・动态・综述・　文章编号:100726077(2001)0120001206高速列车轮装式盘形制动器的开发[英国]M.T irovic摘　要:介绍了高速列车动车轮装式盘形制动器的开发情况。

这种制动盘由用螺栓连接到轮毂的两个圆环组成,车轮两侧各装一个。

在制动盘的最初设计阶段就大量采用有限元法。

这大大缩短了开发时间,并成功设计出在恶劣工况的载荷下使用的制动盘。

在开发过程中发现,对总的热效应进行计算机模拟是形状优化和预测圆盘总体特性最有效的方法,而要确定更详细的设计公差还需进行更加细致的分析。

测功试验和装车试验结果与理论结果之间有很好的相互关系,并表明这种设计完全能适应所要求的载荷。

关键词:盘形制动器;轮装式;高速列车;有限元分析;制动盘中图分类号:U260.351 文献标识码:AAbstract:T h is paper describes the developm en t of a w heel2m oun ted disc b rake fo rthe pow er car of a h igh2sp eed train.T he disc design con sists of tw o rings bo lted onto the w heel hub,one either side of the w heel.T he fin ite elem en t m ethod w as u sedex ten sively from the very beginn ing of the design p rocess.T h is con siderab ly re2 duced developm en t ti m e and enab led the successfu l design of a disc fo r an ex trem elysevere du ty.M odelling of bu lk ther m al effects w as found to be m o st effective fo rshap e op ti m izati on and p redicti on of global disc behavi ou r,w ith m o re soph isticatedanalyses requ ired to deter m ine m o re detailed design li m its.R esu lts from dynam om e2 ter tests and veh icle trials gave good co rrelati on w ith theo retical resu lts and p rovedthe design su itab ility fo r the requ ired du ty.Key words:disc b rake;w heel2m oun ted typ e;h igh2speed train;fin ite elem ecn t analy2 sis;b rake disc1　引言由于空间的限制,铁道车辆驱动轴的制动尤其困难。

动力传动部件占了相当的空间,因而留给装用在从动轴(拖车车轴)上相同制动装置的安装空间常常就很有限了。

因此,要安装轴装式盘形制动器,尽管每轴只装一个盘,都是不可能的。

通常不大要求对驱动轴实施常规摩擦制动,因为实际上采用的是动力制动。

然而,万一动力制动失灵,那么实施紧急制动时对驱动轴摩擦制动器的要求就要高得多。

为了对驱动轴实施有效制动,开发了一系列制动装置,其中有些只适用于如传动闸的某些应用领域,而有些也适用于拖车轴制动,例如,踏面制动装置和轮装式制动装置。

就空间要求而言,最老式的踏面制动装置的优点十分明显。

制动装置不需要有旋转部分,因为车轮本身在旋转。

这就有了安装空间大的优点,且同时大大节省了成本,减小了质量(重量)。

这项技术人人皆知,而其缺点也同样如此,主要缺点有:能量耗散能力有限、车轮踏面磨耗大和车轮损坏快。

踏面制动装置与车轮踏面修整有关的另一大缺点是,在轮轨界面产生的噪声。

“不良”的车轮表面使得车辆产生的噪声更大,尤其是高速车辆。

传动闸也具有某些优点,因为其旋转速度比车轮速度高,这样就有比例地减少了转矩要求。

然而,空间限制、可接近性、高旋转速度以及因传动轴断裂而致使制动器失效,均限制了传动闸的应用。

现在已开发和应用了各种不同型式的轮装式制动装置。

除在车轴周围提供更多的空间外,它们的主要优点还有简化了车轴的设计,因为不需要轴“座”。

轮装式制动盘很容易装到通常由踏面制动装置制动的车轴上,但制动装置固定到车轮上的方法则有所不同。

它们可固定到轮毂、轮辐或踏面上,装在专用的托板上,或用螺栓直接连接到车轮上。

这种制动盘可以是连续的或拼装的环形。

通常,车轮两侧安装的部件相同。

轮装式制动盘既适用于装有小直径车轮的车辆(有相对较大的圆盘的安装空间,且离地面间距合适),也适用于要求车轴上端有空间(共用转向架)时装有大直径车轮的车辆。

这使它们非常具有吸引力,不仅仅可用于动车车轴,而且还可用于客车和货车的拖车车轴。

轮装式制动盘的型式和应用各不相同,有供低速客、货车用的,也有供最高速度为200km h左右的客车用的。

与轴装式制动盘相比,轮装式制动盘的主要优点是受热的方式。

制动盘的两个圆环(车轮两侧各有一个)只有一个摩擦(受热)面,而轴装式制动盘则两侧(摩擦面)受热,使对称受热至圆盘中平面。

靠近制动面的高温度梯度使得在与圆盘制动面垂直方向的热量扩散大为不同。

这尤其不会影响轴装式制动盘摩擦面球形几何形状,因为这两个摩擦面是连接在一起的,若是实心盘,则是一体式的,或在通风式制动盘上通过散热筋(散热片或 和散热柱)连接的。

因此,各摩擦面上锥形面的形成并不十分重要,盘形制动器的设计人员应主要考虑圆盘的膨胀控制。

然而,就轮装式制动盘而言,每一个圆环都是独立的(在车轮的两侧),而且若没有足够的约束力,由于热负荷只作用于一侧,它就会出现大的变形(锥形面)。

在设计中,运用了一些特殊的设计特性,使圆盘的变形量不超出可以接受的范围,这往往要求增加车轮轮孔的机加工量,而这又进一步增加了生产成本、复杂程度及车轮的负荷。

制动盘与车轮的紧接触会导致车轮受热和失效,而且必须采取措施尽量减少热量向车轮的传递。

因此,轮装式制动盘的载荷被限制到较低的水平,此时每个制动盘最大的能量耗散量通常在10M J以下。

2　制动盘的设计要求研究中的制动盘的设计过程源于要求为法国国营铁路公司(SN FC)的T GV动车提供轮装式制动盘。

规定的设计要求被视为最基本的要求,而且在设计过程中,还考虑了其它可能的应用领域。

设计要求中的关键部分列于表1。

此外,这种制动圆盘必须是整体锻钢件。

为了与制动盘的发展同步,某些设计规程也作了进一步的修改而形成了标准。

就该制动盘的设计而言,所采用的最重要标准是法国国家标准N F F11-414(几何形状)和N F F11-416(材料要求)。

表1　制动盘的设计要求项 目参 数最高速度320km h最大能量22M J制动质量5500kg减速度:320～215km h1.0m s2 215～0km h1.3m s2制动盘外径780mm制动盘内径450mm磨耗限度7mm 侧预计使用寿命4.5×106km车轮直径(新轮)920mm车轮(轮毂)的公称定位直径316mm制动盘允许的最大永久变形(形成锥形面)1.0mm3　制动盘材料制动盘材料是由SAB W ABCO公司根据其在设计和制造大功率钢质盘方面的经验选定的。

他们提出采用经锻造、淬火和回火的类似于15CDV6的钢。

这种材料最终为SN CF所接受。

表2中列出了这种钢材的化学成份,而表3则列出其机械性能。

制动盘的质量要求非常严格。

对每个热处理批次,所有的机械性能都要进行检测,而且对每只盘还要进行硬度测定。

质量要求中还包括:对已经机加工检验过的制动盘进行全浸入式超声波检查、对全机加工和平衡过的制动盘进行磁粉探伤以及对每个盘进行最终的尺寸检查。

表2　制动盘用钢的化学成份化学元素含量 %碳0.15～0.18硅0.20(最大)锰0.8～1.1磷0.015(最大)硫0.015(最大)铬1.25～1.50钼0.80～1.10钒0.20～0.30表3　制动盘用钢的机械性能机械性能要求值抗拉强度1030～1250M Pa屈服强度(0.2%)≥900M Pa延伸率≥10%硬度331～388HB冲击韧性(U形槽)≥23J4　盘形制动器的开发4.1　开发背景将轮装式制动盘应用到新型T GV动车(老式动车采用了踏面制动)上的主要原因是在高速下增加负载及降噪(受踏面制动“限制”的车轮产生的)的要求。

最基本的要求是将制动盘用螺栓连接到轮毂上,这实际上简化了车轮设计,并将制动器传递到车轮的负荷减至最低。

尽管有些轮(毂)装式制动盘采用了类似的固定方法,但有关负载、尺寸和某些设计要求使得这种制动盘的设计很新颖。

据笔者了解,类似的高性能制动器还没有。

近来,已公布了有关制动器和车辆技术条件的某些技术资料。

在开始开发这种制动器(1991年)时,R aison[1]探讨了T GV车辆的制动要求和车辆的噪声问题以及T GV和其它车辆的某些材料领域(制动盘和制动闸片)。

Cauw el[2]则发表了有关T GV用D up lex 制动系统的详细情况。

最近,D avi on[3]又对轮装式制动盘的设计和应用进行了探讨。

据W atson[4]称,SAB W ABCO公司已开发了一系列轴装式和轮装式盘形制动器。

它们已装备了从货车、电车、动车组到城间客车和高速列车的各种车辆。

装用在200km h城间车辆上的轮装式制动盘是20多年前供货的。

SAB W ABCO公司现正在进行高速制动器的开发:R u ssell和W illiam s[5]探讨了T GV用轴装式制动盘的某些开发领域。

该公司有好几种型式的制动器可供各种高速列车使用。

正如H ubbard[6]所说的那样,开发不仅仅是开发出新型的制动盘,而且还要进行新材料的研发工作。

4.2　设计过程大多数制动器在设计时,要获得所要求的热应力和挠曲度是最困难的,因此本研究中的情况也不例外。

由于主动力和摩擦力而产生的机械载荷、离心载荷、冲击载荷及振动也是非常重要的,而且对某些制动器的设计可能是很关键的,但一般来说,这些都比较容易处理。

由于复杂的边界条件,因而很难对制动器的热负荷进行模拟。

据D ay、N ew com b和T irovic称[7,8],可按三个等级对制动器的热效应进行分析:体积、宏观和微观。

D ufrenoy和W eichert[9]已发表了有关铁路用轴装式盘形制动器宏观热效应的一些非常有趣的分析结果。