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车辆减速器防超速降噪声技术的研究

文档作者: 屠志平 李凯华 高立中        文档来源: 安全管理网
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2012年12月 第48卷第12期 铁道通信信号 RAILWAY SIGNALUNG & COMMUNICAT10N December.2012 Vo1.48 No.12 车辆减速器防超速降噪声技术的研究 屠志平 李凯华 高立中 摘要:针对目前驼峰调车场在车辆车轮有污染或雨雪天气情况下溜放车组出口超速及车辆减速 器普遍存在的制动噪声问题,深入分析和研究溜放车组超速和减速器制动噪声产生的机理,结合 试验室对复合制动夹板的摩擦性能试验,研制出适用于既有减速器安装的防超速降噪声制动梁。 并根据上道样机各项性能的测试结果,对防超速降噪声制动梁的结构和对摩擦副材料、成分、组织 及结构进行优化改进,最终成功研制出能满足车辆减速器各项性能要求的防超速降噪声的制动梁。 关键词:车辆减速器;制动噪声;防超速;制动梁;摩擦系数 Abstract:Due to the pollution on vehicle wheels or under rainy and snowy weather conditions,a hump vard may have some common problems.such as over speed of car unit rolling at the exit and brake noise caused by car retarder.An in.depth analysis was made on the mechanisms of those problems and a kind of brake beam suitable for existing retarder installation was developed in combination of friction perform. ance test of complex brake splint in lab.According to the performance test results of a prototype,we optimized the structure of over-—speed protection and noise reduction of the brake beam and.improved the ma-· terial,composition,and structure of the friction pair of the brake splint.Finally,we developed a new an— ti-over·-speeding and noise--preventive brake beam that satisfies the perform ance requirements of current retarder installation. Key words:Car retarder;Brake noise;Over speed protection;Brake beam;Friction coefficient 车辆减速器(简称减速器)是自动化编组站 驼峰的主要调速设备,用以控制驼峰溜放车组的速 度。经过多年的发展,浮轨重力式减速器已经非常 成熟,可以满足运营需要。但是它也存在两点不 足,一是在驼峰调车作业中,如遇上溜放车组的车 轮有污染或雨雪天气的情况下,溜放车组容易出现 出口速度偏高和超速,超速连挂或撞车,造成车辆 和货物损伤,产生经济损失,影响安全和效率。其 二,减速器对车辆制动时产生高频高声压级尖叫噪 声,严重影响周边居住环境和作业人员尤其减速器 维修人员的身心健康。因此,需对这2个问题进行 深入研究,提出解决方案并研制出相应的产品。 1 减速器产生超速及制动噪声机理分析 国内的减速器以钳夹式为主,其制动方式是利 用安装在减速器上的制动轨(或制动梁)压向车 屠志平:中国铁道科学研究院通信信号研究所助理研究员 10008l 北京 李凯华:沈阳铁路局装卸机械厂工程师110044 沈阳 高立中:中国铁道科学研究院通信信号研究所 副研究员 100081 北京 收稿日期:2012-05-04 轮两侧而产生摩擦力对溜放车组的速度进行控制。 减速器制动轨一般由普通钢轨加工而成,与车轮材 料及硬度基本相当。 从微观上看,对摩材料的摩擦表面一般都是凸 凹不平的,具有一定的粗糙度。在干摩擦制动过程 中,两个接触表面可看作是很多个高低不平的突起 在相互接触。当对制动轨施加一定的制动力时,制 动轨与车轮接触的表面较高的微凸体首先接触,随 着较高的微凸体变形(峰顶被压平)又逐渐与较 低的微凸体接触。随着接触过程的进行,接触面积 逐渐增大,直至达到接触合力足以支撑外力为止。 接触表面的微凸体实际接触面往往具有极小的曲率 半径,在很小的法向载荷作用下就会产生塑性流 动。因此,在法向载荷作用下,两个粗糙表面的接 触通常是处于一种弹塑性混合状态,即较高的凸点 产生塑性变形,较低的凸点处于弹性变形状态。在 车辆减速器制动过程中,制动轨作用在车辆车轮两 侧的正压力比较大,摩擦接触表面形成塑性流动就 会比较明显,微凸体如果粘附结合脱落或突然松开 就会产生振动或以其他形式的能量发射,引起对摩 材料间的摩擦系数突变,从而导致摩擦噪声产生。 铁道通信信号2012年第48卷第12期 如果车轮有油污或在雨雪天气的情况下,制动 轨和牟辆车轮表面会形成一层油膜或水膜。当减速 器对溜放车组进行制动时,制动轨和车轮的摩擦接 触表面微凸体之间会形成无数个高压润滑区,使接 触表面之问在高压作用下被迫分离,导致减速器的 制动力急剧下降而使被制动车辆超出控制系统的定 速控制精度范同,造成超速连挂。 以上是减速器产生制动噪声和车辆超速连挂原 微观方面的分析。然而,影响摩擦性能的因素是 复杂的,既有微观的也有宏观的。有关研究认为, 材料的摩擦性能与摩擦系数变化幅度的大小、环境 温湿度、相对速度、正压力等因素有关,各种因素 微小的变化都有可能产生摩擦性能的变化,即使在 条件基本相同的情况下,摩擦性能也可能不同。因 此对于大多数摩擦材料,用微观的简单理论来分析 材料的摩擦性能是困难的。 2 防超降噪制动梁的设计 防超降噪制动梁(以下简称制动梁)是由与 车轮对摩的复合制动夹板和焊接制动梁装配而成 的,如 1,在设计时,需要考虑制动梁的结构强 度及复合制动夹板材料的摩擦性能。 2.1 制动梁设计原则 注:1 复合制动夹板; 2.焊接制动梁 图1 防超降噪制动梁 目前国内安装使用的近万台减速器,均使用普 通钢轨加工成的制动轨。为了能使新设计的制动梁 适应现有的减速器,在设计制动梁时,应满足以下 的没计原则: 1.与现有各种型号的减速器设备无缝联接。 2.满足减速器使用中的结构强度和联接强度 的要求。 3.便于复合制动夹板的安装、更换和维护。 2.2 复合制动夹板摩擦性能研究 理论分析认为,复合材料应具有防超速和降噪 — — 1 — — 声的特性,原因如下: 1.复合材料的压缩弹性模量比钢轨小2~3个 数量级,可显著增大车轮与制动梁之间摩擦接触 面积。 2.复合材料的导热系数比钢材低2个数量级, 能使表面流体膜受热而粘度下降,降低润滑效果。 3.复合材料中可包含各类纤维和粒状填料, 脱落后夹杂于表面流体问,呈现一定的磨粒磨损和 黏着磨损状态,从而增大摩擦系数。 4.复合材料能使介质由流体润滑状态向边界 润滑状态过度,破坏摩擦界面之间的高压流体,从 而使对摩材料的摩擦制动力保持稳定或降低较少。 5.复合材料对摩擦系数的稳定性比较好,能 有效地降低制动噪声。 但是,复合材料的使用范围也有局限性。用作 减速器夹板材料时,部分车轮外侧面有踏面辗轧出 的飞边,非常锋利,对复合材料剪切严重,导致夹 板的使用寿命很短,不适合直接使用。相比而言, 金属材料的硬度高,抗剪切性能好,而且通过调节 金属材料的成分、组织、结构等参数,也能明显改 善减速器防超降噪性能。因此,经过大量的试验, 发现有必要结合二者的优点,采用以金属材料作为 基底,复合材料用作填料,形成既抗剪耐磨,又具 有调节摩擦系数功能的整体式复合制动夹板的结 构,如图2所示。在此结构中,复合材料不再承 载,而主要起调节摩擦系数的作用。下面通过试验 来验证此种结构的材料性能。 图2 复合制动夹板梁 1)复合材料耐油性试验。通过销盘摩擦试 验,模拟减速器摩擦制动的工作状态,考察复合材 料在有油情况下摩擦系数的变化。试验设备选用 MG.2000型高速摩擦磨损试验机。盘试样材质为车 轮钢,洛氏硬度为26~29HRC。销试样为钢轨材 质及自制的复合材料。试验条件为:载荷5~ 20 MPa,速度9~14 km/h。耐油性试验结果见 表1。 试验结果表明:钢与钢的摩擦系数对接触表面 是否有油非常敏感。当摩擦表面有油时,摩擦系数 会下降到接近0;复合材料与钢的摩擦系数对接触 RAILWAY SIGNALLING& COMMUNICAT10N Vo1.48 No.12 2012 表1 耐油性测试结果(摩擦系数) 表面是否有油、油量多少的敏感性较低,当摩擦表 面有油时,摩擦系数保持在0.1以上。 2)复合材料制动噪声试验。通过试验模拟钢 轨和复合材料与车轮钢摩擦时摩擦系数变化的程 度,验证摩擦系数与摩擦制动噪声产生的相关性, 为合理选择降噪材料提供参考。试验参照GB/ 3960.1983塑料摩擦磨损试验方法,选用M一200型 摩擦磨损试验机,试验条件为:速度400 r/min, 压力500 N。使用环块试样、干摩擦滑动方式,比 较不同摩擦副在摩擦即将停止时摩擦系数变化幅度 及产生制动噪声情况,试验结果见表2。 表2 摩擦系数变化幅度与制动噪声 试验结果表明:钢轨与车轮摩擦副在速度降低 过程中,摩擦系数变化幅度比较剧烈;而复合材料 与车轮摩擦副在速度降低过程中,摩擦系数变化幅 度相对比较稳定;从产生制动噪声的频度来看,钢 轨与车轮摩擦副在8次试验中有7次产生了高频的 制动尖叫噪声,而复合材料与车轮摩擦幅产生的制 动尖叫噪声几率远远低于钢轨与车轮的摩擦副。 3)金属材料对摩擦性能的试验。通过控制材 料的组织、成分、结构及后续热处理工艺,能够有 效地改善金属材料的摩擦性能。试验主要参考 《GB12444.2006金属材料磨损试验方法》,选用M. 200型摩擦磨损试验机,通过传感器记录试件与车 轮摩擦副之间的摩擦系数,统计摩擦系数的标准差 来分析试件的摩擦性能。试验的条件为:载荷 200 N,转速200 r/rain,加压20 rain。使用环块试 样、干摩擦滑动方式比较不同成分、硬度下的材料 摩擦性能。 试验结果表明:金属材料的含碳量直接影响摩 擦系数大小,含碳量越高,越能有效降低黏着磨损 的程度,减小摩擦系数波动;材料硬度对摩擦性能 有影响,硬度越高,对摩材料的耐磨性就会增加, 但同时摩擦系数的稳定性就会恶化;金属材料的配 比中,碳、锰、磷、铜、钼5种元素对金属材料 的摩擦性能影响比较大。通过试验,找到了比较理 想的材料配方和工艺方案。 2.3 制动梁结构设计 参考早期减速器设备的焊接制动梁及国外研究 资料,拟采用焊接变截面的斜面制动梁结构方案, 复合夹板通过螺栓联接安装在制动梁上,如图1。 根据减速器的强度要求,对制动梁进行应力校核。 通过计算,应力校核符合设计要求。 2.4 现场测试结果分析 制动梁于2009年上道试验,通过现场试验, 对制动梁的结构及制动夹板的材料进行优化,最终 研究出更为合理的制动梁。为了全面了解制动梁的 防超降噪性能,对其性能进行了测试。 2.4.1 降噪声性能测试 测试仪器:TES1353噪声测试仪。测试方法: 噪声测试仪的传感器离减速器外侧制动轨轨顶 1 m,离地面为1 m。 图3-a是防超降噪制动梁瞬间噪声图,图3-b 是普通制动轨产生的制动尖叫噪声图,以C计权 方法测试,图中横坐标为频率,纵坐标为声压级, w表示为噪声能量平均值。从图3-a中可见,在各 频率分布处的声压级是连续变化的,没有突变,噪 声的能量主要集中在2 kHz频率以下,最高声压级 发生在频率0.25 kHz处,声压级为92 dB,在频 率3.15kHz处,声压级约为85 dB。从图3-b中可 见,普通制动轨容易产生尖叫噪声,频率在 3.15 kHz时声压级有突变,声压级超过130 dB, 且高的声压级主要集中在2 kHz频段以上。由此可 见防超降噪制动梁的降噪效果非常显著。 2.4.2 防超速性能测试 减速器防超速性能是通过测试减速器的单位制 动能高来反映。对于三部位的减速器,减速器设计 的单位制动能高为h=0.12(m/m),而在雨天或 者油污车轮,会分别降低到0.10和0.03(m/m) 的水平。如果新设计时安装制动梁的减速器的单位 制动能高能保证大于减速器的设计值,就能彻底解 决溜放车组超速的问题。测试方法是通过控制系统 的雷达速度曲线,计算出车辆的加速度,按以下的 公式计算单位制动能高。 — — — — 铁道通信信号2012年第48卷第12期 {t OCT {,12f22 ,0:22:08 a 防超降噪制动梁瞬间噪声图 {m oeT 12~08122 0 ’9:30 }l 普通制动轨噪声图 图3 制动噪声频谱图 加速度n= 其中: ,为减速器入口速度(km/h); 为减 速器出口速度(km/h);t为时间(S)。 位制动能高 =2 通过计算得出特殊情况下单位制动能高的数据 如表3. 表3巾第1次至第7次是雨天的测试数据,第 8次和第9次是在制动梁上涂油后的测试数据,从 表3可 ,单位制动能高的测试值都大于设计值, 平均值为0.19 m/m。因此,减速器安装制动梁能 有效防止溜放车辆超速情况的发生。 3 结论 通过对溜放车组的超速和减速器制动噪声的成 因进行系统分析,结合试验室和现场试验 对材料进行油水敏感性和降噪性能测试, 不断改变试验材料的成分、组织、结构和 硬度等,最终成功研制出减速器防超降噪 制动梁。该制动梁具有以下特点: 1.具有防超速功能。防超降噪制动 梁对油水的敏感性低,具有明显的防超效 果,单位制动能高完全满足设计要求,有 效地保障了调车作业安全。 2.具有降低制动噪声功能。与普通 制动轨相比,降噪有效率达到100% ,其 中80% 以上能降低20 dB (分贝),最高 分贝数分布在频率2 kHz以下,分贝数在 0~10 kHz上无突变,不再有刺耳的高声 压级的尖叫噪声,大大改善了调车场周边 的噪音环境,有利于作业人员的身心 健康。 3.全周期使用成本低。在一个大修 期内不需要更换制动梁,只需要更换分段 复合制动夹板,总成本低。而且夹板重量 轻,更换方便。 4.耐磨性和寿命满足使用要求。通 过对制动夹板材料的成分、组织、结构及 硬度调整,对中等作业量的驼峰调车场,目的制动 位减速器内侧制动夹板能使用5~8年,外侧制动 夹板能使用3~5年,可满足站场的使用要求。 参考文献 [1] 李岱峰,郭祥熹.T·JK T·JY系列车辆减速器[M]. 北京:中国铁道出版社,2002. [2] 戎巧根,杨峥,高立中.浅谈异常情况下的溜放超速及 事故处理方法[J].铁道通信信号2006(增刊)(42): 26—28. [3] 张继世.机械 [程材料基础[M].高等教育出版l丰十, 2000. 4] 周建明,吴忠明.编组站自动化驼峰调车安伞探讨 [J].铁道运输与经济,2003(12):30—31. [5] 余兴江.车辆减速器超速出口原因分析与解决办法探 讨[J].铁道通信信号,2010(3):39—40. 表3 特殊情况下单位制动能高 — — d —— (责任编辑:张利)
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