中低速磁浮列車基礎制動裝置制動效率的影響因素

廖志堅 徐少亭 李 龍 古龍瑞

(中車制動系統有限公司制動事業部,266031,青島∥第一作者,工程師)

基礎制動裝置作為制動系統的執行機構,對城市軌道交通列車制動系統的整體性能有著重要的影響。對于中低速磁浮列車及有軌電車等,受安裝空間及車體質量等因素的影響,其基礎制動裝置多采用無間隙調整機構的結構,相應的制動輸出效率會受制動缸壓力及一次動作行程等多重因素的影響。從產品結構原理分析來看,無間隙調整機構基礎制動裝置輸出的制動力與輸入壓力間呈非線性關系。這給提高制動系統的控制精度帶來一定難度,進而影響制動控制策略和邏輯。

對于中低速磁浮列車所采用的無間隙調整機構基礎制動裝置,我國目前尚缺乏相關研究。為了更好地提高制動系統性能,本文以某中低速磁浮列車的無間隙調整機構基礎制動裝置為對象,基于試驗臺及現車測試數據,研究其制動效率的影響因素及制動特性。

1 基礎制動裝置的工作原理

基礎制動按作用方式可分為踏面制動和盤形制動,按制動力傳遞介質可分為氣壓制動和液壓制動。某中低速磁浮列車的無間隙調整機構基礎制動裝置采用氣-液轉換結構,由空氣加力泵和液壓夾鉗組成,通過空氣加力泵將空氣壓力轉換成液壓油的油壓,由液壓夾鉗將油壓轉換成機械推力(即閘片壓力)。

空氣加力泵為氣-液轉換部件,由氣缸和油缸兩部分組成。氣缸活塞與油缸活塞固定連接,氣缸內部裝有活塞復位彈簧?？諝饧恿Ρ媒Y構如圖1所示。

圖1 空氣加力泵結構示意簡圖

液壓夾鉗主要包括外側杠桿、內側杠桿、液壓缸及閘片等部件,是制動系統的最終執行機構。液壓夾鉗結構如圖2所示。液壓缸結構如圖3所示。液壓缸內部設有活塞、活塞桿及活塞復位彈簧等。受安裝空間、質量等限制,該液壓夾鉗結構簡單,無閘片間隙調整機構。

圖2 液壓夾鉗結構示意圖

圖3 液壓缸結構示意圖

該基礎制動裝置中,空氣加力泵的氣液轉換倍率為18,液壓缸活塞直徑為40 mm,液壓缸工作行程≥70 mm,液壓缸最高工作壓力為10.0 MPa,液壓缸充入0.3 MPa液壓油時的活塞桿動作量≥30 mm,閘片的最大磨耗厚度為8 mm[1]。

在施加制動時,空氣加力泵利用輸入的壓縮空氣,通過氣轉液結構輸出高壓液壓油;高壓液壓油通過油路充入液壓夾鉗的液壓缸;液壓缸內部活塞桿伸出,推動液壓夾鉗的內側杠桿與外側杠桿動作;與內外側杠桿連接的閘片托貼靠軌道,使安裝在閘片托上的閘片夾緊軌道制動面,進而產生制動力。

在緩解制動時,在空氣加力泵和液壓缸各自的復位彈簧作用下,二者內部活塞回退復位,閘片與軌道分離,實現緩解。

2 影響因素

2.1 影響因素的理論分析

液壓夾鉗的閘片壓力為:

F=(P1iη1d2π/4-f)γη2

(1)

式中:

F——閘片壓力;

P1——空氣壓力;

i——氣、液轉換放大倍率;

η1——氣、液轉換效率;

d——液壓缸活塞直徑;

f——液壓缸阻力;

γ——夾鉗杠桿倍率;

η2——夾鉗靜態傳動效率。

由于該基礎制動裝置采用氣轉液結構,故相對純空氣和純液壓形式的制動機構,該制動裝置力的轉換及傳遞路徑相對復雜。

在閘片厚度不變的情況下,由于液壓油存在難以壓縮的特性,故可認為不同空氣壓力下的空氣加力泵和液壓夾鉗活塞行程不變。此時,空氣加力泵和液壓夾鉗的內部阻力(復位彈簧力及內部摩擦力)基本保持不變。因此,空氣壓力越大,制動輸出力越大,整個基礎制動裝置內部阻力占制動輸出力的比例就越小,相應的制動效率就越高。

對于不同磨耗厚度的閘片,液壓夾鉗無閘片間隙調整機構,因此,在同一空氣壓力下,若閘片磨耗越多,則空氣加力泵和液壓夾鉗內部活塞桿的運動行程越大,空氣加力泵和液壓夾鉗的復位彈簧力就越大,整個基礎制動裝置的制動輸出力就越小,制動效率就越低。

綜上分析可知,同一閘片厚度下,空氣壓力越小,空氣加力泵與液壓夾鉗的轉換效率就越低;同一空氣壓力下,閘片磨耗越多,液壓夾鉗的轉換效率就越低?？梢?該基礎制動裝置制動效率主要受空氣壓力及閘片磨耗量等因素影響。

2.2 制動效率所受影響的試驗研究

在AW0(空載)工況下,分別采用新閘片和磨耗閘片(摩擦體磨耗厚度約為允許磨耗厚度的2/3),對不同制動級位下的制動輸出效率進行試驗研究。每個制動級位各進行3次試驗,采集空氣加力泵的空氣壓力P1、液壓缸的油壓P2和閘片壓力F等數據。試驗測得的數據平均值見表1。

表1 試驗測得的數據平均值

為了研究該基礎制動裝置在不同制動級位下的制動效率,定義空氣加力泵效率因數α=1 000P2/P1,液壓夾鉗效率因數β=F/P2,整個基礎制動裝置效率因數δ=1 000F/P1。計算可得各制動級位下的α、β、δ如表2所示。

表2 各制動級位下的α、β、δ值統計表

對于新閘片,α、β、δ隨制動級位的變化曲線如圖4所示。

圖4 新閘片α、β、δ隨制動級位的變化曲線

從圖4可以看出,制動級位越大,液壓夾鉗、空氣加力泵轉換效率越高,整個基礎制動裝置的輸出效率越高。同時,制動級位越大,基礎制動裝置的輸出效率變化越小,越趨于穩定。

從表2中α的數據可以看出,在同一制動級位下,新閘片下空氣加力泵的效率高于磨耗閘片下空氣加力泵的效率。

為了進一步研究更低空氣壓力下新閘片和磨耗閘片對制動效率的影響,通過調整試驗臺AW0工況下各制動級位的空氣壓力來進行試驗,得到不同制動級位下的P1及P2平均值如表3所示。

表3 試驗臺測得的不同制動級位下的P1及P2平均值

依據表3數據,不同磨耗閘片下α值隨制動級位的變化曲線如圖5所示。

圖5 不同磨耗閘片下α值隨制動級位的變化曲線

從圖5可見,制動級位越大,閘片磨耗對制動效率影響越小;隨著制動級位的增大,閘片磨耗對制動效率的影響逐漸減小。

3 結語

對于無間隙調整機構的基礎制動裝置,空氣壓力及閘片磨耗對基礎制動裝置制動效率有明顯影響,影響特性結論如下:

1) 同一工況下,空氣壓力越小,閘瓦/閘片的磨耗量越大,制動效率越低。此外,對于本文所研究的基礎制動裝置,在同樣閘片磨耗量下,當低于B2制動級位時(AW0),制動效率的降低更為明顯。因此,在進行制動控制時,為提高制動系統的控制精度,有必要在不同的空氣壓力下,采用不同的制動效率參數,而且在進行各制動級位下的空氣壓力值設定時應選取合適的壓力值。比如,本文中的對象應盡量避免各制動級位下的空氣壓力值低于B2制動級位下的空氣壓力值。

2) 同一工況下,空氣壓力越小,閘片的磨耗對制動效率的影響越大,表現出來的即空氣壓力越小,分別采用新閘片和磨耗閘片時,制動力的離散程度越大。對于本文所研究的基礎制動裝置,同樣的,應盡量避免各級位下的空氣壓力值低于B2制動級位下的空氣壓力值。

針對上述影響特性提出以下建議:

1) 進行基礎制動裝置設計時,合理選擇彈簧參數、制動倍率等參數,并優化產品結構降低摩擦阻力,從而降低內部阻力對制動輸出力的影響效果,使制動輸入壓力與制動輸出效率盡量處于線性區間。

2) 進行閘瓦/閘片設計時,合理選取閘瓦/閘片的摩擦因數、磨耗量等參數,盡量減小閘瓦/閘片磨耗量對制動效率的影響。

3) 進行制動系統設計時,注意結合基礎制動裝置本身特性,合理設定各制動級位下的制動壓力,盡量減小空氣壓力和閘瓦/閘片磨耗量對制動效率的影響,降低各制動級位下制動力的離散性,提高制動控制精度。