轨道交通盘式制动专利技术分析

靳宇 汪煜婷 王成

摘要：本文从轨道交通盘式制动作用方式、分类、重点专利以及关键技术问题出发，分析了现有盘式制动的类型以及重点技术问题。关键词：盘式制动;专利;关键技术问题

前言

盘式制动，指的是将制动盘装于轮对车轴上或车轮内外侧，制动时使闸片压紧制动盘，列车动能通过闸片与制动盘的摩擦转化为热能，从而实现制动。该系统由制动磨块、制动盘、夹钳以及制动缸等组成。

一、盘式制动分类

根据制动盘的安装位置，可将盘式制动分为：轴盘式以及轮盘式。图3-8示出了轴盘式与轮盘式两个分支全球以及在华的申请量，由上图可知，目前广泛应用的制动方式为轴盘式，轮盘式仅在轨道机车底盘空间狭小的场景下应用较为广泛。

二、盘式制动关键技术问题

盘式制动需解决的关键技术问题有几个方面：一是如何克服制动时产生的热能冲击，二是如何降低制动过程中的振颤。

1）如何克服制动时的热能冲击，提高制动装置热稳定性。

目前，提高制动盘与制动闸片热稳定性主要采取以下措施：

1、选择耐热制动盘材料，目前，国内外已研发出的制动盘包括：铸铁制动盘、锻铸钢制动盘、铝基复合材料制动盘、C/C复合材料制动盘。铸铁制动盘由于其材料自身性能的局限，难以用于快速货车和高速动车组列车。C/C复合材料由于其成本过高、摩擦系数随环境变化而产生较大波动，目前在国内外尚未见到用于轨道车辆的任何报道。钢质制动盘具有技术成熟度高、成本低、适用速度范围广的特点，在发达国家的快速和高速动车组列車已得到广泛的应用。铝基复合材料制动盘具有重量轻、耐磨性好的特点。例如，北京纵横机电技术开发公司于2009年的专利CN101519754A中利用合金钢制造制动盘，该发明提供的合金钢是一种铸造用钢，具有较高的机械强度和抗热疲劳性能，同时还具有较好的抗热裂性、稳定的摩擦性能和良好的导热性，尤其适合用于制造供轨道交通车辆，例如城市轨道交通车辆、铁道机车车辆、动车及高速列车等使用的制动盘”。

克诺尔集团于2008年公开的专利DE102007020891A1中通过在制动盘上涂覆摩擦涂层以提高制动盘的使用寿命，其中涂层为含有嵌入的陶瓷颗粒的凝固熔融金属。

2、优化闸片、摩擦块结构。专利CN101865223A公开了一种轴装式结构的约束释放型铁道车辆制动盘，采用分体式结构，包括完全相同的四个分体盘。分体盘间通过八个定位销定位。六个螺栓穿过第二压圈、第三第四分体盘、盘毂、第二第一分体盘、第一压圈、三个防松垫片。螺母与螺栓连接使分体盘和盘毂轴向固定。分体盘的不同半径上周向均布十七个第一柱状散热筋、二个第二柱状散热筋、三个Y形散热筋、六个第一板状散热筋、两个第二板状散热筋、六个第三板状散热筋、两个第四板状散热筋。图2-1示出了上述摩擦盘结构改进。

专利CN205745031U公开了一种轨道车辆用制动闸片，图2-2示出了上述专利的摩擦块改进结构。该专利摩擦块2采用圆柱体，不容易聚集磨屑，保证闸片与制动盘的磨屑可及时排出，有效避免磨屑夹杂在制动盘与制动闸片的摩擦面之间划伤制动盘和闸片表面。

2）如何降低制动过程中的振颤。

高速列车在制动过程中会产生剧烈的振动和噪声，嘈杂的噪声同时会对乘客以及铁路周边群众的健康造成损害，所以，降低以及消除列车制动状态下的噪声和振颤现象，成为了世界各国亟需解决的技术问题[1]。

目前，改善制动系统振动主要采取以下措施：

1、优化制动系统结构。例如福特公司在2007年申请的专利US11/653905中通过提供具有至少一个凹口的制动块衬片，该至少一个凹口位于制动块衬片内的至少一个波传播峰值区域处或其附近。本发明还提供制造可降低制动低频噪声和制动低频振颤噪声之一的制动块的方法，该方法包括在制动块衬片中形成至少一个凹口，该至少一个凹口位于制动块衬片内的至少一个波传播峰值区域处或其附近。图2-3示出了制动块在具有凹口与不具有凹口两者之间频域上的噪声区别。

2、通过振动的检测以得出制动力与振动频率关系。

克诺尔轨道车辆系统有限公司在2018年的在华专利CN111032460A中提及了一种用于轨道车辆的制动执行器，其中，其公开了制动片，被压靠在制动盘上，通过制动片不仅能够检测到制动力，而且能够简单地在每个制动执行器中检测通过按压到制动盘上产生的振动。传感器例如抵抗制动力将制动力生成器支撑在制动执行器的制动钳内，从而能够通过该传感器同时检测制动力和振动，所述振动例如由挤压件在制动盘上的摩擦或由制动盘的不平衡引起。由此减少构造部件数量并且由此降低成本。图2-4示出具有制动执行器的轨道车辆的示意图。其中，标记1为制动执行器，3为用于检测制动力的传感器，4为用于检测振动的传感器，7为制动盘，8为制动钳。

通过以上分析可知，现有的盘式制动装置主要存在热稳定性以及制动振颤等问题，通过对制动主体材料的选型以及制动盘、闸片、制动块等组成结构的改进能够有效降低制动振颤的产生、提高热稳定性。

三、盘式制动分类

1.轴盘式

轴盘式是将制动盘安装在车轴上，列车行驶时，制动闸片与制动盘存在一定间隙，实施制动后，制动闸片与制动盘相互挤压，实现制动目的。

目前，轴盘式专利在华主要申请人集中于中车集团、常州铁马、北京纵横机电，国外主要集中于克诺尔、西屋气动刹车集团、德国法尔曼、庞巴迪等企业公司。目前，轴盘式申请量明显高于轮盘式，其应用范围较广，高铁、动车、轻轨、地铁以及轨道货车均有涉及。

2.轮盘式

轮盘式是将制动盘安装在车轮辐板上，由于转向架空间限制，制动盘安装于车轮的辐板上，相比于轴盘制动，相同制动效率下，由于其温度会急剧升高，容易产生裂纹现象。

结语

本文通过盘式制动器的需要解决的主要技术问题，从盘式制动的热稳定性、振颤着手提出了改进措施，同时盘式制动器从作用原理上分为轴盘式、轮盘式，本文从以上分类角度列举了相关典型专利，并结合其优缺点进行了分析。

参考文献：

[1]樊琦.铁道车辆盘形制动颤振的动力学分析[D].兰州交通大学，

2015.