一种机车车辆制动缸参数误差影响分析

郭 垒， 刘 鹏， 范志军

(1 中国铁道科学研究院 机车车辆研究所， 北京 100081；2 北京纵横机电技术开发公司， 北京 100094)



专题研究

一种机车车辆制动缸参数误差影响分析

郭 垒1， 刘 鹏1， 范志军2

(1 中国铁道科学研究院 机车车辆研究所， 北京 100081；2 北京纵横机电技术开发公司， 北京 100094)

制动缸是制动装置中的关键部件，其可靠性对机车车辆的安全有重大影响。介绍了一种制动缸的工作原理及其关键零件参数的意义。分析了关键零件参数误差对制动力和磨耗补偿的影响，以及参数出现误差时制动缸相应的调整策略。分析结果表明，该制动缸在参数出现误差后，有自适应调整能力，能可靠地完成机车车辆制动任务。

机车车辆； 制动缸； 间隙调整； 误差； 可靠性

速度为100 km/h以上的机车车辆的制动，主要采用盘形制动方式[1-2]。盘形制动装置主要包括制动缸和制动夹钳两部分[3]，其中制动缸提供驱动力，制动夹钳完成闸片与制动盘的接触，产生摩擦力实现制动。韩晓辉[4]等介绍了一种常用制动缸的工作原理。此制动缸设计巧妙、性能可靠，通过弹簧、离合器以及限位挡块等的相互作用，完成复杂的制动、缓解和调整等动作。

为保证上述制动缸正常工作，生产、装配、使用时，各个关键零件的尺寸、相对距离等参数均需要准确设定。但是在使用过程中，在振动、温度变化等各种不确定因素的影响下，制动缸的参数难免会出现误差。这些参数误差对制动缸性能所产生的影响，不仅反映了制动缸的可靠性，更关系到车辆运行的安全性。

本文对韩晓辉所研究的制动缸[4]做进一步分析，在简介制动缸工作原理的基础上，分析了关键零件参数误差对制动缸性能的影响，对制动缸的可靠性做出了评价。

1 制动缸参数及工作原理简介

制动缸整体结构的剖面图如图1所示。图中通过不同灰度区分显示了制动缸的3大功能机构：传力机构(完成制动和缓解)、丝杠复位机构(将补偿伸出的丝杠复位)和间隙调整机构(完成对闸片磨耗的补偿)[5]。

为方便起见，图2显示了制动缸工作过程中的关键零件及参数。其中，l为滚针轴承与调整圈的距离，a为挡块G与滚珠轴承的距离，k为离合器间隙。另外两个关键参数A和E未在图2中显示，其中参数A为作用行程，表示从缓解位到闸片接触制动盘时，丝杠移动的距离；参数E为弹性形变，表示从闸片接触制动盘到制动力达到要求时，丝杠移动的距离。定义L为闸片与制动盘之间的实际距离。制动缸装配工艺规定，各参数需满足等式

(1)

(2)

制动缸正常工作。

制动缸的工作流程及各流程序号如图3所示。将图3中每一步流程的工作原理做简要介绍，详细介绍参见文献[4]。

图1 制动缸剖面图

图2 关键零部件及参数示意图

图3 制动、缓解、补偿工作流程及序号

(1)作用行程。制动气压推动活塞、丝杠移动距离A，闸片与制动盘接触，挡块G接触滚珠轴承。引导弹簧使锥形离合器N和齿形离合器Z保持啮合状态。

(2)离合器转换。丝杠保持不动，制动气压推动活塞移动距离k。齿形离合器Z打开，锥形离合器D啮合。

(3)制动行程。制动气压继续上升，活塞和丝杠移动距离S，制动装置产生弹性形变E，制动力达到要求。离合器套和滚针轴承接触到调整圈，锥形离合器N打开。

(4)有磨耗时的制动。闸片出现磨耗V时，在制动气压作用下，丝杠、调整螺母和滚珠轴承移动距离V。引导螺母(螺纹非自锁)与滚针轴承的位移被调整圈限制，通过旋转补偿磨耗V。

(5)弹性返回行程。当制动气压降低时，制动装置的弹性回复力将丝杠和调整螺母推回距离E。锥形离合器N恢复啮合状态。

如果制动过程没有磨耗，滚珠轴承将再次与调整圈接触；如果有磨耗V，滚珠轴承与调整圈之间仍然存在距离V。

(6)补偿磨耗。复原弹簧和引导弹簧推动活塞返回，丝杠保持不动，锥形离合器D松开，调整螺母(螺纹非自锁)在调整弹簧作用下，沿着缓解方向旋转前进距离V，滚珠轴承再次接触到调整圈。

(7)离合器转换。丝杠保持不动，复原弹簧和引导弹簧克服调整弹簧的力，推动活塞继续移动距离k，锥形离合器D打开，齿形离合器Z啮合。

(8)返回行程。复原弹簧推动活塞、丝杠回退距离A至缓解位。

2 关键参数误差分析

制动缸工作流程的顺利进行，建立在等式(1),式(2)成立的基础上。等式(1),式(2)中，A为制动缸设计参数，E为与制动缸材料性能相关的固有参数。对于一个特定的确定了使用功能的制动缸，A和E为定值。参数L，a，l，k在制动缸安装、使用时，可能会出现误差，导致等式(1)(2)不成立，进而影响制动缸正常工作。表1显示了各参数产生的误差类型及原因。

表1 关键参数误差及原因

下面就参数误差对图3中各个工作流程造成的影响做具体分析。

(1)L偏小(设偏小量为Δ1)。影响流程1，3，4，6。流程1结束时，挡圈G未能与滚珠轴承接触。流程3结束时，滚针轴承未能与调整圈接触，锥形离合器N未能打开。流程4中，由于滚针轴承未与调整圈接触，对磨耗V的响应分两种情况：当V<Δ1时，不予补偿；当V≥Δ1时，开始补偿，补偿量为V-Δ1。流程6与流程4类似，当V<Δ1时，不予补偿；当V≥Δ1时，开始补偿，补偿量为V-Δ1。

可见，L偏小时，不会影响制动力，会影响磨耗补偿。当磨耗V≥偏小量Δ1时，制动缸开始补偿，并恢复正常工作。

(2)L偏大(设偏大量为Δ2)。影响流程1，3，4，6。流程1尚未结束时，挡圈G已经与滚珠轴承接触。流程3尚未结束时，滚针轴承已经与调整圈接触，锥形离合器N已经打开。流程4，6中，制动缸把Δ2认为是闸片的磨耗进行补偿。设制动缸完成一次制动动作最大补偿量为b。如果Δ2≤b，可以一次动作补偿完毕，并不影响制动力；如果Δ2>b，则需一次以上动作才能补偿完毕，补偿完毕前制动力将不足。

可见，L偏大时，偏大量Δ2被认为是闸片磨耗进行补偿。在补偿过程中，制动力不受影响；补偿完毕后，L恢复正常。值得一提的是，制动装置更换新的闸片后，L一般都会偏大，只需进行若干次制动动作，即可恢复正常。

(3)a偏小(设偏小量为Δ3)。影响流程1，5。流程1结束时，闸片与制动盘接触，滚珠轴承与调整圈已经分离，距离为Δ3。流程5中，弹性回复力释放后，滚珠轴承与调整圈尚存距离Δ3，活塞继续回复的过程中，锥形离合器D松开，调整螺母旋转补偿距离Δ3，滚珠轴承与调整圈接触。

可见，a偏小时，不会影响制动力和磨耗补偿。流程5结束时，调整螺母旋转补偿距离Δ3，使得a恢复正常值。

(4)a偏大(设偏大量为Δ4)。影响流程1，6。流程1结束时，挡块G未能与滚珠轴承接触。流程6中，由于a值偏大，调整螺母对磨耗V的响应分两种情况：当V<Δ4时，不予补偿；当V≥Δ4时，开始补偿，补偿量为V-Δ4。

可见，a偏大时，不会影响制动力，会影响调整螺母对磨耗的补偿。当磨耗V≥偏大量Δ4时，a的值会回复到正常值。

(5)l偏小(设偏小量为Δ5)。影响流程3。流程3尚未结束时，滚针轴承已经与调整圈接触，引导螺母开始旋转，流程3结束时，引导螺母补偿距离Δ5，l值恢复正常。

可见，l值偏小时，不会影响制动力和磨耗补偿，在流程3中，通过引导螺母的旋转补偿功能，l恢复到正常值。

(6)l偏大(设偏大量为Δ6)。影响流程3，4。流程3结束时，滚针轴承与调整圈尚有距离Δ6，锥形离合器N未能打开。流程4中，当出现磨耗V时，由于滚针轴承尚未与调整圈接触，引导螺母对磨耗的响应分两种情况：当V<Δ6时，不予补偿；当V≥Δ6时，开始补偿，补偿量为V-Δ6。

可见，l偏大时，不会影响制动力，会影响引导螺母对磨耗的补偿。出现磨耗时，调整螺母正常补偿，但是引导螺母不会立即补偿，这样导致a和L同时增大。当V≥Δ6时a和L增大Δ6，并且不再变化，式(1)(2)再次成立，制动缸恢复正常工作。

(7)k的偏差。会影响流程2，7。流程2，7中，活塞移动的距离会随k的变化而变化，但是不会影响到制动缸的正常工作，也不会引起其他参数的变化。

3 误差分析汇总及分析

由以上分析，得出了各种关键参数误差对制动力和磨耗补偿的影响，和制动缸恢复正常的方式，如表2所示。 首先分析对制动力的影响。由表2可以看出，制动缸的参数出现误差时，不会对制动力产生影响；所以，此制动缸工作非常可靠，即使参数出现误差，也不会影响制动力。

表2 误差类型及影响

其次分析制动缸可靠性的机理。此制动缸的间隙调整机构包括3个离合器(齿形离合器Z，锥形离合器D，锥形离合器N)，两个轴承(滚珠轴承，滚针轴承)，两个螺母(调整螺母，引导螺母)和3个定位装置(挡块G，调整圈的前后两侧)。这些装置不仅在制动缸装配时，保证了等式(1)(2)的成立，使制动缸正常工作；并且能够在制动缸使用时，等式(1)(2)的参数出现误差时，对误差做出自适应的补偿：当L发生变化时，能够自适应地补偿磨耗，当a、l发生变化时，能够自适应地消除误差。整个制动缸的所有动作的完成，无需传感器等电子装置，造价低,使用可靠，可以用于指导其他制动缸的设计。

4 结束语

介绍了一种用于机车车辆盘形制动的制动缸。首先简介了制动缸的组成、关键参数和工作原理。其次分析了关键参数的误差对制动力和磨耗补偿的影响，并研究了制动缸在出现误差后的调整。分析结果表明，该制动缸在参数出现误差后，有自适应调整能力，能可靠地完成机车车辆制动任务。

[1] 朱育权,马保吉,杜亚勤.制动盘(鼓)研究现状与发展趋势[J].西安工业学院学报，2001,21(1):73-79.

[2] 林祜亭,陈 洁,樊贵新,王新海.270km/h高速列车制动系统[J].铁道机车车辆，2003,23(S2):1-3.

[3] 霍 伟,陈炳伟,雷国伟.制动夹钳与制动缸试验用多功能集成装置设计[J].机车车辆工艺，2014,(4):27-28.

[4] 韩晓辉,杨伟君,范荣巍,王群伟.地铁、城轨车辆用盘形制动缸作用原理分析[J].中国铁路，2010,(08):67-71.

[5] 何 晔,胡 彦.广州地铁增购车辆制动单元间隙调整器失效问题分析与处理[J].电力机车与城轨车辆,2014,37(03):83-84.

Parameter Error Influence Analysis of a Brake Cylinder for Rolling Stocks

GUOLei1，LIUPeng1，FANZhijun2

(1 Locomotive & Car Research Institute, China Academy of Railway Sciences, Beijing 100081, China； 2 Beijing Zongheng Electro-mechanical Technology Development Company，Beijing 100094, China)

Brake Cylinders are the key components in braking devices, of which the reliability have a big influence to the safety of rolling stocks. The working principle of a cylinder and the significance of the key parameters are introduced. The key parameter error influence on braking force and wear compensation are analyzed. The adjustment of the cylinder to parameter errors is also analyzed. According to the results of the analysis, when parameter errors occur, this cylinder has the ability of adaptive adjustment and can reliably accomplish the brake tasks for rolling stocks.

rolling stocks; brake cylinder; clearance adjustment; error; reliability

1008-7842 (2015) 03-0033-03

男，助理研究员(

2015-01-20)

U260.351

A

10.3969/j.issn.1008-7842.2015.03.08