一种基于纯电制动系统的铁路货车多功能电制动缸研制

丁 颖 ,王洪昆 ,曾德凉 ,张金发 ,涂智文

(1.国能铁路装备有限责任公司,北京 100000;2.中车长江集团科技分公司,湖北 武汉 430212)

制动系统作为铁路货车的重要组成部分,其技术状态直接影响到车辆运行安全。随着铁路重载运输的进一步发展,对车辆制动性能的要求越来越高[1],纯电制动技术已作为一种解决方案正在研究当中。而制动缸作为制动系统的关键部件之一,其性能的优劣对制动系统的可靠性影响极大[2]。在现有铁路货车制动技术中,为保证空气制动缸的密封可靠性,需要经常进行检修,否则将导致制动缸漏泄故障。

为保持在运用后制动缸活塞行程不随车轮、闸瓦等磨耗而增大,基础制动装置一般需采用闸瓦间隙调整器(以下简称闸调器),这样会导致系统结构复杂,同时由于运用后制动杠杆角度发生偏转,车辆各相关部件刚度、间隙产生变化,即使有闸调器的作用,制动缸活塞行程也会产生一定程度的变化[3],使得车辆制动力一致性难以保证,给列车运行特别是长大下坡道运行造成安全隐患。为使空气制动缸活塞在缓解时能够复位,还设置有复位弹簧[4],但复位弹簧会对制动缸推力产生较大反力,从而降低制动效率。另外,现有货车加装了人力制动装置,以保证长时间停车时车辆也能停驻,但人力制动装置存在需人工操作、现场工作量大、易出现误操作等缺点。

为了解决上述空气制动缸存在的问题,同时配套重载列车电制动系统研发,本文提出了一种多功能电制动缸,旨在彻底解决制动缸漏泄问题,简化基础制动结构,提高制动缸缓解性能、作用可靠性及制动力一致性。

1 电制动缸主要结构及工作原理

1.1 主要结构

电制动缸是借鉴电动缸在工业领域大范围应用的成熟经验,如升降台、机械自动化生产线及压装设备等,以取代功能单一的空气制动缸,产生制动力,达到车辆调速、停车及驻车的目的,适用于采用电制动系统的轨道车辆[5]。

多功能电制动缸主要由直流伺服电机、缸盖、缸体、蜗轮、蜗杆、螺杆、转换螺母、外套、伸缩杆及螺杆头等组成,如图1、图2所示。

图1 多功能电制动缸

图2 多功能电制动缸三维示意图

缸盖与缸体左侧通过螺栓连接,外套与缸体右侧通过螺纹连接。螺杆置于缸体与外套形成的空腔内,螺杆中部挡肩左侧设有蜗轮,螺杆右端带梯形螺纹并与转换螺母通过螺纹相连。伸缩杆为中空结构,左端置于外套空腔内,并与转换螺母相连,右端从外套伸出并与螺杆头相连。蜗轮置于缸体中央大空腔内,蜗轮通过挡键与螺杆连接。蜗杆置于缸体左侧空腔内,中部与蜗轮通过齿相连,并从缸体左侧腔体的顶部伸出。直流伺服电机转轴从下方伸出置于蜗杆上端杆内孔中,并通过键与蜗杆相连。直流伺服电机转轴除从电机下方伸出外,也从电机上方伸出。蜗杆头数为1,以增加结构单向自锁性。

多功能电制动缸具备自动制动、自动缓解、电控手动制动、电控手动缓解、机械手动制动、机械手动缓解、自动驻车、自动调整闸瓦间隙等功能,通过伺服电机确保输出力稳定准确,以取消传统闸调器。利用蜗轮、蜗杆单向自锁特性实现自动驻车功能,利用双向伸出转轴,实现自动及机械手动操作功能。通过设置在车辆上的按钮与驱动器,可电控手动制动及缓解,以利于现场换瓦作业。

为保证配件强度,铸件均采用C 级钢;考虑减摩性,蜗轮及转换螺母均采用铝青铜材料;为提高配件防尘、防水性能,密封件采用耐油耐寒橡胶;为防止钢与钢的对磨,伸缩杆的支承件采用改性尼龙材料。

1.2 工作原理

制动缸采用直流电驱动伺服电机,电机旋转驱动蜗杆,进而驱动与蜗杆相啮合的蜗轮,再由蜗轮带动内部的螺杆转动,螺杆上的转换螺母沿着螺杆的方向前后移动,伸缩杆与转换螺母为一体,在转换螺母的推动下相对于筒体前后伸缩运动,从而实现将电机的旋转运动转换成直线运动。

伺服电机的转轴从电机两端伸出,以保证电制动缸在电机失电的情况,亦可手动实施制动及缓解[6]。利用蜗轮蜗杆单向自锁特性,即只能蜗杆驱动蜗轮,蜗轮不能驱动蜗杆,实现自动驻车及制动保压功能。

2 主要技术参数的确定

2.1 适用环境温度

国内空气制动系统运用环境温度为-40～+40℃,110℃、3 h恢复常温能正常作用;部件应满足-50～+70℃运用要求。基于此,适应环境温度设定为-50～+70℃,110℃、3 h恢复常温能正常作用[7]。

2.2 重车紧急制动输出力

以制动能力符合《铁路技术管理规程》及TB/T 1407.1—2018《列车牵引计算 第1部分:机车牵引式列车》的相关规定进行核算。国内305 mm 空气制动缸在制动缸压力420 kPa、效率100%时提供的输出力为30.67 kN。以车辆倍率7.8、转向架倍率4考虑,同时电制动缸布置于车体的制动杠杆中部,则此时对应的电制动缸输出力为60.57 kN。经取整,电制动缸重车紧急制动输出力取不小于60 kN。

2.3 工作行程

国内空气制动缸全行程普遍为254 mm,以车辆倍率7.8、转向架倍率4考虑,同时电制动缸布置于车体的制动杠杆中部[8],此时电制动缸对应国内空气制动缸全行程的行程应为254×2×4÷(7.8+2×4)=129 mm。

由于电制动缸集成了闸调器功能,工作行程还应考虑车轮与闸瓦磨耗的影响。根据车轮闸瓦磨耗限度,车轮允许磨耗为27 mm,闸瓦允许磨耗为25 mm,轮瓦总磨耗为52 mm。则轮瓦磨耗引起的行程变化量为52×7.8×2×4÷(7.8+2×4)=205 mm。综上,经取整并预留一定制动能力提升空间,电制动缸的工作行程取350 mm。

3 主要技术参数及基本尺寸

多功能电制动缸的基本尺寸为:最短安装长度为1 110 mm,外套直径为80 mm,缸体内径为176 mm,蜗杆涡轮中心距为100 mm,主要技术参数如表1所示。

表1 电制动缸主要技术参数

4 技术特点

多功能电制动缸主要有以下特点:

(1) 采用电驱动,无需压力空气,彻底解决了传统空气制动缸漏泄故障。

(2) 采用伺服电机控制输出力,制动力输出稳定可靠,避免了传统空气制动缸输出力不稳定的问题。

(3) 制动、缓解双向驱动,解决了传统空气制动缸制动力与缓解力相互制约问题,缓解性能好。

(4) 无气动密封要求,检修周期更长。

(5) 集成自动驻车、自动调整闸瓦间隙功能,基础制动系统结构简单,列检作业量少,可靠性高。

(6) 具有自动、手动制动缓解功能,可适应多种应用工况。

5 结束语

本文研制的多功能电制动缸采用具有精准输出能力的伺服直流电机以及具有单向自锁特性的蜗轮蜗杆传动结构,实现了多功能、高集成、准输出设计,耗能清洁,节约能源,符合我国碳达峰碳中和发展战略,可为铁路货车电制动系统设计提供关键技术支撑。