高速变轨距动车组用制动夹钳单元分析研究

刁有彬，王 震，徐少亭，孔德鹏，覃立伟，王令军

（中车青岛四方车辆研究所有限公司，山东青岛 266031）

1 引言

目前，世界各国铁路运输一直保持多种轨距的现状，严重阻碍跨国及跨地区间铁路运输及经济贸易活动的发展。研制变轨距转向架可有效解决轨距不同区间的直通运行问题，实现国内外轨道交通互联互通，满足国家“一带一路”运输的发展需求，促进跨国及跨地区间的铁路运输及经济贸易活动的发展。

变轨距转向架关键技术在于轮对经过地面变轨距过渡装置后能够自动实现轴向移动及限位锁定，以适应2 种不同规格的轨距要求，由于动车转向架空间限制，基础制动装置需采用结构紧凑的盘型制动，同时需跟随车轮实现轴向移动，以实现不同轨距时的车辆制动需求。本文对速度400 km/h 变轨距（1 435/1 520 mm）动车组用制动夹钳单元配置及方案进行介绍。

2 动车组基础制动配置及技术要求

动车组采用8辆编组，包括4辆拖车和4辆动车，结构示意如图1所示。转向架轮对具备变轨距功能，可适应1 435/1 520 mm的轨距。

2.1 动车转向架基础制动装置配置及要求

动车转向架装有牵引电机和齿轮箱，空间较小，每轴配置2套轮盘制动装置，如图2所示。轮盘制动装置包括轮装制动夹钳单元、轮装制动盘和闸片。轮装制动盘安装在车轮副板上，轮装制动夹钳单元按制动缸安装方向不同分为左件和右件。在变轨距前后，由于车轮相对转向架中心位置沿轴向发生变化，与轮装制动盘配合使用的轮装制动夹钳单元应具备随动变轨距功能，动车转向架每轴需安装2套具有随动变轨距功能的轮装制动夹钳单元。

2.2 拖车转向架基础制动装置配置及要求

拖车转向架空间较大，经核算制动热负荷能力，可得每轴需配置2套轮盘制动装置和2套轴盘制动装置，如图3所示。轮盘制动装置形式与动车的形式相同，仅与动车制动倍率不同。轴盘制动装置包括轴装制动夹钳单元、轴装制动盘和闸片，2套轴装制动夹钳单元中1套为轴装停放制动夹钳单元。

2.3 制动夹钳单元技术性能要求

制动夹钳单元作为高速变轨距动车组基础制动装置核心部件，应满足以下性能要求：

（1）满足-50～+50℃环境使用要求，能适应风、沙、雨、雪、雾霾天气，及盐雾、酸雨、沙尘暴等偶有现象；

（2）轮装制动夹钳单元应具备随动变轨距功能，可自动识别车轮动作，保证在不同轨距时实现自动对中功能，并具备制动、缓解、间隙自动调整和手动复位等功能；

（3）受空间限制，轴装制动夹钳单元采用不同于轮装制动夹钳单元形式的紧凑型制动夹钳单元，需具备制动、缓解、间隙自动调整和手动复位等功能，轴装停放制动夹钳单元还需具备停放制动、停放制动缓解和停放制动手动缓解等功能。

3 轮装制动夹钳单元技术方案

轮装制动夹钳单元主要由随动装置、制动夹钳和制动缸3部分组成，采用模块化设计，结构紧凑、体积小，能适应转向架紧凑的安装空间，外观展示如图4所示。

3.1 随动装置

3.1.1 随动装置结构组成

随动装置由安装座、连接座、识别摩擦片、柔性滑动轴承、随动销轴及钢球定位机构等组成，平面示意如图5所示，其结构特点如下：

（1）安装座采用4点安装接口，与转向架通过4个M 20螺栓进行紧固连接；

（2）连接座上端通过随动销轴和安装座连接，下端通过吊挂销轴和制动夹钳单元连接，前段设置2个刚性悬臂梁，轮装制动夹钳单元安装后，悬臂梁位于车轮两侧；

（3）识别摩擦片位于悬臂梁前端，采用粉末冶金材料，具有良好的耐磨性；

（4）随动装置内置耐低温柔性滑动轴承和钢球定位机构，随动销轴设置2个具有一定坡度的定位孔，当车轮进行变轨动作时，车轮轮缘通过识别摩擦片带动连接座及制动夹钳单元在随动销轴上滑动，顺利实现横移动作；当车轮完成变轨距动作时，通过弹簧压缩钢球运动到定位孔最底端，可准确实现自动对中及锁定功能；

（5）随动识别摩擦片锁定机构简单可靠，如图6所示，通过推动止挡垫片可实现识别摩擦片的快速更换。

3.1.2 随动装置工作原理

如图7所示，随动装置前端设置悬臂梁，悬臂梁安装有识别车轮位置的识别摩擦片，识别摩擦片和车轮之间存在一定的识别间距S，当车轮变轨距时，车轮运动距离S后，车轮轮缘和识别摩擦片接触，悬臂梁触发变轨距机构带动轮装制动夹钳单元同步运动，当车轮移动距离L完成变轨距时，轮装制动夹钳单元受随动装置内部钢球定位机构作用继续移动距离S，直至完成随动距离L，使2个识别摩擦片始终保持和车轮处于对中位置。

3.1.3 随动装置技术参数

（1）随动开启压力稳定，随动阻力小，开启压力及随动阻力不超过5 000 N。

（2）IP防护性高，采用橡胶保护套防护，可满足GB/T 4208-2017《外壳防护等级》IP66S相关要求。

（3）内部采用柔性滑动轴承及低温润滑脂，可满足低温-50℃环境要求。

（4）随动装置连接制动夹钳单元和转向架，内部采用非金属绝缘衬套，具备良好的绝缘性能，闸片托（闸片安装面）与吊座（螺纹安装孔）间在DC24V电压下，电流值小于20 mA。

3.2 制动夹钳

制动夹钳由杠杆支架、夹钳杠杆、闸片托等组成，如图8所示，制动夹钳通过吊挂销轴和随动装置连接，并通过4个铰接螺栓和制动缸连接，可将制动缸推力转化成闸片推力，通过杠杆机构实现制动缸推力的放大。

制动夹钳工作原理如图9所示，制动时向制动缸充入压缩空气，制动缸伸长推动夹钳杠杆绕转轴转动，带动闸片抱紧制动盘实现制动。缓解时排出压缩空气，制动缸缩回时带动闸片与制动盘分离实现缓解。其中，制动夹钳杠杆倍率为j= 2×L1/L2。

3.3 制动缸

为满足动车和拖车的制动力配置要求，闸片输出力的控制通过调节制动夹钳杠杆倍率和采用具有内部放大功能的制动缸来实现。

制动缸倍率调节原理如图10所示，制动缸内置斜楔放大机构，斜楔角度为α，空气压力（Fp）推动活塞垂直向下运动，通过斜面推动调整机构转化成水平推力 （Fk），并实现推力放大。其中，制动缸斜楔放大倍率为i= 1 / tanα。当制动夹钳杠杆倍率确定后，可通过调节斜楔角度对制动倍率进行调节，在制动夹钳外形接口一定的条件下提高方案配置的灵活性，此调节方式适用性强。

4 轴装制动夹钳单元技术方案

轴装制动夹钳单元基于传统3点吊装制动夹钳单元进行设计，减小夹钳杠杆、杠杆支架的体积和重量，设计连接吊座，体积小，重量轻，并且拥有3点吊装制动夹钳适用性强的优点。

轴装停放制动夹钳单元由制动夹钳、制动缸和停放缸组成，如图11所示。

（1）将3点吊装结构通过连接吊座转换成4点紧凑安装接口，前吊点设置绝缘轴承，后吊点设置橡胶节点，此种结构可使制动夹钳动作灵活，具有良好的绝缘性。同时连接机构具备柔性节点结构，以适应转向架相对车轴在各方向的横移摆动。

（2）制动缸内部无放大机构，通过制动夹钳杠杆倍率匹配设计，可保证所有制动夹钳单元输出力统一。

（3）停放缸位于制动缸下方，采用垂向组合的方式，合理利用有效空间。基于制动力匹配需求，拖车制动夹钳杠杆倍率设置较低，基于低夹钳杠杆倍率的轴装停放制动夹钳装置设计是关键。为使停放缸输出力不完全受限于杠杆倍率，停放缸与制动缸连接装置单独设置放大机构。制动缸和停放缸之间采用斜楔拉杆连接，如图12所示，内部放大原理同制动缸内部放大原理类似，当施加停放制动力时，停放缸活塞向下运动，通过斜楔拉杆推动调整机构转化成水平运动，并实现推力放大，当制动夹钳杠杆倍率确定后，可通过调节斜楔拉杆斜面角度调整停放缸输出力的大小。

5 试验研究

5.1 制动夹钳单元试验

制动夹钳单元装车前需完成型式试验及例行试验，试验方法及要求按照TB/T 3431-2015 《机车车辆制动夹钳单元》执行，标准中规定制动夹钳单元的试验要求，包括外观检查、称重、强度试验、灵敏度试验、密封性试验、一次调整量试验、最大调整量试验、缓解间隙试验、输出力试验、手动复位试验、停放缸动作试验、停放缸手动缓解试验、静态传动效率试验、低温试验、冲击和振动试验和疲劳试验等。目前，关于随动变轨距功能没有相关标准及试验方法参考，本文研究制定随动变轨距试验方法及要求，包括变轨距功能试验、横移复位试验和疲劳试验。

5.1.1 变轨距功能试验

（1）试验要求。列车变轨距时车轮轴向需移动一定的距离，从准轨（1 435 mm）变为宽轨（1 520 mm）需移动距离43.5 mm，当车轮移动到和随动装置识别摩擦片接触时，随动装置开启随动变轨距动作，当车轮完成变轨距动作时，制动夹钳单元需继续运动，直至实现自动对中，随动变轨距过程中制动夹钳单元的移动距离需符合要求，移动阻力应稳定。

（2）试验方法。制动夹钳单元处于缓解状态，将试验台车轮调整至制动夹钳单元2个识别摩擦片中间位置，首先将车轮由宽轨位置移动到准轨位置，制动夹钳单元通过识别摩擦片触发随动变轨距，完成随动变轨距动作后仿形车轮和识别摩擦片之间应存在间隙。然后将车轮由准轨位置移动到宽轨位置，重复上述试验。记录2次随动变轨距过程中制动夹钳单元的相对位移和阻力，并判定是否合格。

5.1.2 横移复位试验

（1）试验要求。车辆运行转弯或受振动冲击时，转向架与车轮间会存在横向移动，当随动装置识别间距小于车轮横移距离时，可触发制动夹钳单元变轨距动作，当转向架横移复位时，变轨距装置应能自动实现对中功能。

（2）试验方法。制动夹钳单元处于缓解状态，将试验台车轮调整至制动夹钳单元2个识别摩擦片中间位置，首先将车轮置于宽轨位置，并向右横移距离S，车轮回位后制动夹钳单元能够自动复位，再将仿形车轮向左横移距离S重复其试验，然后将仿形车轮移动到准轨位置，重复上述操作。判定制动夹钳单元在宽轨与准轨位置左右横移是否能够自动复位。

5.1.3 疲劳试验

随动变轨距可靠性需经疲劳试验验证，列车变轨距动作仅发生在2条不同轨距交接处，按每天进行1次变轨距动作、使用寿命30年计算，同时考虑运营期间检修情况，疲劳试验次数为1万次。

5.2 装车试验

将制动夹钳单元安装于变轨距转向架，除进行常规气密性、制动、缓解、停放制动、停放缓解、手动缓解试验外，还需在变轨距线路上进行变轨距试验，主要验证车轮动态旋转变轨距时制动夹钳单元是否能顺利实现随动变轨距，变轨距完成后制动夹钳单元各项功能是否正常。

本文配置的方案已完成制动夹钳单元地面型式试验，并已在速度400 km/h跨国互联互通高速动车组进行装车，完成车上变轨距及相关试验，制动夹钳单元各项功能均正常。

6 结语

根据高速变轨距动车组转向架对基础制动配置要求，研制具有随动变轨距功能的轮装制动夹钳单元和紧凑型轴装制动夹钳单元，介绍随动变轨距试验要求及方法，通过装车验证，证明具有随动变轨距功能的轮装制动夹钳单元和紧凑型轴装制动夹钳单元满足转向架变轨距性能要求。本文所研究的内容可为解决制动夹钳单元安装空间小、制动力配置多样性问题提供新思路，为动车组及其他类似轨道交通车辆随动变轨距制动夹钳单元设计提供参考。