变轨距转向架制动夹钳单元及安装方案研究

王瑞卓 徐 芳 李洪强 徐鼎皓 辛宪涛

(中车长春轨道客车股份有限公司 吉林 长春 130062)

目前，国内在轨道交通领域使用的制动夹钳单元吊装结构均采用固定式，制动夹钳单元安装后相对转向架固定，作用时制动夹钳单元和制动盘的相对位移基本没有变化[1-4]。随着各国之间的铁路联系逐渐密切，由于各国存在轨距的差异，为铁路运营带来极大的不便，变轨距转向架解决了轨距不同的难题，无须乘客换乘就可适应不同轨距的铁路线路。由于轨距的变化导致车轮距离发生变化，车轮上的制动夹钳单元能否适应车轮距离的变化成为一个亟待解决的问题，本文主要研究能满足变轨距转向架使用的轮装随动式制动夹钳单元及安装方案。

1 制动夹钳单元

变轨距转向架制动夹钳单元需满足与转向架的接口要求，具有自动对中、变轨距识别、开锁、锁定和随动功能。

1.1 制动夹钳单元动作原理

制动夹钳单元动作原理如图1所示，制动缸充入一定的压力空气后，活塞向气缸外运动，通过杠杆带动偏心轴绕其轴心O转动，安装在偏心轴8支点上的夹钳杠杆和闸片托随其做平动，使闸片托运动到制动位置。两夹钳杠杆通过闸片间隙调整器相连，夹钳杠杆被带动绕销轴旋转中心O′转动，使闸片托运动到制动位置，最终使制动夹钳单元产生制动闸片夹紧力抱紧制动盘，制动夹钳单元通过偏心轴式放大机构实现力的传递和放大。

图1 夹钳机构动作原理示意图

制动夹钳单元主要构件间的连接方式如下：制动缸由箱体固连；活塞与杠杆通过销轴铰接；杠杆与偏心轴通过螺栓连接固连；偏心轴通过滚针轴承安装在箱体中，可绕几何轴线转动，几何轴心为固定铰支点；主动夹钳杠杆安装在偏心轴的偏转支点上，与偏心轴铰接，可以随偏心轴的转动做平面运动；被动夹钳杠杆通过销轴和箱体连接，能够绕销轴转动，和箱体之间铰接；闸片托通过销轴连在夹钳杠杆上，与夹钳杠杆铰接；闸片间隙调整器两端分别和两夹钳杠杆铰接；主要构件如图2所示。

1—夹钳杠杆；2—制动缸；3—停放制动缸；4—缓解弹簧；5—活塞；6—闸片间隙调整器；7—杠杆；8—偏心轴；9—夹钳杠杆；10—闸片托；11—闸片托；12—缓冲弹簧；13—推杆；14—杠杆钩。图2 夹钳机构主要构件示意图

1.2 变轨距随动装置

制动夹钳单元自动对中功能利用左右两侧的弹簧力值大小，达到一个均衡的状态，当一侧弹簧压缩，另一侧相对伸长，产生两侧力值不一致时，该力推动夹钳单元移动或使闸片复位对中。该装置可以实现以下功能：(1)制动夹钳单元吊架固定时，当闸片随车轮摆动时，可使闸片托自动复位；(2)在变轨线路上车轮位置发生变化时，引发左右弹簧安装的压力值产生差异，此时以车轮为固定点，推动制动夹钳单元吊架在制动夹钳单元安装固定轴上滑动，直到两侧弹簧力再次达到均衡；自动对中原理如图3所示。

图3 自动对中原理示意图

制动夹钳单元变轨距识别、开锁、锁定与随动机构如图4所示，当齿型离合器处于分离状态下，在车轮的横向作用下，通过开锁杠杆使随动机构横向移动，齿轮(图4中8、9、10)进行转动，制动夹钳单元随着车轮位置变化实现变轨随动功能；当齿型离合器处于结合状态下，齿轮不能转动，车辆运行中在横向载荷作用下，随动机构保证制动夹钳单元的位置不发生变化；变轨距制动夹钳单元与车轮的位置关系如图5所示。

1—车轮；2、3—万向轮(球)；4、5—开锁杠杆；6—横向移动开锁杆；7—开锁齿轴；8、9、10—固定齿轴条；11—制动夹钳单元吊座体；12—带齿条固定轴；13—带定位孔固定轴；14—开锁定位杆；K2，K2′—变位识别均衡弹簧；K3—锁闭弹簧。图4 变轨距识别、开锁、锁定与随动机构示意图

图5 制动夹钳单元与车轮的位置关系

2 安装方案

制动夹钳单元通过制动吊座安装在构架侧梁上，制动吊座为Q345E材质的锻件。制动吊座主体为T形结构，具有较强的承载能力及抗扭能力，同时将构架垂向起吊的吊耳结构与制动夹钳单元安装接口进行组合，整体与构架侧梁上盖板、内立板焊接为一体，焊接之后进行安装接口的加工。制动夹钳单元通过4个M20螺栓与制动吊座安装。

3 制动吊座强度计算

制动夹钳单元质量为120 kg，重心纵向坐标(相对构架中心)为781，采用ANSYS有限元仿真分析软件，依据EN 13749—2011《铁路应用—轮对和转向架—转向架结构要求的规定方法》和UIC 615-4—2003《动力转向架构架强度试验方法》标准对制动吊座进行载荷工况及静强度分析，依据DVS 1612—2014《轨道车辆钢焊接接头的设计和疲劳强度的校核》标准对疲劳强度进行评估。

3.1 制动吊座静强度

根据插值计算制动夹钳单元三个方向加速度取值分别为：垂向16.01g，横向8.00g，纵向3.00g，制动吊座静强度作用载荷如下:

制动夹钳单元垂向惯性载荷：

Fzzmax=m2×16.01g=18.85 kN

(1)

制动夹钳单元横向惯性载荷：

Fzymax=m2×8.00g=9.42 kN

(2)

制动夹钳单元纵向惯性载荷：

Fzxmax=m2×3.00g=3.53 kN

(3)

紧急制动工况转向架纵向载荷：

(4)

紧急制动工况每制动盘产生的垂向摩擦力：

(5)

转向架整体起吊工况载荷：

Fz=2g×m+=225.63 kN

(6)

式中：mz为制动夹钳单元垂向摩擦力质量；Fzzmax为制动夹钳单元垂向惯性载荷；Fzymax为制动夹钳单元横向惯性载荷；Fzxmax为制动夹钳单元纵向惯性载荷；Fx为转向架纵向载荷；Fz-brake为紧急制动载荷；Fz为起吊载荷；m+为转向架质量。

制动吊座在各超常载荷及其组合工况作用下的Von Mises应力分布如图6所示，计算结果表明，制动吊座上的最大应力为256.80 MPa左右，小于Q345E结构钢的许用应力345 MPa，制动吊座静强度满足要求。

图6 静强度应力云图

3.2 制动吊座疲劳强度

根据插值计算制动夹钳单元运营工况三个方向加速度取值为：垂向4.80g，横向4.22g，纵向2.50g，制动吊座疲劳强度作用载荷如下:

制动夹钳单元垂向惯性载荷：

Fzz=mz×4.80g=5.65 kN

(7)

制动夹钳单元横向惯性载荷：

Fzy=mz×4.22g=4.97 kN

(8)

制动夹钳单元纵向惯性载荷：

Fzx=mz×2.50g=2.94 kN

(9)

常用制动产生的转向架纵向力：

(10)

常用制动工况每制动盘产生的垂向摩擦力：

(11)

式中：mz为制动夹钳单元垂向摩擦力质量；Fzz为制动夹钳单元垂向惯性载荷；Fzy为制动夹钳单元横向惯性载荷；Fzx为制动夹钳单元纵向惯性载荷；Fx为转向架纵向载荷；Fz-brake为常用制动载荷。

将各运营载荷及其组合工况施加到制动吊座模型上，计算各工况应力比，根据选用的缺口曲线的指数计算出许用应力，对板厚进行修正，依据DVS1612—2014标准评估疲劳强度，焊缝处应力需满足如下要求：

对制动吊座疲劳强度进行评估，制动吊座与侧梁焊缝处最大利用率为0.88，小于规定值1，制动吊座疲劳强度满足要求。

4 结论

(1)变轨距转向架制动夹钳单元可以满足随制动盘横向移动及制动要求，具有自动对中机构，变轨距识别、开锁、锁定功能和随动机构。

(2)变轨距转向架制动吊座强度满足使用要求，结构符合制动夹钳单元的安装接口要求。