标准地铁车辆单元制动器统型浅析

2021-08-27孔德鹏张维坤王超恒刁有彬

铁道车辆 2021年3期

孔德鹏，张维坤，张昕，王超恒，王震，刁有彬

(1.中车青岛四方车辆研究所有限公司制动事业部，山东青岛 266031；2.中车青岛四方车辆研究所有限公司城铁业务部，山东青岛 266031)

自20世纪90年代以来，德国、法国及日本等国家的单元制动器产品一直占据着国内地铁车辆市场，并形成了技术垄断，由于技术来源和结构原理等不同[1]，造成了国内地铁车辆单元制动器型号多样的现状，甚至同一城市的地铁车辆单元制动器型号也各不相同，以国内地铁车辆标准化为契机，如能实现单元制动器安装接口和性能参数统型，将为标准地铁的使用和维护带来许多便利。

1 国内既有地铁车辆单元制动器结构原理及特点

单元制动器主要用于最高运行速度在90 km/h及以下的地铁车辆，是制动系统的执行机构，受制动系统控制，实现制动、缓解、闸瓦间隙自动调整、停放制动、停放制动充风缓解和手动缓解功能。国内地铁车辆常见单元制动器类型[2]包括克诺尔公司PEC7(F)系列、法维莱公司BFC(F)系列以及纳博克公司TG180系列，中车青岛四方车辆研究所有限公司UT7A(S)系列及中国铁道科学研究院XFD系列等。

1.1 PEC7(F)单元制动器

PEC7(F)单元制动器常用制动缸采用皮碗式气动活塞缸，通过渐开线圆盘凸轮机构实现制动倍率的调节，通过非自锁的梯形螺纹传动机构实现间隙自动调整补偿及主轴手动调节复位，通过缓解弹簧实现单元制动器的缓解。相对独立的停放制动缸通过螺栓连接在常用制动缸上，停放制动缸主轴直接作用在常用制动活塞上实现停放作用力和运动的传递，停放制动缸采用皮碗式气动活塞缸，内置储能弹簧及非自锁的梯形螺纹传动机构，用空气控制实现停放制动施加和缓解，设置棘轮锁止机构，采用外露的手拉缓解拉绳实现停放制动手动缓解[3]。

PEC7(F)单元制动器空间紧凑，可采用侧面、立式等多种安装形式，其内置的渐开线圆盘凸轮机构使单元制动器具有较大的制动倍率调节范围，能够方便地进行系列化、模块化配置。该单元制动器的适应性广泛，在国内地铁车辆上大量使用。

1.2 BFC(F)单元制动器

BFC(F)单元制动器常用制动缸采用皮碗式气动活塞缸，通过斜楔移动凸轮机构实现制动倍率的调节，通过非自锁的梯形螺纹传动机构实现间隙自动调整补偿及主轴手动调节复位，通过缓解弹簧实现单元制动器的缓解。相对独立的停放制动缸采用皮碗式气动活塞缸，内置储能弹簧及非自锁的梯形螺纹传动机构，通过空气控制实现停放制动施加和缓解，用于实现停放制动手动缓解的棘轮锁止机构位于停放制动缸和常用制动缸之间。

BFC(F)单元制动器空间也很紧凑，可采用侧面、立式等多种安装形式，其内置的斜楔移动凸轮机构使单元制动器具有较大的制动倍率调节范围，可以方便地实现系列化、模块化配置，该单元制动器在国内地铁车辆上使用广泛。

1.3 TG180单元制动器

TG180单元制动器常用制动缸采用皮碗式气动活塞缸，通过斜楔移动凸轮机构实现制动倍率的调节，通过棘轮棘爪传动机构实现间隙自动调整补偿及主轴手动调节复位，通过缓解弹簧实现单元制动器的缓解。相对独立的停放制动缸采用皮碗式气动活塞缸，内置储能弹簧及非自锁的梯形螺纹传动机构，通过空气控制实现停放制动施加和缓解，设置棘轮锁止机构，采用外露的手拉缓解拉绳实现停放制动手动缓解。

TG180单元制动器的空间紧凑，可采用侧面、立式等多种安装形式，但由于采用的棘轮棘爪机构实现间隙自动调整的补偿效率特别低，在国内地铁车辆上的应用越来越少。

1.4 UT7A(S)单元制动器

UT7A(S)单元制动器常用制动缸采用皮碗式气动活塞缸，通过斜楔移动凸轮机构实现制动倍率的调节，通过非自锁的梯形螺纹传动机构实现间隙自动调整补偿及主轴手动调节复位，依靠缓解弹簧实现单元制动器的缓解。停放制动缸采用皮碗式气动活塞缸，内置储能弹簧及非自锁的梯形螺纹传动机构，通过空气控制实现停放制动施加和缓解，设置棘轮锁止机构，采用外露的手拉缓解拉绳实现停放制动手动缓解。

UT7A(S)单元制动器可灵活采用侧面、立式等多种安装形式，具有空间紧凑、制动倍率调节范围大、作用灵活、安全可靠等特点，已形成模块化、系列化配置，近年来在国内地铁车辆上批量应用。

1.5 XFD单元制动器

XFD单元制动器常用制动缸采用皮碗式气动活塞缸，通过斜楔移动凸轮机构实现制动倍率的调节，通过非自锁的梯形螺纹传动机构实现间隙自动调整补偿及主轴手动调节复位，通过缓解弹簧实现单元制动器的缓解。相对独立的停放制动缸采用皮碗式气动活塞缸，内置储能弹簧及非自锁的梯形螺纹传动机构，通过空气控制实现停放制动施加和缓解，设置棘轮锁止机构，采用外露的手拉缓解拉绳实现停放制动手动缓解。

XFD单元制动器可灵活采用侧面、立式等安装形式，方便进行模块化、系列化配置，近年来在国内地铁车辆上的应用不断增加。

2 地铁车辆单元制动器接口情况

2.1 单元制动器机械接口

单元制动器安装在转向架构架上并通过螺栓进行连接，单元制动器制动缸、停放制动缸通过硬管或软管与供风(压缩空气)管路连接，单元制动器上还装有闸瓦，通过闸瓦插销及销轴等实现锁紧固定。

2.1.1 单元制动器与构架连接

单元制动器与转向架构架安装包括连接螺栓中心线呈水平的侧面安装形式和连接螺栓中心线呈垂直的垂向安装形式。其中，A型地铁全部采用侧面安装形式，有4种接口尺寸规格(图1)。B型地铁有3种侧面安装接口尺寸规格，1种垂向安装接口尺寸规格(图2)。

图1 A型地铁安装接口形式

图2 B型地铁安装接口形式

2.1.2 单元制动器与供风管路连接

单元制动器常用制动缸、停放制动缸风管安装接口则相对统一，常用制动缸为符合ISO 228：2000《非螺纹密封的管螺纹》的G1/2螺纹，停放制动缸为符合ISO 228：2000的G1/4螺纹。

2.1.3 单元制动器闸瓦安装

A型地铁车辆的单元制动器一般装用符合UIC 541-4：2010《制动装置合成闸瓦制动装置合成闸瓦认可的通用条件》标准的双闸瓦，B型地铁车辆单元制动器一般装用符合TB/T 2403—2010《铁道货车用合成闸瓦》或UIC 541-4：2010标准的单闸瓦，均通过闸瓦插销和开口销对闸瓦进行锁紧固定。

2.2 单元制动器功能及性能

地铁车辆单元制动器实现的作用功能完全一致，但由于单元制动器结构原理、所属制动系统的差异等，其性能并不完全一致，表1为国内地铁车辆常见单元制动器主要性能参数。

表1 国内地铁车辆常见单元制动器主要性能参数

3 地铁车辆单元制动器统型分析

地铁车辆单元制动器统型包括机械接口和性能参数两个方面。

3.1 单元制动器机械接口统型分析

无论A型还是B型地铁，均是侧面安装为主，其中，又以4个M20螺纹孔为主要形式，建议在既有A型、B型地铁接口形式中，各选取一种侧面4个M20螺纹孔形式作为统型接口。

既有A型、B型地铁单元制动器风管接口均一致，可直接作为统型接口。

绝大多数的A型地铁单元制动器装用符合UIC 541-4：2010的双闸瓦，可直接作为统型接口。绝大多数的B型地铁单元制动器装用符合TB/T 2403—2010或UIC 541-4：2010标准的单闸瓦，也有个别装用符合UIC 541-4：2010的双闸瓦，建议以装用UIC 541-4：2010标准的单闸瓦作为标准，考虑到既有闸瓦摩擦性能存在一定差异，建议将闸瓦摩擦性能也统型至一定范围，或制定新中车地铁闸瓦标准，使闸瓦保证机械接口和摩擦磨损性能的互换。

3.2 单元制动器性能参数统型分析

单元制动器的作用功能均一致，无需统型，但因为实现原理和结构形式的不同，不同单元制动器的性能参数存在一定的差异，为实现通用性及互换性，需要进行制动性能参数相关的统型。

3.2.1 制动倍率

A型、B型地铁紧急制动平均减速度要求基本一致，但由于A型地铁的轴重大，紧急制动时需要的制动力更大，在闸瓦摩擦因数一致的前提下，A型地铁需要更大的闸瓦压力，如将A型、B型地铁制动倍率统型，意味着紧急制动时A型地铁的制动缸压力将明显高于B型地铁，这对地铁车辆的用风、制动控制设计等将带来诸多不便，因此，结合既有A型、B型地铁单元制动器制动倍率情况，建议分别统型为4.1和3.0。

3.2.2 缓解间隙、一次调整量

由于缓解间隙和一次调整量之和约为丝杠一次最大行程(通常20 mm左右)，这两个参数统型应考虑车辆的使用要求，还相互限定。建议缓解间隙统型至12 mm，一次调整量统型至7 mm。

TG180-3单元制动器一次调整量为0.18 mm，是其采用的棘轮棘爪机构调整补偿效率低引起的，如发生列车运行过程中因补偿不到位而不产生闸瓦压力的情况，将形成安全隐患，类似这样的结构不宜在标准地铁车辆上继续采用。

3.2.3 总调整量

地铁轮径磨耗量35 mm，闸瓦磨耗厚度50 mm，为保证闸瓦拆装，初始安装时闸瓦与踏面间隙一般应比瓦鼻高度(25 mm)大，要求单元制动器的最大调整量不小于110 mm，建议总调整量统型至125 mm。

3.2.4 停放制动最小缓解压力

停放制动缓解压力是由停放储能弹簧力和单元制动器内部机械阻力的大小决定的，停放储能弹簧力是关键决定因素。停放制动缓解压力越小，意味着停放储能弹簧力越小，停放制动闸瓦压力就越小，车辆停放制动的安全系数越小甚至无法安全停放。

建议停放制动最小缓解压力统型至500 kPa，为尽可能提高停放制动闸瓦压力预留设计空间，也可以在此基础上，对A型、B型地铁的停放制动闸瓦压力分别进一步统型。