大型养路机械基础制动装置的研制
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摘 要
针对车轴齿轮箱安装空间大的特点，根据设计要求，提出了一种单元制动缸下置的基础制动装置。介绍了该基础制动装置的主要结构及工作原理，通过对紧急制动距离、停放制动力的校核计算及试验验证，表明该基础制动装置能满足新车型的制动要求。
关键词
基础制动装置;单元制动缸;制动杠杆;闸瓦倾角调整机构
中图分类号： U27 文献标识码： A
DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457 . 2020 . 08 . 35
Abstract
According to the characteristics of large installation space of axle gearbox and the design requirements. This paper presents a basic brake device with unit brake cylinder under it. This paper introduces the main structure and working principle of the basic braking device. Through the checking calculation and test verification of the emergency braking distance and parking braking force， it shows that the basic braking device can meet the braking requirements of the new model.
Key words
Basic brake device; Unit brake cylinder; Brake lever; Adjustment mechanism of brake shoe angle
大型养路机械各驱动车轴齿轮箱间通常采用万向传动轴的连接方式，在连挂运行过程中需拆除万向传动轴，给用户带来很大的不便。为了解决这一问题，新的大型养路机械开始采用不需拆卸万向传动轴的车轴齿轮箱。但车轴齿轮箱相比传统的占用空间更大，与大型养路机械常用的杠杆式基础制动装置存在干涉，导致传统的基础制动装置无法安装在新的大型养路机械构架上。因此需研发设计一种满足大型养路机械使用工况，兼容新车轴齿轮箱安装空间，结构更为紧凑的基础制动装置。
1 设计要求
根据GB/T 25337-2018《铁路大型养路机械通用技术条件》要求，大型养路机械轴重应控制在23t以内[1]。设计时按整车布置4根车轴考虑，整车重量约为92t，车轮直径为920mm（新轮）/895mm（半磨耗），轴距为1800mm。要求新设计的大型养路机械以80km/h的速度运行时，平直道上的紧急制动距离不超过630m，并能在20‰的坡道上安全停靠[1]。
2 主要结构及工作原理
2.1 主要结构
新设计的基础制动装置如图1所示，主要由单元制动缸、吊座组成、制动杠杆、闸瓦托、闸瓦及闸瓦倾角调整机构等组成。采用一台转向架布局两套单元制动缸的方式，单元制动缸安装在两闸瓦托之间，制动时推动闸瓦压向轮对，实施制动。4个吊座组成焊接在转向架上，将整套基础制动装置吊装在转向架上。制动杠杆连接单元制动缸、闸瓦托等部件，并与摩擦片、摩擦块、碟簧、闸瓦托等构成闸瓦倾角调整机构，是制动力的传递部件。
2.1.1 单元制动缸
传统的杠杆式基础制动装置必须配置手制动机，以满足整车在坡道上安全停靠，工作时，操作者需转动手轮直至停放制动力施加，劳动强度较大。随着闸瓦与车轮的磨耗，操作人员还必须通过调整螺母，使闸瓦间隙始终保持在规定的范围内。为了减轻劳动强度和操作工序，新设计的基础制动装置选用了具有闸瓦间隙自动补偿及停放制动能力的单元制动缸。每个单元制动缸可依靠弹簧施加停放制动，输出1.1t的停放制动力，并可通过压力空气缓解停放制动。
2.1.2 制动杠杆
根据相关资料并参考部分车型，制动杠杆长度按车轮半径的80%左右设计，为避免车轮回转方向对闸瓦压力的影响，布置制动杠杆时将闸瓦下移，使闸瓦托和车轮中心的连线向下倾斜，尽量使该连线与制动杠杆相垂直。考虑到运用中闸瓦和车轮都在不断地磨耗和更换，设计时按磨耗中期（半磨耗13.5mm）状态来布置，闸瓦中心比车轮中心低60mm（参考值：40～110 mm）[2]。
（1）制动杠杆结构。
根据制动计算，制动力不需要放大，制动杠杆只是作为制动力的传递部件，制动杠杆结构示意图如图2所示，通过销轴将单元制动缸、制动杠杆、闸瓦托连在一起。
（2）制动杠杆强度计算。
制动杠杆采用Q235A板材制作，为了验证制动杠杆在各载荷工况作用下应力与位移的分布，采用有限元分析软件对制动杠杆进行了结构强度与刚度分析。根据TB/T 1335《铁道车辆强度设计及试验鉴定规范》中9.5.2规定，制动杠杆的最大应力不得超过136N/mm2[3]。通过有限元分析软件，得出的仿真结果如图3所示：制动杠杆的最大应力为53.76N/mm2，满足TB/T 1335《铁道车辆强度设计及试验鉴定规范》的要求。
2.1.3 闸瓦倾角调整机构
闸瓦倾角调整机构采用铰链摩擦式结构，实现闸瓦运用过程中倾角自动调节的功能，确保闸瓦与踏面良好接触，均匀磨耗。
调整机构的摩擦片固定于制动杠杆上，并伸入闸瓦托中與两个摩擦块接触，摩擦块由安装在闸瓦托上的碟簧压紧，如图4所示。制动时闸瓦贴靠在车轮上，闸瓦在制动力的作用下调整相应角度，使制动力指向车轮中心方向;缓解时闸瓦随闸瓦托、制动杠杆等一起运动，由于碟簧的作用闸瓦保持上一次制动时的角度状态。当闸瓦、车轮磨耗时，倾角调整机构在制动力作用下自动调整，保证制动时力的有效传递，以及缓解时闸瓦不搭靠在车轮上，防止闸瓦偏磨。 2.2 工作原理
新设计的基础制动装置可实现车辆高速运行时的空气制动及车辆停靠后的驻车制动。
2.2.1 高速运行
当车辆施加制动时，压力空气进入单元制动缸，推动制动缸的塞杆伸出，制动杠杆以吊座组成的销轴为中心顺时针转动，随着制动杠杆的转动，闸瓦托上的闸瓦压在轮对上。由于空气制动力远大于碟簧对闸瓦托的预紧力，闸瓦托以制动杠杆的中部销轴为中心顺时针转动，闸瓦沿着轮缘的弧度贴紧轮对，使制动力保持最大。
当车辆需要缓解时，压力空气从单元制动缸中排出，制动缸的活塞杆在内部弹簧的作用下缩回，制动杠杆以吊座组成的销轴为中心逆时针转动，带动闸瓦托使闸瓦与轮对分开。由于碟簧的作用，闸瓦保持在上一次制动时的角度状态，使闸瓦脱离车轮上。
2.2.2 驻车制动
驻车制动只需按下面板上的停放施加或停放缓解按钮就可以快速的施加或缓解驻车制动。
当车辆施加驻车制动时，压力空气从停放缸中排出，停放缸的活塞杆在内部弹簧的作用下伸出，制动杠杆以吊座组成的销轴为中心顺时针转动，随着制动杠杆的转动，闸瓦托上的闸瓦压在轮对上。
当车辆缓解驻车制动时，压力空气进入停放缸，使停放缸的活塞杆克服弹簧作用力缩回，制动杠杆以吊座组成的销轴为中心逆时针转动，带动闸瓦托使闸瓦与轮对分开。当车辆无法提供压力空气时，也可通过手动拉动缓解手柄，缓解驻车制动。
3 制动计算及校核
新设计的基础制动装置的制动缸径为255mm，制动倍率为2，驻车制动力为8.8KN，取制动效率为0.9[4]，空走时间为2.5s，摩擦系数根据经验公式计算[5]。当车辆以80km/h速度运行于平直道上单纯施行紧急制动时，制动距离约为545m。在20‰的坡道上驻车制动的防滚动摩擦系数为1.2，防滑动安全系数为5.6，满足驻车停靠的要求。
2019年3月新设计的基础制动装置已安装在新车型上，实物如图5所示。2019年10月进行了整车的制动距离试验，试验结果表明：当车辆以80km/h速度运行于平直道上单纯施行紧急制动时，制动距离约为562m与理论计算值接近，满足制动距离不超过630m的设计要求。
4 结论
新研制的基础制动装置具有结构紧凑、闸瓦倾角自动调整、闸瓦间隙自动补偿的优点，能兼容车轴齿轮箱大的特点，并且代替了手制动机，减轻了操作者的劳动强度。通过理论计算及试验验证，新研制的基础制动装置满足大型养路机械的设计要求，可应用于车轴齿轮箱大的车型上。
参考文献
[1]中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会. GB/T 25337-2018 铁路大型养路机械 通用技术条件[S].北京：中国标准出版社，2005.
[2]毛必显.大型养路机械YZ-1型空气制动机（第二版）[M].成都：西南交大出版社，2006.
[3]中华人民共和国铁道部. TB/T 1335-1996.铁道车辆强度设计及试验鉴定规范[S].
[4]许洪春.养路机械基础制动装置实际传动效率分析方法探討[J]. 铁道建筑，2011，（7）：134-137.
[5]中华人民共和国铁道部.TB/T 1407-1998.列车牵引计算规程[S].北京，中国铁道出版社，1998.
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