动车组燕尾型粉末冶金闸片结构

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　1 高速列车粉末冶金闸片结构类型
　　当前中国铁路开行的高速动车组主要有CRH1、CRH2、CRH3、CRH5系列，全部使用盘式制动方式。闸片与制动器安装接口分为燕尾型（含通用和非通用）、和非燕尾型两种。燕尾型闸片主要靠闸片背部的燕尾板安装在制动器上起到制动作用。目前闸片燕尾板与钢背之间的连接方式有两种：焊接式连接和铆接式连接。具体样式如图1和图2所示。
　　这两种连接型式在当前动车组制动过程中大量使用，在使用过程中也发现了很多问题。
　　2 两种连接结构存在的问题
　　虽然以上两种连接型式在当前动车组运用过程中大量使用，也暴露出很多存在的问题。
　　在闸片使用过程中，燕尾部位主要受到的力为制动过程中剪切作用。由于列车惯性很大，所受到剪切力也非常大。根据《动车组闸片暂行技术条件》（TJ/CL 307-2014）要求，闸片摩擦系数最高可高达0.55，双侧闸片制动压力最高位32kN。按照摩擦系数计算公式μ=F/N
　　μ为摩擦系数，F为摩擦力，N为正压力。
　　由于两种连接型式中，摩擦块与燕尾属于刚性连接，摩擦力即为燕尾所受剪切力。
　　通过以上公式可计算出，在摩擦系数选用0.55，双侧闸片制动压力选用32kN时，制动盘单侧单个闸片燕尾所受剪切力为8.8kN。如果考虑到闸片在制动瞬间所受的冲击，则燕尾所受剪切力会更大。
　　从结构上看，两种连接结构都属于刚性连接，闸片燕尾牢固程度全部依靠铆钉或焊接部位固定，一旦有一处固定点失效，很容易引起闸片整个燕尾部位固定不牢甚至脱落，严重影响列车的安全运行。
　　虽然在设计时选用适当材料，可以保证足够连接强度，生产过程中通过探伤等方式焊接和铆接缺陷，但是由于列车运行过程中所遇工况复杂多变，不能完全排除此种结构发生断裂的可能。
　　在列车运营过程中，多次发现燕尾不牢或闸片脱落现象。如2016年1月份，某铁路局发现配属的动车组在运行过程中轴盘外侧上一对闸片下半部分丢失。图3为脱落后的闸片燕尾与正常闸片比较图，闸片钢背以下部位从燕尾焊接处脱落。如果脱落闸片掉落在铁轨上，会给列车行驶造成很大安全隐患。因此有必要对这种结构进行改进，增加闸片使用过程中的安全性，避免重大事故的发生。
　　3 对闸片燕尾连接结构的改进
　　针对上述闸片燕尾使用过程中存在问题，有必要对闸片燕尾结构进行改进，以消除列车运行过程中的安全因素。
　　当前广泛使用的焊接式和铆接式闸片燕尾属于点式固定，受力点完全集中于焊接部位和铆接部位，受力较集中，存在失效风险。如果将点式固定更改为面式固定结构，将会从根本上消除燕尾脱落的风险。
　　为此，我们对闸片燕尾结构进行改进，在不改变燕尾安装接口的情况下，采用CNC一体加工工艺，来加工闸片的燕尾和钢背，使闸片燕尾和钢背成为一个整体。
　　由于采用了一体加工成型，闸片燕尾与钢背之间由最初的点连接变成了面连接，制动过程中闸片所受巨大剪切力不会集中作用于焊接处和铆接处，而是分布在整个燕尾和钢背连接面，发生脱落的可能而大大降低。
　　前文提到在制动过程中，单片闸片燕尾受力约为8.8kN。以图中铆接结构为例，闸片燕尾采用了8个铆钉进行铆接，假设采用φ6的铆钉，则闸片制动过程中，燕尾受力剪切面积为8*π*3*3=226mm2。
　　同理以图中的焊接结构为例，经计算闸片燕尾在制动过程中受力剪切面积为5*70=350mm2。
　　经实测，改进结构闸片燕尾的受力剪切面积为1900mm2，为铆接结构受力面积的8.4倍，为焊接结构受力面积的5.5倍。
　　由于闸片制动时燕尾所受剪切力是一定的，因此改进结构中单位剪切面积所受剪切力大大减少，极大的减少了闸片燕尾脱落的可能，大大增加列车运行过程中的安全系数。考虑到成本因素，虽然一体加工成型的燕尾钢背会增加部分闸片成本，相对于以安全性要求为首的动车运行成本，增加的闸片成本是可以忽略不计的。
　　4 结束语
　　本文针对动车组燕尾型粉末冶金闸片使用过程中的燕尾脱落问题进行了分析，并提出了改进型粉末冶金闸片燕尾钢背结构。
　　通过对其制动过程中受力分析，得出改进结构闸片燕尾的受力剪切面积为铆接结构受力面积的8.4倍，为焊接结构受力面积的5.5倍。由于闸片制动时燕尾所受剪切力是一定的，因此改进结构中单位剪切面积所受剪切力大大减少，安全运行系数大大增加。
　　参考文献：
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