单轨坐式电动小车制动系设计

方案论证1制动器的分类盘式制动器根据摩擦副中固定元件结构可分为钳盘式制动器、全盘式制动器两种形式。若按照制动钳结构形式进行区分，钳盘式制动器可分为固定钳盘式制动器和浮钳盘式两种形式。制动器作为制动系统中最主要的部件，是小车制动系统中制止或者减缓小车运行的部件。制动器按照摩擦副结构形式主要包含盘式、鼓式两种形式。 盘式制动器：其固定摩擦元件为制动块，制动块带有摩擦片，安装于制动盘两侧，其旋转元件以两侧面为工作面，且制动盘须沿垂直方向安放。当两侧的制动块夹紧制动盘时，摩擦面上产生摩擦力矩作用于制动盘，制止车轮转动，起到制动效果。鼓式制动器：目前机车运用的主要包括外束 型鼓式和内张型鼓式两种。内张型鼓式制动器的摩擦元件以一对含有圆弧形摩擦蹄片的制动蹄。鼓式制动器在制动时，制动蹄摩擦片的外表面和制动鼓的内圆柱面形成摩擦表面，在制动鼓上面摩擦产生阻力，从而达到制动的目的。 2 盘式制动器的介绍伴随着铁路机车载重的增大和速度的提高,对制动系统的要求也愈加严格。而以前普遍应用的闸瓦制动将主要热能传递给车轮,而对于车轮的制作材料和主体结构无法随意变动,这限制了车辆的使用。盘形制动在小车运行中不仅成本较低，日常维护比较简单，而且很大程度上提高了车轴制动功率，降低了小车制动时的纵向冲动。因为针对制动的不同要求，可以选择不同形式的制动盘，所以变相地扩大了盘形制动器的使用范围，推动了盘形制动器的普遍应用。早在20世纪30年代，德国率先在地铁中装配了盘式制动器,介于其良好的工作性能，随后在其快速小车中上也装备了这种制动器。随后英国、法国、美国、日本和俄罗斯等国家在轨道车辆上也普遍采用盘形制动器。目前国外已经逐步开始研制含陶瓷铝合金的制动盘，我国正在借鉴国外先进技术，展开深入研究，以便更好地满足货物小车快速、重载的要求。盘式制动器作为目前应用普遍的一种新型制动器轨道车辆的盘形制动是指在车轴或车轮辐板侧面安装铸铁，利用活塞控制制动夹钳将冶金材料或者合成材料制成的闸片压紧制动盘的侧面，利用制动盘与闸片产生的摩擦力，使小车减缓速度或停车。不仅很大程度上提高轨道车辆的主动安全性，也很好处理了旧式制动器无法杜绝的基本问题，如维修频率较高、噪音污染较大和粉尘污染严重等。 制动盘作为小车制动时承受热能的主要部件,对其材质选择要求很高。目前普遍采用合金耐磨铸铁, 铸铁的热传导系数、热容量较高，但是铸铁盘的强度较差,故合金既可发挥铸铁的优点,又避免了其强度差的特性。另外对制动器的结构设计也很关键，在轮对高速转动和车轴载荷过大的情况下产生大量热负荷,因此对于轴盘式的制动盘的两侧间铸有径向的孔,形成离心通道,而轮盘式的制动盘内侧也有通风筋,可实现径向通风,使得制动器结构具有良好的散热功能，并且缓和热负荷的应力作用。目前盘形制动在制动盘的安装形式上可分为轮盘制动和轴盘制动。 对于轮盘制动，其安装连接方式可分为三种: (1) 多点式结构 多点式结构将不少于两个的环形制动盘分别安装于轮芯的两侧,用套有尼龙套的螺栓将制动盘连接起来,其中套尼龙套的目的是起到缓和热应力的作用，以防制动过程中螺栓受力升温发生变形。 (2) 浮动式结构 将制动盘与安装座用径向弹性圆套筒销来连接以缓和制动时的热应力变形。 (3) 双金属式结构制动盘的材料采用铸铁，将制动盘与支座一起铸造成为双金属结构。因为这种结构要求制动盘与车轴同心的程度不高，故只要保持其相对位置不变。针对盘形制动, 浮动式连接方式是制动盘安装采用的方式，分为整盘式和对半式两种连接方式。轮盘制动（图2-3）的制动盘一般安装于车轮两侧，其安装方式是通过6个定位销进行对中定位和传递制动力矩，将两个摩擦盘安装在车轮两侧。而两个摩擦盘采用12个径向排列的螺栓连接，使用防松螺母锁紧螺栓。 图2-3 轮盘制动车轮制动盘要求将摩擦表面与轮缘外表面齐平，以便制动盘与其他类型的制动闸片和制动夹钳配合使用。当制动盘应用于动力转向架时，规定安装4个制动盘。轴盘制动的制动盘安装在车轴或者空心轴套上，可以在车轴内侧或外侧，在空间允许的条件下可以安装4个制动盘8个摩擦面，能提供更大制动力。盘形制动装置包含制动盘和制动夹钳，其中安装在制动夹钳上的制动闸片与制动盘组成摩擦副，通过与制动盘表面的摩擦作用将制动能量转换为热能释放。盘式制动器与传统制动器对比，有以下特性：（1）盘形制动器没有制动鼓，制动器不存在间隙的明显加大，故制动踏板的行程较大。当输出相同的制动力矩时，其尺寸与质量相对较小，这有利于实现间隙的自动调整和对其他部件的保养作业，使工作人员在调整间隙、结构设计简化等方面趋于灵活。（2）盘形制动器的制动盘和摩擦块之间的间隙较小，一般为0.05mm至0.15mm。这不仅有利于提高驱动机构的制约力传动比，也缩短了活塞的操作时间。（3）盘形制动器是多回路的制动驱动系统的主体，其制动力稳定。通过制动盘和两侧闸片之间的紧压，两者之间可以获得稳定的摩擦系数，各车轮都能不同车速下都可以均匀一致地实现平稳的制动，这确保了整个系统的安全性。（4）相比较于传统的制动器，盘式制动器的结构复杂，制造工艺更为精细，对与之相配合的部件要求高，故生产成本也要高于传统制动器，并且噪音低和环境污染较小。（5）盘式制动器制动时，制动盘直接与空气相接触，其散热性能很好。摩擦块对制动盘的高压易挤出其中水分，故制动效能只会发生微小的变化。（6）在制动盘内部铸造加强筋，一方面改善了铸造的工艺性能，使制动盘的强度得到加强。另一方面大大的节省了制作材料。当摩擦片磨损时，易实现制动器的摩损报警，方便及时更换摩擦片。因此对轨道车辆而言,盘式制动器制动效率高，耐用环保,制动力曲线相对平直,成本相对较低,是一种实用的制动器。3 制动器设计的一般原则轨道交通的制动性能是指在保证小车的方向稳定性前提下，实现短距离内停车或者能够以稳定均匀的速度下较长的坡道。为达使用要求，不仅要考虑维修方便、经济适用,更要保持良好的制动效果。因此在设计制动器的过程中要考虑诸多因素，如制动效能的稳定性、制动器的一些尺寸、制动间隙的大小等因素，并对制动力、制动力分配系数、制动器因数等进行较为详细的计算。对主要零件诸如制动盘、制动钳、制动闸片、摩擦衬块进行结构设计并计算。不论如何设计,只要根据实际情况满足制动要求，力求结构简单、实用方便。小结本章通过总体介绍制动器的发展及运用，说明了盘形制动器在轨道制动行业中的重要性。盘形制动器不仅提高小车的安全性和可靠性，也帮助企业提高竞争力，从长远来看更是节能环保，符合现代产品的发展方向。制动盘 现在我国车辆的轴装制动由整体式铸铁结构的制动盘环和盘毂组成，其中制动盘和盘毂通过螺栓、垫片和弹性套等连接。盘毂将其固定在车轴上。当小车运行时，车轴转动作平动和定轴转动，制动盘作为具有径向排布散热筋的环形铸铁件随之转动（图3-1）。散热筋不仅传递热量，也通风散热，保证摩擦盘的热平衡。制动盘的外沿为制动接触的摩擦面，内侧铸有多个大小形状相同的细柱形散热筋，沿径向均匀分布，从而在散热筋间形成气流通道。由于铁道车辆在运行过程中情况复杂，会出现许多变动，这也对摩擦盘的厚度、散热筋的尺寸限制及制动盘的材料提出了更多要求。考虑到小车紧急制动的爆发力，摩擦盘的可磨耗厚度一般规定为7 mm，在其圆周方向有一个槽，车辆在运行规定周期后会需根据要求更换。由于受到轨道承载力和机车质量要求的限制，在摩擦盘的设计过程中需要尽量减小质量。 图3-1 典型制动盘 此次设计课题是轴装制动器（图3-2）,主要针对SW-220K型转向架的新型小车转向架。作为目前运用最为广泛的制动器，轴装制动器安装、维护方便。轴装制动盘主要由径向散热筋的摩擦盘和盘毂组成，安装在两车轮之间的车轴上。其中盘毂和车轴采用过盈配合，过盈量为0.2mm左右。摩擦盘通过挡圈压紧在盘毂上，挡圈通过8个径向排列的螺栓与盘毂相连接。通过定位销，挡圈与盘毂进行定位和传递制动力。另外摩擦盘的安装孔径要求螺栓大，承受紧固力，而不承受剪切力。 图3-2 轴装制动盘制动盘直径D 为保证40km/h安全运行，需要制动盘直径D的数值尽量大，以便增大摩擦盘的有效半径，进而减小制动钳对制动盘的压力，有利于减小作用于衬块的单位压力和工作温度。但实际应用中考虑到轮辋直径的限制，制动盘的直径通常选择为车轮直径的70%左右。根据国家标准外径为323 mm。 制动盘厚度h 考虑到小车的轻便性，制动盘的质量不宜过大，故对其厚度有所限制。机车制动时的温升加速，为减少温升，制动盘厚度又不宜过小。为了加快制动热量的消散，在制动盘中间铸有径向通风孔道，大大增加了散热面积，但盘的整体厚度加大。制动盘铸成中间有径向通风槽的双层盘，按照国际标准，通风式制动盘实心厚度取为30mm。 制动盘的表面应光滑平整，两侧表面不平行度低于0.05mm，盘面摆差低于0.1mm。制动夹钳根据车辆轻型化的设计要求，对RZS型制动夹钳进行优化设计： 采用铝合金压铸成整体，尺寸小，质量轻，相比普通的夹钳质量减轻30kg。在夹钳的外缘留有一段开口，方便在不整体拆卸夹钳的情况下定期检查和更换制动闸片。单独制造的油缸装嵌入钳体中，为了减少传给制动液的热量，将活塞开口端部切成阶梯状，减少活塞与制动块背板的接触面积，形成两个相对且在同一平面内的小半圆环形端面。活塞由铸铝合金制成，活塞应能压住尽量多的制动块面积，以免衬块发生卷角而引起尖叫声。为了提高其耐磨损性能，活塞的工作表面进行镀铬处理。制动闸片制动闸片由背板和摩擦衬块构成，一般直接将背板和衬块压嵌或铆接在一起。摩擦衬块多为扇形，也有矩形、正方形等，根据应用的不同，其形状、尺寸及连接方式也有所不同。针对RZS型制动夹钳，所设计制动闸片为圆弓形，外形为UIC标准设计形状（图3-2）。 图3-2 UIC标准制动闸片 制动闸片与其支架的接口为楔形榫头，由对称的上下两半组成。制动闸片上的沟槽主要有减少摩擦副上水分和排污两个作用，并且小车在制动过程中摩擦副产生的残留物可通过沟槽快速排出，这使得制动效果更为明显，也有利于延长闸片使用寿命。针对40km/h新型小车