国标准出版社，2013.

[7]刘旭. 液压缸中密封件的失效原因分析[J].流体传动与控制，2006（5）：50-53.

[8]GB/T 4208-2017/IEC 60529：2013 外壳防护等级（P代码）[S].北京：中国标准出版社，2017.

[9]GB/T 14039-2002 液压传动 油液 固体颗粒污染等级代号[S].北京：中国标准出版社，2003.

[10]黄海涛，李朋. 长沙磁浮车辆制动夹钳缓解不良原因分析及优化改进措施[J].中国战略新兴产业，2017（36）：114.

[11] 李艳，徐银光，叶新. 中低速磁浮列车疏散能力影响因素研究[J]. 现代城市轨道交通，2018（3）：55-61.

[12] 湛永钟，张国定，谢浩峰，等. SiCp/Cu复合材料的高温磨损行为[J].兵器材料科学与工程，2005，29（6）：22-25.

[13] 邱建平.中低速磁浮长沙南车辆基地工艺设计[J].现代城市轨道交通，2016（1）：16-18.

[14] 李艳，蔡文锋，颜华. 中低速磁浮线F型钢轨轨道接头伸缩调节器结构设计[J].城市轨道交通研究，2016，19（1）：118-122.

[15] 赵洪洋. 中低速磁浮F轨排组装精度控制方法探讨[J].铁道建筑技术，2017（5）：114-118.

[16] 周晓明，刘万明. 长沙中低速磁浮工程建设中的重要举措[J].城市轨道交通研究，2016，19（5）：1-4，14.

[17]蒋廉华，唐亮，曾春军，等. 中低速磁浮列车制动系统设计与研究[J].电力机车与城轨车辆，2017，40（3）：18-22.

[18]宗凌潇.时速140km新型中低速磁浮列车走行机构研究分析[D].四川成都：西南交通大学，2016.

[19]赵军. 中低速磁浮列车车体轻量化设计[D]. 四川成都：西南交通大学，2017.

[20]刘中华，陈磊，刘政，等. 北京S1线中低速磁浮车制动系统研究[J].数字化用户，2017（9）：54，112.

收稿日期 2019-10-28

责任编辑 党选丽

Research on design of brake clamp unit of medium and low speed maglev vehicle

Xu Shaoting， Kong Depeng， Wang Zhen， et al.

Abstract： Due to suspension characteristics of medium and low speed maglev， its mechanical braking mode is different from that of general urban rail transit vehicles. This paper introduces the structure and working principle of the two different brake clamp units for medium and low speed maglev vehicles in China. With the characteristics and working conditions of the medium and low speed maglev vehicles， it analyzes the potential risks and causes in the use of the brake clamp units， and puts forward the design suggestions， providing a reference for the design and manufacture of the brake clamp unit.

Keywords： urban rail transit， medium and low speed maglev vehicle， brake clamp unit， design research