中低速磁浮交通车辆闸片试验方法研究

2022-04-16董振威

城市轨道交通研究 2022年4期

董振威崔雷刘帅

(中车青岛四方车辆研究所有限公司，266011，青岛∥第一作者，工程师)

中低速磁浮交通车辆施加摩擦制动时，夹钳直接夹紧F型导轨，通过闸片与导轨间的摩擦实施制动[1]，见图1。与传统盘片制动相比，中低速磁浮交通车辆没有制动盘进行摩擦配副，对偶间的运动型式也由传统的转动相对运动变为线性相对运动。本文针对这种特殊的摩擦形式，提出了一种适用于中低速磁浮交通车辆闸片的试验方法，用于验证闸片的使用性能。

图1 夹钳与F型导轨结构

1 闸片试验目的

传统轨道交通车辆的闸片试验通常指摩擦磨耗性能试验，其目的为验证闸片的以下性能是否满足要求：① 不允许造成制动盘的异常磨耗和损伤；② 摩擦系数位于适当的区间范围；③ 磨耗量必须小于要求的上限；④ 物理力学性能、火花及噪声等满足要求。

对于中低速磁浮交通车辆，闸片试验除了需要验证上述性能，还需额外验证以下性能：

1)闸片的低速磨耗量。车辆在中高速条件下制动时，主要采用电制动；在进站停车过程中，当车速达到电液转换点时，电制动逐渐退出，转为施加液压摩擦制动[2]。可见，闸片在低速区段的使用频率远高于中高速区段。此外，中低速磁浮交通车辆每次制动时，闸片和导轨的接触位置和贴合程度均不一致，使得摩擦面长期处于非磨合状态，故需单独对低速工况下闸片的磨耗性能进行试验评估。

2)抗冲击性能。中低速磁浮交通车辆的导轨是分段布置的，考虑热胀冷缩的影响，在每2段导轨接头处预留接缝[3]。接缝长度为0～10 mm、10～20 mm和20～40 mm等3种[4]。根据中低速磁浮轨排组装要求，每2段F型导轨接缝的横向错位极限偏差为±1 mm(见图2)。在制动过程中，当闸片夹紧导轨通过接缝时，导轨的横向错位会对闸片产生冲击(见图3)。这种冲击可能导致闸片被破坏，因此需对闸片的抗冲击性能进行试验评估。

图2 导轨接缝结构

图3 接缝冲击示意图

2 试验对象设计

试验对象包含闸片和对偶导轨两部分。

传统摩擦磨耗性能试验仅需把实车使用的制动盘和闸片装配在1∶1试验台上即可[5-6]。对于中低速磁浮车，实车闸片和对偶导轨均为线性结构[7]，无法直接在1∶1试验台上装配使用，需要针对试验台的工作原理和试验需求进行单独设计。

2.1 对偶导轨设计

为了和1∶1试验台的回转运动方式匹配，需要将对偶导轨设计为盘型结构来替代模拟，并使其材质与实车导轨保持一致。

闸片的摩擦系数和磨耗量等参数，需要在平整的盘面上进行试验；闸片的抗冲击性能参数需要在有接缝和横向错位的盘面上进行试验。

基于以上考虑，将模拟盘设计为图4所示结构。每个模拟盘由盘主体、嵌入块和连接螺栓组成。

图4 模拟盘结构

盘主体采用大直径环形结构，其中一段环向角度为60°的区域(以下简为“60°段”)进行了开槽处理，用于与嵌入块配合。此外，盘主体在60°段开槽的一侧，额外设计1段浅槽，来模拟2段导轨间的接缝，见图5。

图5 盘主体结构

嵌入块为1段环向角度为60°的环块。通过改变摩擦面的形状，可得到适用于不同试验的嵌入块。

常规试验和低速磨耗试验使用平面型嵌入块。这种嵌入块的摩擦面设计为平面。装配到盘主体后，嵌入块摩擦面与盘主体摩擦面等高，见图6。

图6 平面型嵌入块

在抗冲击试验中使用的螺旋型嵌入块(见图7)。其摩擦面设计为螺旋结构。嵌入块装配到盘主体后，摩擦面远离轨缝的一端与盘主体摩擦面等高，靠近轨缝的一端高出盘主体摩擦面，可模拟实际接缝的横向错位。

图7 螺旋型嵌入块

此外，还可以通过调整冲击块轨缝一侧的尺寸，设计不同台阶高度和不同的轨缝宽度。

盘主体和嵌入块在轨缝位置均进行倒角处理，模拟实际导轨在接缝处的倒角。

2.2 闸片设计

在1∶1试验台试验中，闸片与模拟盘之间做转动相对运动。为保证试验闸片的摩擦受力方向与实际的受力方向一致，将试验闸片摩擦体设计为弧形结构，以适应模拟盘的旋转运动(见图8)。

a)实车线性摩擦体

2.3 模拟盘和闸片匹配方式

模拟盘和闸片在设计完成后，借助既有标准的机车车轮作为试验工装，在1∶1试验台上进行安装配合。

模拟盘设计为轮盘结构。根据不同的试验流程，在车轮两侧的模拟盘上装配不同的嵌入块。

在常规试验和低速磨耗试验时，两侧的模拟盘均装配平面型嵌入块。

抗冲击试验包含有冲击试验和无冲击试验。在无冲击试验中，车轮两侧的模拟盘均装配平面型嵌入块；在有冲击试验中，车轮一侧的模拟盘装配平面型嵌入块，另一侧模拟盘装配螺旋型嵌入块。

3 试验流程设计

目前，城市轨道交通车辆、动车组及交流传动机车等轨道交通车辆均出台了相关的闸片标准，但并不适用于中低速磁浮交通车辆。本文针对中低速磁浮交通车辆特有的制动要求和特性，设计了1套闸片摩擦磨耗性能试验流程。该试验流程包含常规试验、低速磨耗试验和抗冲击试验等3部分。

3.1 常规试验

常规试验的主要目的为验证闸片在不同速度、不同夹紧力及不同干湿环境下的摩擦系数和磨耗量是否满足要求。

常规试验包含最大常用制动、紧急制动及持续制动等车辆常用制动工况。在试验过程中，需实时记录环境温度、湿度、闸片压力、初始速度、制动时间、制动距离、摩擦系数、制动盘温度及磨耗量等参数。常规试验流程见表1。

表1 常规试验流程

3.2 低速磨耗试验

低速磨耗试验的目的为验证闸片在低速停车条件下的磨耗量。

列车进站停车的电液转换速度通常为8 km/h左右。若采用此速度进行模拟，则每一闸的制动能量过低，且需要试验台反复加速减速并施加速度控制，使试验过程复杂低效。由于从8 km/h减速至0的速度跨度较小，且速度变化对磨耗量的影响较小，因此，将停车制动工况优化为8 km/h持续1 min，并采用3级制动力，以加速闸片磨耗，提高试验效率。试验共制动120次，且每制动20次就停机观察闸片和盘表面状态，测量闸片磨耗量(共观察测量6组数据)。

假定3级制动的停车减速度为0.5 m/s2，则车辆从初速度v0=8 km/h制动至停车所需时间为4.4 s，低速磨耗制动总制动时间设定为120 min，则相当于单对闸片施加1 636次制动，以北京市郊铁路城市副中心线(以下称为“S1线”)中低速磁浮车的发车间隔和运营时间为参照，单辆车单日停站次数约230次，则整个低速磨耗试验流程约等效于车辆运行7天的单对闸片制动次数。