王磊，陈辉



HXD1D型电力机车用盘形制动装置结构设计

王磊，陈辉

（南京铁道职业技术学院，江苏 南京 210031）

针对HXD1D型电力机车盘形制动装置在运用过程中暴露出的异常损害现象，在对现车盘形制动装置的结构特点深入研究的基础上，分析制动盘和制动闸片的零部件组成和产品结构设计要求，设计出符合要求的盘形制动装置，并利用1:1制动动力试验台模拟HXD1D型电力机车的实际运用工况对盘形制动装置制动摩擦磨损性能和可靠性进行了试验验证，试验结果表明：该盘形制动装置结构设计合理，性能可靠，可有效提升机车运用的安全性和稳定性。

HXD1D型电力机车；盘形制动装置；结构设计；台架试验

和谐型电力机车自2006年引入中国，并进行技术引进消化在创新的近十多年时间里，市场规模逐年增大。HXD1D型电力机车是中车株洲电力机车有限公司根据HXD1C平台研发的设计时速160 km/h、7200 kW的准高速交流传动大功率客运电力机车，该电力机车应用初期的盘形制动装置一直由德国克诺尔独家供应。德国克诺尔公司的盘形制动装置产品由于其先进的产品结构和优异的产品性能，在我国的和谐型电力机车市场上一直保持着垄断地位。近年来，随着我国轨道交通整体制造水平不断提高，为进一步降低采购和维修成本，打破国外公司技术垄断，越来越多的国内院所企业开始进行电力机车盘形制动装置产品的结构改进和本土化研究。

德国克诺尔公司生产的和谐型电力机车用盘形制动装置有2种，一种是适用于时速低于160公里电力机车的铸铁制动盘和合成闸片组合；另一种是适用于时速高于160公里电力机车的铸钢制动盘和粉末冶金闸片组合。在国内，中国铁道科学研究院研制了多种铁路车辆用的基础制动装置，如踏面制动装置和时速160公里及以下铸铁制动盘及配套合成闸片，但对于时速160公里及以上等级客运机车用盘形制动装置仍没有完成开发。中车青岛四方车辆研究所有限公司也在进行机车制动系统开发，其开发的JZ-8机车制动系统已经在大功率货运机车上装车试用，配套的盘形制动装置为铸铁制动盘和合成闸片组合，但无法满足时速超过160公里的和谐型电力机车的使用要求。中车株洲电力机车有限公司也完成了机车基础制动系统（铸铁制动盘和合成闸片）的自主开发，其研制的DK-2制动系统在HXD1系列大功率客运电力机车上已实现批量装车，但其研制的 HXD1D型电力机车制动系统配套的铸钢制动盘和粉末冶金闸片仍需从德国克诺尔公司采购，在实际运用过程中出现多起制动盘盘面异常磨耗，制动闸片的掉块、脱落、制动抖动等可能对行车安全造成威胁的严重问题，此外进口产品采购周期较长和运用维护成本较高。基于以上分析，亟待开发一种适用于HXD1D型电力机车这样的时速160公里及以上大功率客运机车盘形制动装置，满足日益增长的市场需求。

本文深入研究国内目前应用速度等级最高的HXD1D型和谐型电力机车用盘形制动装置结构特点，结合制动摩擦对偶性能匹配因素，提出HXD1D型电力机车用盘形制动装置的结构设计方案，实现本土化替代，有效降低电力机车运营成本，保障HXD1D型电力机车安全和可靠地运营。

1 制动摩擦副结构设计要求

目前，我国的HXD1D型客运电力机车盘形制动装置主要采用制动盘轮装方式。制动盘和制动闸片是盘形制动装置中最重要的部件，工作原理是通过制动盘和制动闸片之间的摩擦将巨大的列车动能转化为摩擦热能，并散逸到周围环境中。因此，制动盘和制动闸片既要结构连接可靠，性能匹配较好，又要具有良好的通风散热性能。

（1）制动盘结构设计要求

制动盘主要采用轮装盘形结构设计形式，材质为铸铁和铸钢。制动盘结构设计中，首先应具有可靠的连接结构，保证制动盘在工作时不发生零件松动或脱落；其次，具有良好的通风散热性能，降低制动盘的工作温度；最后，制动盘应具有一定的径向自由度，以最大限度的降低制动时产生的热应力。

（2）制动闸片结构设计要求

制动闸片结构主要是采用国际铁路联盟（International Union of Railways）简称铁盟（UIC）燕尾接口型结构，材质为合成和粉末冶金。制动闸片结构设计中，首先考虑摩擦材料与背板连接的可靠性，防止在工作中发生摩擦块或摩擦体脱落；其次，具有良好的通风散热和排屑性能，摩擦体上或附近有明显的磨耗到限标志；最后，摩擦块（粒子）尺寸合理，布局科学。

2 盘形制动装置结构设计

制动盘和制动闸片的结构、性能和组织等指标对盘形制动装置性能有直接影响，是制动摩擦副设计中重点考虑的内容。

图1示意了HXD1D型电力机车用制动盘轮装结构，轮装制动盘布置在车轮辐板两侧。

根据这一特点，盘体设计为单片形式（见图1），内侧面设计有片状径向散热筋，以利于制动过程中盘体的散热。盘面中间设计有连接螺栓孔及布置定位销的键槽，盘体通过定位销和连接螺栓组安装在车轮上（见图2）。依靠螺栓预紧力产生的静摩擦力以及布置在盘体上的6根定位销承受制动过程中产生的摩擦扭矩（见图3）。连接螺栓只承受预紧力，不承受剪切力，保证了螺栓连接的可靠性。采用定位销连接方式改善了圆盘体应力状态分布，为制动盘在周期性热负荷作用下自由膨胀和收缩提供了足够的空间，盘体沿定位销能径向自由伸缩，不受约束。这样，盘体在制动工况下，主要受热应力作用，其抵抗热冲击的能力则完全取决于材料本身的性能。

图1 HXD1D型电力机车制动盘结构

图2 HXD1D型电力机车制动盘螺栓连接结构

制动闸片采用符合国际规定的UIC燕尾接口与制动夹钳闸片托进行配合，采用2个半片组成单片闸片的设计方式，有利于减小闸片制动过程中受热膨胀，解决制动闸片拆装困难的问题。制动闸片主要由摩擦块（10个）、安装板、燕尾板、连接部件和弹性元件等部件组成，摩擦块通过铆钉固定连接到安装板上（见图4）。摩擦块采用间隙布置形式，每个摩擦块之间留有一定间隙，形成排屑通道，便于摩擦碎屑的排出，解决了前期研究中发现的德国克诺尔公司研制的制动摩擦副因磨屑没有及时排出导致划伤制动盘表面的问题。调整了摩擦块结构形状和尺寸大小，采用圆角结构，避免摩擦块尖角在制动盘螺栓孔附近产生的划伤问题；适当增大了摩擦块尺寸，制动盘螺栓孔直径为20 mm时，建议单个摩擦块的最小尺寸应大于50 mm，防止摩擦块与制动盘螺栓孔产生啃咬拉伤现象。在摩擦块与安装板之间加装弹性垫片，弹性浮动式结构的摩擦块能够最大限度地与制动盘贴合在一起，达到更好地制动效果。

图3 HXD1D型电力机车制动盘定位销结构

图4 制动闸片结构图

此外，制动盘和制动闸片之间的间隙应设计合理，如果间隙过小，不利于细小砂粒等异物的及时排出也可能造成异物夹杂在摩擦面上，在机车制动时对制动盘和制动闸片造成表面划伤。因此，除了制动盘和制动闸片结构设计外，还应考虑周边部件对盘形制动装置性能的影响，其中制动夹钳应保证制动闸片和制动盘的单边间隙不低于1～2 mm，还应避免出现带闸拖磨等损害盘形制动装置的现象。

3 台架试验

为进一步验证本文所述盘形制动装置结构的可靠性，对该结构产品参照UIC 541-3-2010试验项目和试验程序，并且结合HXD1D型电力机车的实际制动压力，在国内具有铁路产品认证资质的1:1型式试验台上完成了台架试验，试验条件是：车轮直径1250 mm，模拟轴重22.5 t，最高试验速度200 km/h，为进一步与现车的实际运用工况相接近，本试验程序包括干燥条件、潮湿条件（喷水量25 L/h）、坡道持续制动和变压力制动等试验工况。试验结果如表1所示，试验结果表明：列车在制动初速为160 km/h进行紧急制动（实施最大制动压力）时对应的制动距离为936 m，未超过我国铁路技术规范要求的1400 m（干燥条件下），同时试验过程中制动盘盘面最高温度为308℃，尚未超出700℃的合金钢制动盘最高许用温度。

表1 盘形制动装置台架试验结果

试验后对制动盘和制动闸片进行分别检测，图5所示为制动盘盘面磁粉探伤结果，盘体表面未发现任何初裂纹。

图5 制动盘表面磁粉探伤

制动盘表面状态良好（见图6），未出现任何裂纹、热斑、擦伤等异常情况，螺栓紧固件未松动；制动闸片平均磨耗量不超过UIC541-3-2010规定的0.5 cm3/MJ要求，且试验后制动闸片表面状态良好，未出现掉块、掉渣等异常情况，如图7所示。

图6 试验结束后制动盘表面状态

图7 试验结束后制动闸片表面状态

4 结论

通过对HXD1D型电力机车用盘形制动装置结构特点的深入研究，充分考虑了盘形制动装置摩擦副性能匹配因素，对盘形制动装置的制动盘采用内侧面分布片状径向散热筋结构，解决制动盘面受热不均导致盘面翘曲变形问题；而制动闸片则增加了排屑通道，解决了制动盘表面划伤问题，提高了制动闸片与制动盘的盘形制动效果，并对制动闸片与制动盘匹配方面提出设计建议。通过多工况的台架试验对盘形制动装置进行了安全性、可靠性和匹配性验证，结果证明：该盘形制动装置结构设计能有效避免制动盘表面异常划伤和制动闸片摩擦块掉块、脱落等现象，提高使用寿命，安全可靠，符合使用要求，可以进行进口产品替代。

[1]谢小军. HXD1D_型机车制动盘擦伤故障原因分析及解决措施[J]. 轨道交通装备与技术，2016（5）：43-45.

[2]张建辉. HXD1D型电力机车制动盘拉伤原因分析及控制措施[J]. 郑州铁路职业技术学院学报，2016，28（4）：3-5.

[3]张东方. 高速动车轮盘制动材料的研制[J]. 铁道机车车辆，2004（24）：64-66.

[4]齐斌. 高速机车制动盘及其优化设计[J]. 机车电传动，2015（4）：31-33.

[5]王志伟. 机车制动盘的技术现状及应用研究[J]. 科技风，2017（6）：190.

[6]邹伟. 盘形制动器闸片间隙偏小故障原因及对策[J]. 技术与市场，2015，22（5）：49-53.

Structural Design of Disc Brake Device for HXD1D Electric Locomotive

WANG Lei，CHEN Hui

( Nanjing Institute of Railway Technology, Nanjing 210031, China )

For disc brake device of type HXD1D electric locomotive abnormal damages caused by during the applying process; based on the deep research on the structure characteristics of brake disc device; analyzed the brake disc and brake pads components and product structure design requirements, designed to meet the requirements of the disc brake device, and the use of 1:1 brake dyno-test rig simulation of HXD1D electric locomotive application conditions on the disc brake, brake friction and wear performance and reliability were tested. The test results showed that the disc brake device structure design was reasonable, reliable performance, and the safety and stability of the locomotive effectively improved.

HXD1D electric locomotive；disc brake device；structural design；dyno-test

TD534+.5

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2018.06.008

1006－0316 (2018) 06－0047－05

2017－11－22

江苏省“333工程”科研资助项目（BRA2015078）和谐型机车用制动摩擦副匹配特性研究（Y170005）

王磊（1979－），男，辽宁海城人，硕士研究生，高级工程师，主要从事轨道交通制动装置研究工作。