制动缸止动位置对作用行程影响的试验研究.pdf

第 43 卷第 4 期2023 年 8 月铁 道 机 车 车 辆RAILWAY LOCOMOTIVE&CARVol.43 No.42023Aug.制动缸止动位置对作用行程影响的试验研究白旺旺2，康旭1,2，余欲为1,2，王苏敬1,2，钱晨2（1 中国铁道科学研究院集团有限公司 机车车辆研究所，北京 100081；2 北京纵横机电科技有限公司，北京 100094）摘 要 制动缸的作用行程 A 值是制动间隙的直接影响参数，文中通过制定止动位置固定作用行程 A 值试验和止动位置变化作用行程 A 值试验 2 个方案，论述制动缸止动位置对作用行程 A 值的影响。通过试验分析表明：制动缸止动位置固定时，A 值波动较小，约为 0.1 mm，一致性较好；制动缸止动位置变化时，A 值呈现周期性变化规律，周期约为 0.75 mm，A 值波动量约为 0.4 mm，是止动位置固定时 A 值波动量的4 倍；同时在试验过程中发现，作用行程 A 值试验出现次数相对较少的异常数据，并在试验时伴随有机械的卡滞声。通过试验研究发现作用行程 A 值测试结果与止动位置存在一定的规律性。关键词 制动缸；止动位置；作用行程 A 值；试验研究中图分类号：U270.35 文献标志码：A doi：10.3969/j.issn.1008-7842.2023.04.12基础制动装置是车辆制动系统的关键部件，对于速度 100 km/h 以上的车辆制动，主要采用盘形制动方式，盘形制动装置主要包括制动缸和制动夹钳 2 部分，其中制动缸提供驱动力，实现控制；制动夹钳完成闸片和制动盘的接触，产生摩擦力，实现制动作用1。制动缸设计巧妙，通过弹簧、离合器以及限位挡块等相互作用，完成了复杂的制动、缓解和间隙调整等动作。在车辆制动过程中随着闸片和制动盘不断磨耗，其间隙发生变化，制动缸通过间隙调整功能，有效解决了制动盘和闸片间隙变化问题，保 证 了 闸 片 与 制 动 盘 之 间 始 终 保 持 合 适 制 动 间隙，从而产生有效制动作用。制动缸的作用行程 A 值是制动间隙的直接影响参数。文中通过制动缸止动位置对其作用行程A 值的影响进行试验研究，通过有效的试验数据，分析作用行程 A 值的变化规律，为制动缸性能的深入研究提供帮助，进而提高制动缸的可靠性和车辆运行的安全性2。1 制动缸作用行程 A 值试验初始条件（1）制动缸压力：0 bar。（2）停放缸压力：最小缓解压力，停放缸处于缓解状态。（3）止动块：采用弹性止动块，且止动的弹性变形量为 34 mm。（4）弹 性 止 动 块 初 始 状 态 满 足 预 紧 力 8001 000 N 的范围。（5）连接杆头部位置：制动缸连接杆头部位置满足在最大间隙调整-10 mm 范围内。（6）止动间隙：确定连接杆头部位置后，弹性止 动 块 与 连 接 杆 头 的 距 离 满 足 作 用 行 程 A 值+（57）mm 范围。2 试验原理（1）确认停放缸压力为最小缓解压力，且处于缓解状态，将常用制动缸 BC 充风至（3+0.05）bar。（2）将常用制动缸 BC 完全排空，且压力显示为 0 bar。（3）行程复位后连接杆头与弹性止动块之间文章编号：1008-7842（2023）04-0071-06引用格式：白旺旺,康 旭,余欲为,等.制动缸止动位置对作用行程影响的试验研究J.铁道机车车辆,2023,43(4):71-76.第一作者：白旺旺（1987-）男，工程师（修回日期：2021-12-03）通信作者：康旭（1985-）男，高级工程师铁 道 机 车 车 辆第 43 卷 的间隙就是作用行程 A 值。3 试验设计 3.1试验样件准备制动缸样件如图 1 所示。为充分研究制动缸止动位置对作用行程 A 值的影响，同时采用多样件对比进行试验分析，最大范围地选择所有类型制动缸。基于目前制动缸的种类，试验选取总调整量为 90、110、160 mm 的制动缸各 1 件，进行对比试验，其中单元缸 1 件，复合缸 2 件，如下为样件信息：样 件 1：单 元 缸，编 号 TK0416，总 调 整 量90 mm。样 件 2：复 合 缸，编 号 171100074，总 调 整 量110 mm。样 件 3：复 合 缸，编 号 B00827，总 调 整 量160 mm。3.2试验台准备样件试验基于制动缸试验台进行，该试验台目前应用于批量产品测试。试验台采用一体化结构方案，主要由机械系统、气动系统、电气系统及控制系统 4 部分组成，箱体为型材结构，内部布置气路系统和电气系统，机械系统安装在箱体顶部，一 体 机 与 3D 旋 转 支 架 连 接，安 装 在 机 械 系 统 顶部，制动缸试验台如图 2 所示。制动缸试验台能够对制动缸的全部试验项点（强度试验、气密性试验、作用行程 A 值、总调整量、制动力、停放力等）进行自动化检测，同时试验台具备试验数据存储和试验报告打印功能。3.3试验样件安装将制动缸吊装于试验台的上部，其缸体与试验台后座连接，用插销锁紧，连接杆头与活动框架连接，用螺栓锁紧，保证制动缸整体处于水平测试状态，样件安装如图 3 所示。将试验台制动缸和停放缸供风管与制动缸对应插头连接，并确认所有相关连接件处于紧固状态，开始测试。3.4试验方案为了充分研究制动缸止动位置对作用行程 A值的试验影响，制定止动位置固定作用行程 A 值试验和止动位置变化作用行程 A 值试验 2 个方案进行对比。止动位置固定试验方案是将止动位置保持不变，对制动缸作用行程 A 值试验进行重复性操作，对每次作用行程 A 值试验数据采集记录，分析其变化规律；止动位置变化试验方案是将止图 1制动缸样件图 3样件安装图图 2制动缸试验台72第 4 期制动缸止动位置对作用行程影响的试验研究动位置通过试验台控制在一定范围内变化，在每一个止动位置时对制动缸进行作用行程试验，同时采集止动位置和作用行程 2 组数据，如此进行重复性试验，分析止动位置对作用行程 A 值的影响及其规律性。3.4.1试验主要控制步骤（1）止动位置及弹性止动控制止动位置通过电机丝杠系统控制实现，电机带动丝杠运行至试验位置后，位移传感器记录当前位置；弹性止动功能通过测力机构与电机丝杠系统配合实现，控制测力机构顶块，将其与电机丝杠系统弹簧压块直接接触，实现弹性止动功能，从而进行试验。（2）充排气控制气动系统由常用缸和停放缸 2 路控制气路组成，常用缸和停放缸气路分别通过压力比例阀和电磁阀控制对制动缸和停放缸的压力输入，及气路的充风、保压和排风功能。（3）自动扳手控制自动扳手用于对样件连接杆头位置控制，通过执行气缸控制扳手与制动缸回程螺母的对接和脱离，当处于对接状态时，按一定的旋转策略，电机带动内六角扳手旋转，以调整连接杆头部位置，使其运行至测试位置，进行试验。3.4.2止动位置固定测试方案对样件 1、样件 2 和样件 3 按顺序分别进行作用行程 A 值试验。在每个样件测试时，控制电机丝杠系统运行至测试位置并保持当前位置不变，对样件进行重复性作用行程 A 值试验，记录每次作用行程 A 值数据，如此完成 3 件样件的作用行程A 值试验，对其试验数据进行统计分析，研究其止动位置不变时，作用行程 A 值的规律性。3.4.3止动位置变化测试方案选取样件 1 和样件 2，对其止动位置变化进行作用行程 A 值试验。在每个样件测试时，通过控制电机丝杠系统，让止动位置在一定范围内变化，在每一个变化位置，进行作用行程 A 值试验，记录当前止动位置和作用行程 A 值试验数据，如此对样件进行重复性试验，完成对 2 件样件的止动位置变化作用行程 A 值试验，通过对其试验数据分析，研究止动位置对作用行程 A 值的影响规律。4 试验分析 根据作用行程 A 值试验原理可知，试验过程中会采集 2 组作用行程 A 值相关数据，即在制动缸充风制动和排风缓解时，位移传感器采集的样件连接杆头位移数据，试验台对 2 组数据做差取绝对值即为连接杆头变化距离，该距离减去试验台固定参数弹性块止动变形 3.5 mm 为作用行程 A 值试验数据。4.1止动位置固定作用行程 A 值试验分析分别对样件 1、样件 2 和样件 3，通过控制其止动位置不变，进行作用行程 A 值的重复性试验，分析其试验数据3。4.1.1样件 1 数据分析对样件 1 试验数据进行分析，共进行了 397 次作用行程 A 值试验，对其制作止动位置固定作用行程 A 值散点图如图 4 所示。结合试验观察和散点分布，可以看出从上到下有 3 组散点群，最上面的散点群偶尔出现，数据值在 3.94.3 mm 范围内，并且试验过程中常伴随有“咔嗒”的机械卡滞声，根据试验经验判断该散点群为不正常测量值，定义为卡滞群；中间的散点群定义为大值群，数据变化在 3.03.2 mm 范围，最下侧散点群定义为小值群。大值群和小值群都为制动缸正常测量值，其数值相差为一般固定量，根据实际生产经验，一般选取小值群作为制动缸作用行程 A 值的测量值，文中也选取小值群作为制动缸作用行程 A 值进行试验分析（下述同理）。试 验 数 据 分 析 A 值 群 共 有 161 个 散 点，其 中129 个点变化范围在 2.672.8 mm 之间，波动量为0.13 mm，占 A 值 群 总 点 数 的 81.65%，另 有 13 个点，变化范围较大，在 2.632.9 mm 之间，波动量为 0.27 mm。数学期望与最值之差为 0.15 mm。图 4样件 1 止动位置固定作用行程 A 值散点图73铁 道 机 车 车 辆第 43 卷 4.1.2样件 2 数据分析对样件 2 试验数据进行分析，共完成 755 次作用行程 A 值试验，对其制作止动位置固定作用行程 A 值散点图如图 5 所示。样件 2 从上到下有 3 组散点群，最上面的散点群出现次数较少，其测试值在 8.08.2 mm 范围，并且试验过程中也伴随有“咔嗒”的机械卡滞声；中间的散点群为正常测量的大值群，其变化范围基本在 7.47.6 mm 之间。最下侧为小值群也即 A 值群，对其进行重点分析，在 755 次试验中，A 值群出现了 400 次，其中319 次试验值变化范围在 6.997.09 mm 之间，波动量为 0.1 mm，出现概率约占 A 值群的 79.75%，有 5 次试验值，变化范围在 6.967.1 mm 之间，最大 波 动 量 为 0.14 mm。数 学 期 望 与 最 值 之 差 为0.1 mm。4.1.3样件 3 数据分析样件 3 共进行了 491 次试验，其止动位置固定作用行程 A 值散点图如图 6 所示。样件 3 有 3 组散点群，最上面的散点群出现概率较样件 1 和样件 2 有所增加，但在整体试验值环节出现概率仍然较低，且试验过程中也伴随有“咔嗒”的机械卡滞声，判断该散点群为卡滞群，试验值变化范围在 5.755.9 mm 之间；中间的点群为正 常 测 量 的 大 值 群，其 变 化 范 围 基 本 在 4.64.8 mm 之间。最下侧的散点群为 A 值群，出现约 189 个试验值，其中 180 个试验值变化范围在 4.314.37 mm之间，波动量为 0.06 mm，占 A 值群的 95.23%，另有 9 次试验值，变化范围在 4.184.41 mm 之间，波动 量 为 0.13 mm。数 学 期 望 与 最 值 之 差 为0.16 mm。4.2止动位置变化作用行程 A 值试验数据分析对样件 1 和样件 2，通过控制其止动位置在一定范围内变化，进行作用行程 A 值的重复性试验，分析试验数据。4.2.1样件 1 数据分析根据试验数据，样件 1 作用行程 A 值试验共完成 336 次，制作散点图如图 7 所示，通过观察散点群分布，发现止动位置变化对作用行程 A 值有如下影响。（1）试 验 现 象 1，止 动 位 置 变 化 范 围 基 本 在186.5187.25 mm 之 间，长 度 约 0.75 mm；根 据 试验经验及试验过程中出现的异常卡滞声，判断右上侧散点群为卡滞群，其点数相对较少；左下侧 2组散点群判断上侧的为大值群，下侧的为小值群即 A 值群，作用行程 A 值随着止动位置的增加，按固定斜率整体下降，当止动位置约在 186.875 mm时，散点群发生突变，散点群整体上移（或者 A 值群上移变为大值群），之后散点群随着止动位置增加 再 次 呈 下 降 规 律，且 前 后 散 点 群 保 持 为 同 样斜率。（2）试验现象 2，统计试验数据发现，大值群变图 5样件 2 止动位置固定作用行程 A 值散点图图 6样件 3 止动位置固定作用行程 A 值散点图图 7样件 1 止动位置变化作用行程 A 值散点图74第 4 期制动缸止动位置对作用行程影响的试验研究化范围基本在 3.03.4 mm 之间；A 值群变化范围基本在 2.63.0 mm 之间，波动量约为 0.4 mm，试验 值 波 动 量 较 止 动 位 置 固 定 时 A 值 波 动 量 明 显增大。为了更加充分的研究止动位置变化对作用行程 A 值的影响，对于样件 2，加大试验次数，同时止动位置变化范围进一步扩大，分析其规律性。4.2.2样件 2 数据分析根 据 试 验 数 据 可 知，此 次 试 验 共 完 成 4 146次，对其制作止动位置变化作用行程 A 值散点图如图 8 所示，通过观察散点群分布，进一步发现了变化的规律性。（1）规律 1，本次重复性试验，止动位置范围及散 点 群 数 量 明 显 增 加，止 动 位 置 变 化 在 183.9187.65 mm 之间，变化范围为 3.75 mm，整个散点群呈周期性出现，周期大致为 0.75 mm，图 8 中共有 5 个周期。（2）规律 2，在每个周期内，基本都会出现 4 组散点群，根据试验经验判断每个周期内左下侧 2 组散 点 群 为 大 值 群 和 A 值 群，右 上 侧 为 卡 滞 群，且大、小值群随止动位置的增加，有按固定斜率整体下移的规律。（3）规律 3，观察发现，卡滞群基本都集中在每个周期的下半周期，即散点群的右上侧。为进一步分析样件 2 的规律性，对图 8 散点群中 散 点 数 最 多 的 第 4 个 周 期 放 大 处 理，如 图 9所示。（4）规律 4，观察图 9 散点群，发现其与图 7 散点群出现相似性，图 9 在止动位置约 186.525 mm时，也发生突变，规律性近似于图 7。（5）规律 5，统计试验数据发现，A 值群变化基本在 6.77.1 mm 之间，波动量约为 0.4 mm，该波动值也明显较止动位置固定时 A 值波动量要大。5 结论 通过试验分析，得出以下结论：（1）制动缸作用行程 A 值试验过程中会产生 3组三点群，为卡滞群、大值群和 A 值群。（2）卡滞点出现时，制动缸基本都伴随有明显的机械卡滞声，且试验数据较大。（3）当止动位置固定时，3 组散点群波动量都较小，其中 A 值波动量约为 0.1 mm，最大波动量基本在 0.2 mm 范围，数据一致性相对较好。（4）当止动位置变化时，A 值呈现周期性变化规律，周期约为 0.75 mm，并且在每个周期内 A 值随着止动位置的增加而逐渐下降，在 1/2 周期后，卡滞群开始出现，同时 A 值发生变化。（5）当止动位置变化时，A 值的波动量明显增大，约 为 0.4 mm，波 动 量 是 止 动 位 置 固 定 时 的24 倍。通过以上试验研究，发现了止动位置对作用行程 A 值的影响及相互规律性，对指导制动缸作用行程 A 值试验的一致性在工程化的应用上具有参考意义。参考文献1 韩晓辉，杨伟君，范荣巍，等.地铁、城轨车辆用盘形制动缸作用原理分析J.中国铁路，2010（8）：67-71.2 郭 垒，刘 鹏，范志军.一种机车车辆制动缸参数误差 影 响 分 析 J.铁 道 机 车 车 辆，2015，35（3）：33-35，41.3 袁立福，李元玲，赵金辉.铁路货车微机控制制动缸试 验 台 的 研 制 J.中 国 新 技 术 新 产 品，2016（12）：26-28.图 8样件 2 止动位置变化作用行程 A 值散点图图 9样件 2 止动位置变化作用行程 A 值散点图75铁 道 机 车 车 辆第 43 卷 Experimental Study on Influence of the Elastic Stop on Application Stroke of Brake CylinderBAI Wangwang2，KANG Xu1，2，YU Yuwei1，2，WANG Sujing1，2，QIAN Chen2（1 Locomotive&Car Research Institute，China Academy of Railway Sciences Corporation Limited,Beijing 100081，china；2 Beijing Zongheng Electro-Mechanical Technology Co.，Ltd.，Beijing 100094，China）Abstract：The application stroke of brake cylinder could affect parameter of brake clearance.In this paper,the influence of brake cylinder stop position on application stroke A value is discussed by making two schemes:the fixed application stroke test of elastic-stop position and the changing application stroke test of stop position.Through the experimental analysis shows that the fixed elastic stop of brake cylinder,fluctuations of A value is small,about 0.1 mm.That is good consistency;when the changing elastic stop of brake cylinder,the change of A value shows periodicity,the period is about 0.75 mm,and the fluctuations of A value is about 0.4 mm,which is 2-4 times of the fluctuations of A value when the fixed elastic stop.At the same time,it is found that there are relatively few abnormal data,accompanied by mechanical clamping sound during the test.Through experimental research,it is found that there is a certain regularity between the application stoke and the elastic stop.Key words：brake cylinder；elastic stope；application stoke A；experimental study76