铁路货车车辆制动技术

赵宏伟

（中车齐齐哈尔车辆有限公司质量管理部高级工程师黑龙江齐齐哈尔161002）

摘要：针对铁路货车普遍的闸瓦磨耗不均匀及不易缓解等现象，运用解析法和多体动力学仿真分析法，预测了集成制动系统的制动和缓解性能。首先，根据其结构组成和工作原理，计算各闸瓦压力和缓解阻力；然后，在RecurDyn软件中建立虚拟样机，针对制动、缓解两种工况分别进行仿真试验，分析各闸瓦的压力分布、缓解时间、缓解阻力、缓解位移，从而预测制动系统的制动和缓解性能。研究发现集成制动装置制动时，L1位制动力比L2位大8.47%，L1位比R1位大5.51%，可能导致踏面磨耗不均匀；缓解时，各闸瓦缓解时间基本相同，当摩擦系数设为0.15时，可保证缓解时各闸瓦的缓解位移均匀及各轮瓦的间隙相同。预测结果为铁路货车集成制动系统的运用改善及国产化提供理论参考依据。

关键词：集成制动系统；制动和缓解性能预测；多体动力学分析；RecurDyn

引言

通过多年研究与发展，我国货车转向架已基本定型，所以改善制动装置成为铁路货车发展的关键。我国传统的制动装置受结构位置的限制，甚至需要多级杠杆进行传动，制动装置的布局较为复杂，不但降低了传动效率，也降低了制动与缓解的可靠性，不能满足我国货车发展的需求。集成制动系统是指制动缸集成在转向架上，每个转向架可作为独立的制动单元控制车辆制动与缓解的制动系统，由于省去了大量的杠杆结构，具有结构紧凑、传动效率高、安装方便、质量轻等优点。

1结构与工作原理分析

1.1组成结构

集成制动装置主要由主制动梁、副制动梁、主制动杠杆、副制动杠杆、制动缸、推杆、闸瓦间隙调节器（闸调器）、闸瓦等部件组成。制动缸固装在制动梁上，主、副制动杠杆通过制动梁支柱水平安装，缸内推出的制动力通过主制动杠杆、闸调器、副制动杠杆和推杆在同一水平面内传递。

1.2工作原理分析

当车辆实施制动时，压力空气充入制动缸内推动活塞运动，制动力通过活塞杆传出带动主制动杠杆绕制动梁支柱转动，同时主制动梁有向轮对方向的运动趋势。主制动杠杆推动闸调器，将制动力传递到副制动杠杆端，带动副制动梁向车轮方向运动，使闸瓦与踏面接触实施后轮对的制动。副制动杠杆转动的同时带动推杆移动，将力传递到制动缸后侧，推动前制动梁实施前轮对的制动[1]。当车辆实施缓解时，在主、副制动梁自身重力的作用下滑块沿滑槽方向下滑，同时制动缸内的缓解弹簧被压缩后产生回复力，推动活塞反向运动，促使制动梁带动闸瓦与轮对踏面分离，使得制动装置缓解。

2仿真实验方案设计

2.1建立多体动力学模型

首先，建立集成制动装置虚拟样机模型。在Pro-E软件中建立好制动装置的三维模型，保存为SETP格式后导入到RecurDyn软件中。

然后，对虚拟样机进行简化处理。为提高仿真速度，突出研究重点，需简化虚拟样机模型，如删掉虚拟样机中不影响制动缓解运动的固定部件，对理论上不存在相对运动的部件进行合并及布尔加操作等。

最后，对虚拟样机模型添加接触、约束和外载荷。在各接触面间添加接触，定义相应的刚度、阻尼、摩擦因素，对需要限制自由度的部件添加约束，如滑槽、轮对与大地间添加固定副等。外部载荷即制动力与缓解力。在制动试验中，添加由制动缸直接对活塞杆施加的外部载荷—制动力P，按制动缸内压强值和活塞面积计算出P=19445N，由于制动缸内进出气是渐变的过程，所以通过STEP函数控制制动力变化。实际缓解弹簧需提供的缓解力为700N，实验中通过定义弹簧的自由长度、刚度、阻尼等参数来实现[2]。

2.2试验工况设计

（1）制动试验。制动力函数从0逐渐增大到P，然后保持最大值不变，使机构最终达到动态平衡状态。由于制动时，各位闸瓦压力不均会导致车轮轮缘和踏面磨耗不均，甚至轮径超差，影响车辆的正常运行，引发事故，因此以同轴和同侧的闸瓦压差为评价指标，分析闸瓦压力的分布均匀性，从而预测制动装置的制动性能。

（2）缓解试验。制动力函数从0逐渐增大到P，然后逐渐减小到0，缓解弹簧受压缩后施加反向力于活塞杆上实施缓解。缓解时间反映各闸瓦缓解的同步性，缓解阻力反映各闸瓦缓解的难易程度，缓解位移的大小反映各闸瓦的缓解状态。因此以各闸瓦的缓解时间、缓解阻力、缓解位移为评价指标，分析制动装置的缓解性能。实验定义闸瓦与车轮踏面间的接触正压力连续为0时为缓解，考虑滑槽磨耗板与滑块间摩擦系数的改变对机构缓解性能的影响，根据《铁路货车组合式制动梁滑块磨耗套技术条件（试行）》，分别设置0.05、0.07、0.09、0.11、0.13和0.15六种摩擦系数进行对比实验。

3试验结果分析

3.1制动试验结果分析

（1）同侧闸瓦正压力分布情况：L1位比L2位大8.47%，R1位比R2位大3.44%，制动装置L侧轮瓦压差较大，R侧分布较为均匀；

（2）同轴两瓦压力分布情况：L1位比R1位大5.51%，L2位比R2位大0.62%，主制动梁轮瓦压差较大，副制动等压力分布均匀。由此可见，集成制动装置轮瓦压力分布不均匀，主制动梁上有制动缸侧L1位闸瓦正压力明显偏大，副制动梁侧两闸瓦正压力大小基本相当。在实际运行时，经过反复多次制动后，易产生车轮踏面不同程度的磨耗现象，导致轮径差超差。

3.2缓解试验结果分析

（1）各位闸瓦的缓解时间：同一制动梁两闸瓦的缓解时间基本相同，副制动梁两闸瓦缓解同步性更好，主制动梁闸瓦R1位的缓解时间比L1位略短；总体上各位闸瓦缓解时间相差甚微，几乎同时缓解；

（2）各位闸瓦的缓解阻力：主制动梁的摩擦阻力大于副制动梁，且主制动梁有制动缸端L1位的摩擦阻力略大于无制动缸端R1位，副制动梁R2位摩擦阻力略大于L2位；随着摩擦系数的增大，各制动梁的摩擦阻力基本呈线性增长，且主制动梁比副制动梁增长幅度大，主、副制动梁的阻力差值也随之增大；

（3）各位闸瓦的缓解位移：同侧两闸瓦缓解位移量大体趋势呈负相关，即L1位减小，L2位增大；R1位减小，R2位增大。且随着摩擦系数的增大，各位闸瓦的缓解位移大小逐渐趋于相同，当摩擦系数为0。15时，各闸瓦缓解位移约为8mm左右，可以保证制动系统良好缓解状态[3]。

根据（1）可得，集成制动装置闸瓦缓解具有同步性，特别适合长大下坡时的阶段缓解，可以保证列车平稳的减速与运行的安全；结合（2）、（3）可得，当摩擦系数较小时，副制动梁的缓解阻力大于主制动梁，表现为主制动梁的缓解位移量大于副制动梁，前轮对闸瓦间隙大于后轮对；随着摩擦系数的增大，主、副制动梁滑槽与滑块间的摩擦阻力差值也随之增大，则主制动梁位移量逐渐减小，副制动梁位移量逐渐增大。因此选择合适的滑块与滑槽间摩擦系数，使主、副制动梁轮瓦间隙也趋于相等。实验数据显示，当摩擦系数为0.15时，可使机构均匀缓解。

结束语

集成制动装置各位闸瓦缓解时间相差甚微，具有良好同步性，非常适合长大下坡时的阶段缓解，可以保证列车平稳的减速与运行的安全。当滑槽磨耗板与滑块间摩擦系数很小时，由于两制动梁受机构间相互牵制作用，副制动梁的缓解阻力略大于主制动梁；但主制动梁比副制动梁的受摩擦阻力大，且差值与摩擦系数成正比，当摩擦系数增大至0.15时，两制动梁受摩擦阻力之差正好补偿机构间的相互牵制作用，实现主、副制动梁所受的缓解阻力相等。

参考文献：

[1]万学泉.铁路货车车辆制动技术[J].科技传播，2013（2）：108-109.

[2]谢澄宇.铁路货车车辆制动技术[J].城市建设理论研究：电子版，2015，5（14）.

[3]李小冬.铁路货车车辆制动技术[J].工程技术：全文版，2016（12）：00279-00279.