铁路货车转向架基础制动装置技术分析

孙家锋， 刘振明， 陆正涛

(1　大连交通大学　交通运输工程学院， 辽宁大连 116028；2　中车齐齐哈尔车辆有限公司　大连研发中心， 辽宁大连 116045)

铁路货车转向架的基础制动装置分盘形制动和踏面制动两大类，前者多用于速度较高的焊接构架式转向架，后者多用于速度为120 km/h及以下的焊接构架式及铸钢3大件式转向架；盘形制动又包括轴盘制动、轮盘制动2种，踏面制动包括传统的杠杆式制动装置和转向架安装式制动装置2种。盘形制动装置中，无论轴盘还是轮盘制动，结构都是制动缸驱动制动钳夹住制动盘产生制动力，机构比较简单；杠杆式制动装置和转向架安装式制动装置又各有不同的具体结构，常用的如表1所示，文中对这两种踏面制动进行分析。

1　制动装置分类(表1)

表1　踏面式转向架基础制动装置

2　制动倍率计算

按照基础制动装置制动倍率的定义，制动时制动缸传至转向架的作用力经转向架杠杆机构扩大的倍数，称之为转向架的制动倍率，即

(1)

式中n为制动倍率；Pi为第i个闸瓦的制动力；F为制动缸传至转向架基础制动装置的作用力；

对各种制动装置进行受力分析，列出力和力矩平衡公式，即可求出其制动倍率。

2.1　杠杆式制动装置

2.1.1下拉杆式制动装置(见图1)

根据受力分析，在将力与杠杆垂直方向的夹角归到效率中考虑后，通过力和力矩平衡式，可求出下拉杆式制动装置的制动倍率计算如式(2)所示。

(2)

式中n为制动倍率；a为游动杠杆上部长；b为游动杠杆下部长；c为固定杠杆上部长；d为固定杠杆下部长。

图1　下拉杆式制动装置

2.1.2中拉杆式制动装置(见图2)

根据受力分析，在将力与杠杆垂直方向的夹角归到效率中考虑后，通过力和力矩平衡式，可求出中拉杆式制动装置的制动倍率计算如式(3)所示。

(3)

式中n为制动倍率；a为游动杠杆上部长；b为游动杠杆下部长；c为固定杠杆上部长；d为固定杠杆下部长。

图2　中拉杆式制动装置

2.2　转向架安装式制动装置

2.2.1TMX、UBX制动装置(见图3)

根据受力分析[1]，在将力与杠杆垂直方向的夹角归到效率中考虑后，通过力和力矩平衡式，可求出TMX、UBX制动装置的制动倍率计算如式(4)所示。

(4)

式中n为制动倍率；a为制动缸端杠杆主动端长；b为制动缸端杠杆被动端长；c为非制动缸端杠杆被动端长；d为非制动缸端杠杆主动端长。

2.2.28500型制动装置(见图4)

根据受力分析，在将力与杠杆垂直方向的夹角归到效率中考虑后，通过力和力矩平衡式，可求出8500型制动装置的制动倍率计算如式(5)所示。

(5)

式中n为制动倍率；a为游动杠杆上部长；b为游动杠杆下部长；c为固定杠杆上部长；d为固定杠杆下部长。

图3　TMX、UBX制动装置

图4　8500制动装置

2.2.3TMB-60制动装置(见图5)

根据受力分析，在将力与杠杆垂直方向的夹角归到效率中考虑后，通过力和力矩平衡式，可求出TMB-60制动装置的制动倍率计算如式(6)所示。

(6)

式中n为制动倍率；a为三角杠杆主动端长；b为三角杠杆被动端长。

2.2.4QB-13制动装置(见图6)

根据受力分析，在将力与杠杆垂直方向的夹角归到效率中考虑后，通过力和力矩平衡式，可求出TMB-60制动装置的制动倍率计算如式(7)所示。

(7)

式中n为制动倍率；a为制动缸端杠杆长；b为闸调器端杠杆长。

图5　TMB-60制动装置

图6　QB-13制动装置

2.2.5WABCOPAC制动装置(见图7)

WABCOPAC制动装置有2个制动缸、2个推杆，推杆的力等于制动缸的力[2]，每个制动梁的制动力等于2个推杆的力，通过力和力矩平衡式，可求出该系统的制动倍率为2个制动梁的力之和除以2个制动缸的力，即(2+2)/2=2。

图7　WABCOPAC制动装置

2.2.6BCFB制动装置(见图8)

BCFB制动装置靠楔形效应增力，它有2个制动缸、2个推杆，根据受力分析，每个制动梁的制动力等于2个推杆的力乘以楔形增力倍数，经列力和力矩平衡式，可求出该系统的制动倍率为2个制动梁的力之和除以2个制动缸的力，即它的制动倍率计算如式(8)所示。

(8)

式中n为制动倍率；α为制动缸推出端斜楔角度。

图8　BCFB制动装置

2.2.7CFCB制动装置(见图9)

根据受力分析，在将力与杠杆垂直方向的夹角归到效率中考虑后，通过力和力矩平衡式，可求出CFCB制动装置的制动倍率计算如式(9)所示，它与TMB-60制动装置的计算方法相同。

(9)

式中n为制动倍率；a为三角杠杆主动端长；b为三角杠杆被动端长。

图9　CFCB制动装置

2.2.8DAB-1制动装置(见图10)

根据受力分析，在将力与杠杆垂直方向的夹角归到效率中考虑后，通过力和力矩平衡式，可求出DAB-1型制动装置的制动倍率计算如式(10)所示。

(10)

式中n为制动倍率；a为游动杠杆上部长；b为游动杠杆下部长；c为固定杠杆上部长；d为固定杠杆下部长；k为气缸活塞面积与油缸活塞面积比。

图10　DAB-1型制动装置

3　制动效率和缓解性能对比

3.1　杠杆式制动装置

制动效率方面，杠杆式制动装置的制动效率与结构型式、销孔间隙、杠杆角度有关。从结构型式上看，下拉杆式制动装置由于整体重心偏重小[3]，效率高于中拉杆式制动装置，吊挂式制动梁的高于滑槽式制动梁的，滚子式制动梁的高于滑块式制动梁的；从销孔间隙上看，间隙大的效率高于间隙小的；从杠杆角度上看，竖直杠杆的因为不存在空、重车状态固定杠杆支点座位置变化导致的制动装置之间配合不当问题，因此效率高于斜式杠杆。

缓解性能与制动效率是一个问题的两面，因此，下拉杆式制动装置的缓解性能优于中拉杆式制动装置。

3.2　转向架安装式制动装置

制动效率方面，转向架安装式制动装置的制动效率因结构各异，各不相同，但从理论角度仍遵循上述基本原理，即不偏重的、采用吊挂式制动梁的、销孔间隙大的、杠杆竖直放置的(即圆销水平放置的)、机构简单及摩擦环节少的、制动缸内不带缓解弹簧的效率高，而偏重的、采用滑槽式制动梁的、销孔间隙小的、杠杆水平放置的(存在杠杆因重力产生的与其他件之间的摩擦)、机构复杂及摩擦环节多的、制动缸内带缓解簧的效率低。值得说明的是，除上述理论因素外，制动效率还与每种制动装置的具体设计细节有关，比如杠杆受力与杠杆体轴线接近垂直位的效率高于远离垂直位的，摩擦环节表面摩擦系统小的效率高于摩擦系统大的等。

同理，缓解性能方面，制动效率高的缓解性能也好；唯一例外的是，带有缓解簧的缓解性能高于不带缓解簧的。另外，缓解性能还与制动装置两制动梁的质量是否均匀有直接关系，均匀的两个制动梁基本同步缓解[4]，而如果两者质量相差悬殊的话，质量大的制动梁的重力引起的分力会通过推杆加在另一个制动梁上，阻碍其缓解。TMB-60、CFCB两种制动装置就属此类，实践中已证明在缓解状态TMB-60制动装置不带制动缸的制动梁受带制动缸制动梁的重力影响不易缓解，闸瓦仍贴靠车轮，导致车轮磨耗严重。

4　结束语

各种制动装置都有其各自的特点和优缺点，适应不同的情况。例如杠杆式制动装置中，虽然下拉杆式制动装置在很多方面优于中拉杆式制动装置，尤其在避免制动梁横移从而导致同一轮对两车轮非对称磨耗方面[5]，但是它不能用于下交叉支撑式转向架，且装用下拉杆式制动装置的转向架摇枕不能适应装用某些转向架安装式制动装置(例如TMX制动装置)，因此中拉杆式制动装置仍然有大量应用；再比如，TMB-60制动装置虽然缓解性能不好，但是其推杆在两侧下方，不用穿过摇枕孔，因此摇枕易于设计，在一些特殊条件下也可以采用。

对于铁路货车来说，选择基础制动装置时应根据该系统的制动效率、缓解性能、安装拆卸方便性、占用空间、互换性、可靠性、检修维护成本、质量大小等多方面指标，结合车辆本身的使用条件、转向架结构型式特点等，进行综合考虑后确定。