（机械工程专业论文）抗闸瓦偏磨的加强型机车单元制动器的研制.pdf

大连理工大学专业学位硕士学位论文 摘要 铁路是国民经济的大动脉之一，担负着繁重的客、货运输任务。随着我国国民经济 的快速增长，为缓解日益增加的运输压力，我国铁路运输开始向高速客运和重载货运方 向发展。高速、重载列车的发展对列车制动系统提出了更新更高的要求。性能优良的机 车制动机是确保列车安全行车的重要技术装备。作为制动机中制动作用的直接实施机构 基础制动装置也随着技术升级换代，逐渐向轻型、单元化发展。产生了单元制动器 这样集制动缸、制动力放大机构、间隙调整机构为一体的新型制动装置。 然而在三轴转向架机车上时常出现的单元制动器闸瓦偏磨问题却严重威胁着行车 安全。本文通过对d z d 系列踏面制动单元在东风4 d d 型调车内燃机车上发生闸瓦偏磨 机理的研究，找出了造成闸瓦偏磨的深层结构因素。并针对结构上暴露出的问题，对 d z d 系列踏面制动单元进行了改型设计，设计出一种抗闸瓦偏磨的加强型机车单元制 动器。生产出的样机顺利通过了型式实验和上线试运行，彻底地解决了闸瓦偏磨问题。 为车轴具有较大横动量的三轴转向架机车，成功研制了可靠的单元制动装置，也为铁路 运输高速、重载的发展提供了技术保证。 关键词：制动机；单元制动器：闸瓦偏磨：型式试验 抗闸瓦偏磨的加强型机车单元制动器的研制 s t u d yo nt h ea n t i - b r a k es h o ep a r t i a lw e a rr e i n f o r c e dt y p el o c o m o t i v e b r a k e 踟i t a b s t r a c t r a i l w a ya so n eo f t h ea r t e r i e so ft h en a t i o n a le c o n o m y ，i sr e s p o n s i b l ef o rp a s s e n g e ra n d f r e i g h tt r a n s p o r t a t i o n w i t ht h er a p i dg r o w t ho fc h i n a sn a t i o n a le c o n o m y ，i no r d e rt oe a s et h e g r o w i n gp r e s s u r eo nt r a n s p o r t ，c h i n ah a sb e g u nt oh i 曲一s p e e dr a i lp a s s e n g e ra n dh e a v y f r e i g h td i r e c t i o n t h ed e v d o p m e n to fh i g h - s p e e da n dh e a v yl o a d i n gt r a i n ss e ts t i l lh i g h e r r e q u i r e m e n t so nt r a i nb r a k es y s t e m f i n ep e r f o r m a n c el o c o m o t i v eb r a k ei st h ei m p o r t a n t e q u i p m e n tt oe n s u r et h et r a i ns a f e l yr t m n i n g a st h ed i r e c ta c t u a t o ro fb r a k i n ge f f e c ti nt h e b r a k e ，t h ef o u n d a t i o nb r a k i n ge q u i p m e n ta l s ot u r n st oan e wg e n e r a t i o na l o n gw i t ht h e t e c h n i c a ld e v e l o p m e n ta n dg r a d u a l l yt ot h el i g h t ，t h eu n i to fd e v e l o p m e n t i th a sp r o d u c e d s u c han e wt y p eo fb r a k i n gd e v i c ew h i c hc a l l e db r a k eu n i tt h a tg a t h e rb r a k ec y l i n d e r ，t h e m a g n i f y i n gm e c h a n i s mo fb r a k i n gf o r c e a n dam e c h a n i s mf o rc l e a r a n c ea d j u s t m e n ti n i n t e g r a lw h o l e h o w e v e r , b r a k es h o ep a r t i a lw e a l - o f t e nt a k e sp l a c eo nt h eb r a k eu n i t sw h i c hi n s t a l l e di n t h el o c o m o t i v e sw i t ht h r e e a x l eb o g i e ，a n di t sas e r i o u st h r e a tt ot r a f f i cs a f e t y i nt h i sp a p e r , b ym e a n so fr e s e a r c ho nt h em e c h a n i s mo fd z d s e r i e st r e a db r a k eu n i tt o o kp l a c eb r a k es h o e p a r t i a lw e a ri nd f 一4 d dt y p ed i e s e ls h u n t i n gl o c o m o t i v e ，w ef i n do u tt h ed e 印r e a s o ni n s t r u c t u r eo fb r a k es h o ep a r t i a lw e a l a n df o re x p o s e ds t r u c t u r a lp r o b l e m s ，d z ds e r i e st r e a d b r a k eu n i tc a r r i e do u tam o d i f i c a t i o nd e s i g n ，a n dak i n do fa n t i b r a k es h o ep a r t i a lw e a r r e i n f o r c e dt y p el o c o m o t i v eb r a k eu n i tw a sd e s i g n e d p r o d u c t i o no ft h ep r o t o t y p es u c c e s s f u l l y p a s s e dt h et y p et e s ta n dt r i a lo p e r a t i o no nt h el i n e ，o n c ea n df o ra l lb r a k e ss h o ep a r t i a lw e a r p r o b l e m s i td e v e l o p e dak i n do fr e l i a b l eb r a k eu n i ts u c c e s s f u l l yf o rt h el o c o m o t i v e sw i t h t h r e e a x l eb o g i e ，a n dg i v et e c h n i c a ls e c u r i t yf o rt h ed e v e l o p m e n to fh i g h - s p e e da n dh e a v y l o a d i n gi nr a i l w a yt r a n s p o r t a t i o n k e yw o r d s ：b r a k e ；b r a k eu n i t ：b r a k es h o ep a r t i a lw e a r ；t y p et e s t i i 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用蠹容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一圊王作的嚼志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文题目：垃溷幽篚逊! 经弛垒氢型邈迢盘蚴 作者签名： 幺：习鲴譬期：圣丝圣年墨月互鑫 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本入完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期间 论文工作的知识产权属于大连理工大学，允许论文被查阅和借阅。学校有 权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印、或扫描等复裁手段保存和汇编本学位论文。 学位论文题目：扬。龃区趔篚边毖型五辽幽劢坦丝测 作者签名： 导师签名： 日期：丝翌丝年且月监日 日期：墨2 翌屋年且月盟日 大连理工大学专业学位硕士学位论文 1 绪论 1 1 研究背景与意义 改革开放3 0 年来，我国国民经济持续稳固地向前发展，国家建设的方方面面都取 得了可喜的成就。铁路的建设同样得到了极大的发展。 截至2 0 0 5 年底，全国铁路营业里程己达7 5 2 0 0 k m ；其中国家铁路6 万多公里，合 资铁路7 6 0 0 多公里，地方铁路4 7 0 0 多公里；居美、俄之后，列世界第三，亚洲第一；为 建国初期的3 3 倍【l 】。2 0 0 2 年货物列车平均总重达2 7 8 9 吨，中国铁路货物平均总重水 平在美国、俄罗斯、加拿大之后列世界铁路第四位【1 】。 十六大提出“全面建设小康社会”。到2 0 2 0 年我国城镇人口比例将达到6 0 左右， 将有4 亿多农业人口转移到城镇；同时，我国国内生产总值要比2 0 0 0 年翻两番，g d p 年均增长将在7 以上。作为经济的大动脉，铁路的客、货运需求必将持续增长。预计 到2 0 2 0 年，我国铁路负荷将高居世界榜首，我国铁路的综合运输能力至少需比目前增 加一倍以上，才能基本满足需要。客、货运量将分别达到4 0 亿人次和4 0 亿吨。 为满足运输的需要，我国铁路实现了5 次全面大提速【2 1 。铁路运输全面向高速客运 和重载货运的方向发展。而无论高速还是重载，“制动 都是一个非常关键的问题，为 保证机车运行的安全，只有在能够实施有效制动的前提下，机车的速度和载重量才可以 进行实质性的提高。安全可靠的制动是实现铁路运输高速、重载发展的基本保证。 为了产生制动作用而在列车上加装的机械装置，称为制动机【3 】。我国从事铁道车辆 制动技术的工作者为发展我国铁道机车车辆的制动技术做了大量的工作，并在很多方面 取得了良好的效果。但就机车制动机而言，因其牵引的车辆制动机种类繁多，机车制动 机技术的研究技术难度大，目前我国机车制动机技术基本上停留在上个世纪八十年代的 水平，已经远远不能满足时代的需要【2 】。 随着列车速度的加快，对其自身运行安全性的要求也不断提高。要求列车制动装置 具有更可靠的制动能力。而机车上闸瓦偏磨等制动故障的时常出现，却使机车的制动能 力下降，严重威胁着行车安全：同时增加了列车的运行阻力，降低了铁路的运能。因此， 研究和设计新型的制动机以提高列车制动效能和安全性，就成为了保障铁路运输高速、 重载发展所急需解决的关键技术问题。 抗闸瓦偏磨的加强型机车单元制动器的研制 i l 。2 制动技术的发展情况 1 2 1 列车常用制动方式 人为地镬列车降低运行速度或停止运行，以及使静止的列车继续保持静止状态，这 种作用称为制动p j 。 鬻前列车常用的制动方式主要有两种：粘着制动和菲粘着制动【4 】。 制动力由车轮与钢轨之间的摩擦力产生的制动方式，称为粘着制动或称摩擦制动。 施行粘着制动时，制动力受轮轨间的粘着力的限制，最大制动力不超过粘着力，粘着制 动是西前主要的制动方式。闻瓦制动、盘形制动、液力制动、电阻制动、旋转涡流制动 及再生制动等制动方式都属于粘着制动【5 】。 铡动力不是通过车轮与钢轨之间摩擦力产生的制动方式，称为非粘着制动。孰道电 磁制动和轨道涡流制动等都属于非粘着制动，其制动力大小不受轮轨间粘着力的限制。 非粘着制动目前主要作为一种辅助的制动方式用予糙着制动力不够的高速旅客列车上。 闸瓦制动罴粘着制动最常用的一种方式。它通过闸瓦压紧轮对踏面时产生强大的摩 擦力，使列车大部分动能转化为热能，进而实现制动。闸瓦制动是阏前国内列车上使用 最广泛的一种铡动方式，它的优点在于制造工艺简单、成本低、制动力大、使用方便， 不受天气条件的限制、制动时还能通过清理踏面改善车轮与钢轨的粘着。 但是阐瓦铡动也存在着很多缺点【6 】： ( 1 ) 摩擦系数随速度提升而迅速下降。 ( 2 ) 高速时不能充分利用轮轨问的粘着系数而使制动效率降低、低速时又易发生冲 动及擦伤车轮踏面。 ( 3 ) 使机车车辆运行时的噪声明显增大。 鳓阐瓦在车轮上摩攘时，会产生大量的热能，磨损快，须不定期地更换，资源消 耗大。 基予以上特点，冒前国内货运列车大都采用阚瓦制动方式。 采用压缩空气推动的闸瓦制动技术已有一个世纪以上的历史，在这段时间内，制动 技术虽然有了很大的改进和发展，但目前世界各国铁路采用空气制动仍占绝对优势。即 使在电力、内燃等牵引技术全面发展、电气制动广泛应用的今天，列车的制、停仍是用 空气制动来完成。当然随着交流技术的应用以及2 0 0 k m h 以上高速列车的出现，涡流 制动、磁轨制动等薪的铡动技术将获得一定的发展，丽压缩空气推动的阉瓦( 或阉片滞l 动方式将会作为一种安全停车方式得到保留【7 1 。 大连理工大学专监学位硕士学位论文 。2 。2 罾海外机车制动机发展情淀 ( 1 ) 国内发展状况 我冒铁道机车车辆裁动枧发展走过了从完全迸鼙、技术零l 进、国产化改造到自主研 制的整个过程。在我国铁路事业发展的早期，机车制动机几乎完全依赖进口，且绝大部 分是美国书斯汀毫焱系统的空气制动机，如蒸气机车上就是安装的美国单端操纵的e t 一6 型机车空气制动机1 8 。 到了2 0 世纪6 0 年代初期，美圈由e t 6 演变成的适应双端操纵的e l - 1 4 型机车空 气制动机才开始在我国的电力、内燃机车上装用。2 0 世纪世纪7 0 年代这两种机车制动 机在我国还处于数量上的绝对地位，直至2 0 世纪8 0 年代才逐步淘汰。 e t 6 和e l - 1 4 型枫车空气刽动梳是美国笈氆纪2 e 年代的产品，这些产菇在结构 上存在操纵时手柄沉重( 操纵力过大，有时用双手去扳，还不易扳动) ，操纵长大列车时充、 排气缓慢等一系列缺点。 为解决这一系列问题，适应中圜铁路运输的需求，2 0 世纪7 0 年代后期，我国相继 研制成功了j z 7 型机车空气制动机和d k - 1 型机车电空制动机，并在2 0 世纪8 0 年代初 期开始在内燃和电力祝车上批量装车使用。 j z 7 型机车空气制动机及d k - 1 型机车电空制动机是分别在美国2 6 - l 型机车空气 制动机及法雷p b l 2 型机车按钮制动机的基础上，按照中国铁路枫车的有关标准与规程 等要求，由我国制动科技人员自行开发的新型机车制动机e g l 。这两种制动机通过利用客、 赞车转换阀能够在客货机车上兼用。在结构上取消了回转阀、滑阀、鞲鞲胀圈等研磨件 ( 除d k - 1 垄机车电空制动机中的1 0 9 型分配阀保留了一个滑溺与节制阀) ，大量采用橡 胶模板柱塞阀、止回阀及o 型橡胶密封圈。延长了检修周期，使制造、运用、维护保养 等工作较为方便。这两种制动枕都具有低压过充性能。它们采用具有懿好的充、摊气功 能的中继闯，从而根本上克服了原有机车制动机充、排气性能不能满足长大列车使用要 求的弊端。2 0 世纪9 0 年代，制动机的重联、列车电空制动控制、与列车运行监控记录 装置的配合、空电联合制动等多项技术也在这两种机车制动机上得到广泛的应用。 然而在2 0 多年来的工程应用中也暴露出一些问题，包括部分部件设计上的不足以 及制造方面的质量问题，影响了使用。由于它们信息化技术应用的滞藤，已难以满足现 代列车操纵、控制和安全性能的要求【l o l 。 我国铁路运输当前向高速和重载方向的发展。对规车制动系统提擞了更新更高的要 求。减d , n 车的制动冲动，缩短制动距离，充分利用动力制动以减少基础制动装置的磨 耗，提高制动系统可靠性和安全性，实现制动系统的故障检测、诊断、显示与报警等功 能，已成为未来的发展方向。 垫! 堡堡壁! ! ! 堡型竖呈垂! ! 塑墨! 堑型 酗11d k1 型制动机原理图 f i g1 ls c h e m a t i cd i a g r 加o fd k 一1b r a k e ( 2 ) 国外发展状况 国外机车制动机的发展经历了从简易到复杂、从空气制动机到电空制动机、功能越 来越完善的发展过程。在这方面美国的发展过程很有代表性。 在美国，最初使用的机车制动机是直通式的，尔后发展为由两个主要部分所组成 一是以调整制动管压力来控制机车制动机和列车制动机的自动制动部分，另一是仅仅控 制机车上直通空气制动系统的独立制动部分。当然独立制动部分的单独制动阀也可以缓 解机车制动机的自动制动作用。1 9 0 6 年，开始在蒸汽机车上使用e t 6 型空气制动机， 至今仍然在使用，在某些方面虽有所改进，但改变并不太。e t 6 型制动机很早就引进 我国，在我国铁路上曾经得到广泛的运用j 。 e l 1 4 型空气制动机是由e t 6 型制动机加以改造使之适用于内燃、电力机车的制 动装置。其作用原理与e t 6 型制动机基本相同。e l - 1 4 制动机根据操纵的需要而采用 不同的部件。单端操纵，采用k - 1 4 - b 制动阀和6 - k r 分配阀；双端操纵，采用k 一1 4 - a 制动阀、k - 1 4 - f 单独制动阀和1 4 - k r 分配阀以及切换阀、重联塞门等部件。 e t 一6 及e l - 1 4 型制动机都是采用滑阀、回转阀及金属鞲鞴涨圈式的结构。其结构 复杂，检修圃难。由于现代内燃机车和电力机车的广泛应用，并由于列车速度的提高和 大连理工大学专业学位硕士学位论文 牵引吨位、长度的不断增加，e l l 4 型制动机与e t 6 型制动机一样都不能满足要求了。 经过约3 0 年的运用实践，在e t 6 型制动机的基础上设计了e t 一8 型制动机，1 9 3 4 年起 在蒸汽机车和电力机车上使用。 e t 8 型制动机使用l 8 a - p a 或k - 8 p a 制动阀和8 a 机车分配阀。其作用原理与 e t 6 型制动机基本相同，保存了e t 6 和e l 1 4 型制动机的优点，还增加了许多优良的 性能以适应列车速度提高和列车长度、重量增加的需要。e t 8 型制动机的主要特点如 下【1 l 】 由于8 a 分配阀采用具有减压室的三室风缸，其作用是保证制动时，机车制动机 开始制动的时间稍迟于后部的车辆，以防止车辆间产生巨大的冲击力； e t 一8 型制动机的l 8 一p a 制动阀设有初制动位。初制动位是为了便于控制长大货 物列车设置的。它可以使均衡风缸以较快的速度减压4 0 k p a 之后再缓慢减压，这样可以 保证激起长大货物列车尾部车辆制动机的作用而又不至于使前后车辆制动管的减压速 度相差太大； 在分配阀上设有客、货车转换装置，可以根据操纵客货车的要求调整紧急制动作 用。当操纵旅客列车或短货物列车时，将转换装置移置客车位，如施行紧急制动时，则 可使制动缸迅速充气；当操纵长大货物列车时，应将转换装置移置货车位，如施行紧急 制动时，则制动机缓慢充气，使之与a b 控制阀紧急制动的制动缸压力三阶段上升曲线 相吻合； 由于制动阀能对分配阀作用室补风，从而保证了紧急制动的制动缸压力较之常用 全制动提高2 0 ； 为了适应采用大容量制动缸的需要，在设计中采用了由空气分配阀控制的制动缸 中继阀，并与e t 6 一样具有制动缸自动补风性能。在e t 一8 制动机的结构设计中还着重 解决了空气分配阀和制动缸的洁净问题。 二十世纪三十年代，由于受到当时设计生产的a b 货车制动机的影响，机车制动机 设计也提出了新的方向，出现了名为h s c 的高速列车制动机。h s c 制动机采用m s 4 0 制动阀、s 一4 0 c 单独制动阀和d 2 2 - e r 分配阀【l l 】。 该制动机不但适应于单机牵引，也适用于多机牵引和新的内燃机车。这是美国铁路 第一个用于高速列车具有高制动率的制动机。h s c 制动机在速度降低时，由速度压力调 整器分4 阶段降低其制动率。制动机可以施行自动空气制动或自动电空制动。除此之外， 该制动机还具有安全控制和列车自动控制等特点。 抗闸瓦偏磨的加强型机车单元制动器的研制 到了1 9 3 8 年，出现了2 4 r l 型机车制动机。2 4 r l 型机车制动机是在h s c 系统上 进步发展的结果。货运蒸汽机车的2 4 - r l 制动机采用d e 一2 4 - t 制动阀、s 4 0 e 单独 制动阀和d 一2 4 空气分配阀等部件：货运内燃机车则稍有不同，采用d s 一2 4 制动阀【1 。 2 4 r l 制动机的作用原理和h s c 制动机基本相同，但制动阀和空气分配阀的结构 却有很大的不同。 从最初设计2 4 一r l 制动机的时候起，就力求使制动阀只起操纵机车的作用，其它配 气作用大部分由独立的机构负担，这就是当时的所谓“积木化”原则。于是采用了大量 的单独部件，并组装在专用的阀体上，这样可以大大简化连接管路。检修时，座上的制 动阀和其它部件可以取下而不必拆动管接头。 在制动阀结构设计上考虑到它和制动管给气装置、安全装置及电操纵装置的组合， 因此可保证满足不同条件下的各种运营要求。 2 4 - r l 制动机的制动阀、分配阀等部件虽在结构上较过去有了新的变化，但仍然是 采用滑阀、回转阀和金属涨圈的结构。 二十世纪五十年代中期( 1 9 5 6 年) ，美国研制了一种轻型列车用的2 6 l 型机车制动 机。之后不久，2 6 l 型机车制动机就成了美国铁路上的标准型机车制动机。2 6 l 机车 制动机具有干线机车运用所需的绝大部分性能，还增设了若干特殊性能，例如，安全控 制、超速控制和列车自动控制等等。该制动机可与e t 6 、2 4 r l 等旧型制动机重联运行。 由于当时化学工业的发展，橡胶模板和“o 形圈已得到了大量的使用，所以2 6 l 型机 车制动机在结构设计上又有了重大的改进。采用凸轮、橡胶模板和“o 形圈柱塞阀等 新型零部件来取代2 4 r l 制动机上的滑阀、回转阀等老部件，达到重量轻、检修方便和 作用灵敏可靠的目的。 随着电子工业和计算机的飞速发展，二十世纪八十年代，w a b c o 公司生产出了 电一空联合控制制动系统e p i c 。计算机控制装置及接口在e p i c 系统中起大脑的作用， 具有将制动指令进行逻辑控制及编译发送与灵活应变的能力，能对速度进行实时控制。 1 9 9 7 年，w a b c o 公司铁路电子分部设计了e p i c 的新一代产品e p i c i i 系统，e p i c i i 系统完全适用于原先应用2 6 一l 设备的机车【1 2 1 ，气动装备采用集成化设计，使得更换快 捷便利，还增加了诊断功能，可对现场更换的气动模块进行性能诊断。 由纽约空气制动机公司f n y a b ) 生产的计算机控制制动系统( c c b ) 是以微机为主的 制动系统，其设计用来为干线货车和客车提供全自动和单独制动控制。c c b i i ( c o m p u t c r c o n t r o lb r a k ei i ) 系统是c c b 的下一代【i3 1 ， 设计成可为干线货车和客车提供全自动和单 独制动控制。c c b i i 是一个基于网络的系统，整个系统由4 个主要组件组成，这4 个主 大连理工大学专业学位硕士学位论文 要组件是电子制动阀( e b v ) 、扩充了的集成处理器模块( x i p m ) 、继电器接霞装置( r i m ) 和电空控制单元( e p c u ) 。 除美国以外，在欧洲，近几年德国k n o r r 公镯又在c c b i i 制动系统的基础上，推 出了适合于欧洲大陆各国联运的模块化制动系统m b s 。与c c b i i 相似，m b s 制动系统 能够更大范围的适用于不同的机车。模块化的设计使得检修和更换有缺陷的零部件更加 快捷便利，适时的自动诊断功能有勒于取消不必要的维护工馋。 ( 3 ) 闸瓦制动装置性能的改进 墨前我国现有的车辆制动机均为自动式空气制动机，普遍采用的割动方式是摩擦制 动，主要有闸瓦制动和盘形制动。盘形制动是通过将闸片夹紧制动盘，使闸片与制动盘 问产生摩擦而起到制动作用，多用于高速客运列车上【1 4 】。而其它的制动方式如电阻制动、 再生制动、轨道电磁制动等目前仍只作为辅动制动。因闻瓦制动方式还是货运机车主导 的制动方式，闸瓦制动性能的改进也就成为制动机研究的重点之一。 闸瓦的铡动能力与阉瓦、车轮之闻的摩擦密切相关。为了改进阑瓦翻动效能。常用 的方法是通过使用新材料来改变闸瓦与车轮之间的粘着力【l5 1 。目前研究和应用较多的主 要是中磷阉瓦、离磷闸瓦、合成阑瓦和橡胶岩棉阍瓦。 自上世纪6 0 年代以来，我国列车使用的闸瓦多为含磷燕为0 7 1 o 的中磷铸铁 闸瓦。实践证明，中磷闸瓦在使用中存在较多缺点。尤其是耐磨性能差，使用寿命短。 焉高磷阐瓦在耐磨耗、耐离温、摩擦系数稳定性。及效益等方面均优于中磷闻瓦，耐磨性 为中磷闸瓦的2 5 - 3 0 倍【1 6 1 。但高磷闸瓦由于材质脆性大、高温强度低、导热性能差， 所以在制动时容易产生裂纹。 针对高、中磷铸铁闸瓦的缺欠，国外很早就开展了对高摩擦系数合成闸瓦的研义， 欧美一些发达国家，如美国已采用合成闸瓦替代铸铁阑瓦。高摩擦系数合成阍瓦制动力 大，蘑耗量较小，使用寿命长。另外，在制动时噪声小、无火花和粉尘，制造成本也比 较低f 1 7 】。 橡胶岩棉溺瓦的耐瘗程度高予合成阑瓦和中磷阕瓦，耐磨性为合成阉瓦的2 倍，为 中磷闸瓦的5 倍以上，具有制造成本低、耐磨性能强、使用寿命长、照换方便及效益显 著等特点。 金属陶瓷闸瓦与铸铁闸瓦相比，具有较高的摩擦因数，摩擦因数与抱闸力之间的关 系良好，使用寿命长。虽然金属陶瓷早己成功地应用于高效圆盘制动机结构内，但因制 造复杂丽导致其价格昂贵。材料硬度高丽难以磨合是金属陶瓷闸瓦不熊均匀贻合到车轮 踏面上的原因，因此在安装新闸瓦后不可避免地会出现偏高的接触应力区。金属陶瓷的 导热性魄灰铸铁差，因此俺入车轮的制动麓量眈采震灰铸铁制动阕瓦时大王5 。 抗闸瓦偏磨的加强型机车单元制动器的研制 在闸瓦和车轮条件一定的情况下，要进一步提高制动机性能就必须对制动机中制动 作用的直接实施机构- 基础制动装置的结构加以创新和改进。 基础制动装置由制动缸、制动传动装置、闸瓦间隙自动调节器及闸瓦等几部分组成， 它是制动机的最终执行机构，其作用是将制动活塞的推力增大一定的倍数，均衡地传给 各个闸瓦，并使闸瓦压紧车轮产生制动作用【1 9 】。 1 ) 闸瓦；2 ) 闸瓦托；3 ) 竖杆；4 ) 调整器：5 ) 制动缸。 图1 2 基础制动装置基本结构 2 0 3 f i g l2t h eb a s i cs t r u c t u r eo ff o u n d a t i o nb r a k i n ge q u i p m e n t 制动缸( 俗称闸缸) 是产生制动原力的元件，它受作用阀的控制产生动作。制动时， 总风缸的压缩空气进入制动缸内，将制动缸活塞推出，起制动作用；缓解时，制动缸内 的压缩空气从作用阀排风口排出，缓解弹簧把制动缸活塞推回原位，起缓解作用。制动 缸的种类很多，但其构造基本相同，即由缸体、活塞、活塞推杆及缓解弹簧等组成。 制动传动装置是由制动缸活塞推杆至闸瓦间的杠杆、拉杆和闸瓦托吊等组成。各杆 件通过圆柱销铰接，铰接处均装有衬套。制动传动装置的作用是将制动缸产生的制动力 应用杠杆原理增大若干倍后，均衡地传给各个闸瓦。制动传动装置悬置于转向架的构架 上，其型式有单侧闸瓦制动和双侧闸瓦制动两种。单侧闸瓦制动只在车轮的一侧设有闸 瓦，双侧闸瓦制动则在车轮的两侧各设一块闸瓦。 机车在运用过程中，闸瓦及车轮踏面逐渐磨耗，特别是在长大下坡道连续制动的情 况下，闸瓦磨耗尤其显著，致使闸瓦间隙不断增大。同时，各杠杆连接销、孔的逐渐磨 耗，也导致制动缸活塞行程的增大。机车制动缸活塞行程的增大，虽然不会导致制动缸 压力的降低( 因为机车作用管的压力控制了制动缸的压力) ，但是会增加制动缸缓解弹 簧的反拨力、制动空走时间及列车纵向冲击作用。 大连理工大学专业学位硕士学位论文 因此，在运用中必须及时对变化了的制动缸活塞行程进行调整，使之保持在规定范 围之内。闸瓦间隙自动调节器就是实现这种调整功能的装置【3 】。 随着技术升级换代，基础制动装置逐渐向轻型、单元化发展，产生了单元制动器这样 集制动缸、制动力放大机构、间隙调整机构为一体的新型制动装置。单元制动器与老式 杆系制动装置相比，在提高制动效率、减轻机车重量、均匀分配制动力、改善转向架动力 学性能以及减少维护量等方面作用明显l z 。 单元制动器目前已成为机车车辆制动系统的重要组成部分，是把空气压力转化为机 车车辆制动力的执行部件。它对机车车辆运行的安全性、可靠性有着重要的影响。 单元制动器内部设有闸调器和放大机构。它们克服了传统的制动缸杠杆式制动装置 效率低，磨耗大，闸瓦间隙不准确，维修量大的缺点，其体积小，质量轻，空行程时间短，效率 高。经过多年的使用表明，其性能稳定，作用可靠，维护性好。特别是国内近几年机车车辆 提速以来大量采用，其优越性显现出来。近几年主要新造机车、动车、地铁、轻轨上均采 用单元制动器，随着铁路运行速度的提高部分货车也开始采用单元制动器。 ( 4 ) 制动装置的常见故障 目前货运列车普遍采用的是闸瓦制动方式，较大的制动能力和较低的成本使其得以 普遍采用，但存在着诸多问题。 闸瓦抱死 当施行缓解时，闸瓦未能离开车轮踏面这一故障称为闸瓦抱死。闸瓦抱死时由于闸 瓦与轮箍间的剧烈摩擦，导致大量发热，致使轮箍温度升高、膨胀，严重的还使轮箍外 串造成脱线事故，因而闸瓦抱死对行车安全构成严重威胁。 闸瓦脱离 由于列车在高速运行过程中频致制动，闸瓦所受的冲击力非常大，容易使闸瓦松动， 造成闸瓦脱离，严重影响行车安全。 闸瓦偏磨 闸瓦偏磨将减小闸瓦与车轮踏面的接触面积，使得闸瓦的制动能力下降。闸瓦任一 侧厚度磨到极限后整块闸瓦即报废，导致材料的浪费和运营费用的增加【5 】。闸瓦偏磨在 其它国家也有报道。日本车辆工学对日本车辆运用检测现场的统计表明，所换闸瓦 约8 5 是由于偏磨造成的。偏磨也增加了列车的运行阻力，降低了铁路的运能。如果 能解决偏磨现象，可使目前机车提高牵引吨位7 1 以上。 一9 一 抗闸瓦偏磨的加强型机车单元制动器的研制 1 3 本文研究的主要内容和方法 1 。3 1 本文研究的主要内容 本文通过对d z d 系列踏面制动单元在东风4 d d 型调车内燃机车上发生闸瓦偏磨机 理的研究，找出造成闸瓦偏磨的原因。针对暴露出的问题，通过筛选找出最合适的设计 方案，设计出一种抗闸瓦偏磨的加强型机车单元制动器。最大限度上消除闸瓦偏磨现象， 避免闸瓦和车轮踏面的非正常磨耗，减少不必要的经济损失，保障机车的安全运行。 最后对生产出的样机进行型式实验和上线试运行，验证该新型机车单元制动器的研 究达是否到了预期的目标。 1 3 2 本文研究的主要方法 本文的研究方法是首先到故障机车所在机务段进行现场勘察，掌握发生故障的机车 单元制动器实际工况的第一手材料；并对其加以分析，进而找到引起闸瓦偏磨的原因。 随后针对找到的故障原因进行综合考虑，提出多种解决方案，并对各方案进行筛选。筛 选时要重点考虑以下几个因素：1 技术上的可行性、可靠性和先进性；2 设计、试制以 及批量生产的成本；3 开发和生产周期的长短。以这些为标准进行筛选，找出综合性能 最好的方案。在选定方案的基础之上，研究具体的实施方法。找出设计中的关键因素， 对方案进行优化，完成原理和总体方案的设计。并在此基础上进行细节的结构设计，最 终形成各方面较为完善的设计。将新型单元制动器进送到机车行业鉴定部门进行型式试 验以取得装车资格认证。并通过在机车上的装备试用，以实践来检验新型单元制动器的 性能，最终解决机车的闸瓦偏磨问题。 大连理工大学专鼗学位硕士学位论文 2 技术调查与方案论证 壶中鬣北车集匿大连机车车辆有限公司生产麴d z d 系列踏面截动单元是一种采髑 闸瓦制动方式的机车单元制动器，大量装用于东风系列各型客、货运机车，一直运行状况 良好。盘从在东风4 d d 型调车内燃机车( d f 4 d d ) 上装用瘸，出现了一定程度的阕瓦 偏磨问题。尤其以福州和秦( 皇岛) 东机务段反应最为强烈。 经到秦东机务段实地检查发现阐瓦偏磨现象十分严重，并存在一定程度的闸瓦不缓 解的现象。闻瓦偏磨有上下偏磨、左右偏磨和内外侧偏蘑三种。上下偏蘑可由闻瓦托囱 位机构通过调节闸瓦托的倾角来克服，本文所谈的闸瓦偏磨主要是指闸瓦发生左右偏磨 和内乡 侧偏磨的情况。闸瓦不缓解是指司机完成缓解动作后阑瓦仍紧贴车轮踏蓊，溺瓦 及各运动件不能回复到缓解位置。 阐瓦偏磨将减小阐瓦与车轮踏西的接触面积，使得阐瓦的制动能力下降。阐瓦任一 侧厚度磨到极限骺整块闸瓦即需报废，导致材料的浪费和运营费用的增加。 机车闸瓦不缓解和闸瓦偏磨都会严重危及行车安全。首先，闸瓦偏磨将减小闸瓦与 车轮踏面的接触瑟积，降低了机车铡动力，使制动距离加长茹2 l 。而且偏磨后的阑瓦一侧 到限后整块闸瓦即需报废，导致材料的浪费和运营费用的增加。闸瓦偏磨在其它国家也 有报道。日本车辆工学对基本车辆运用检测现场的统计表明，所换阑瓦约8 5 是 由于偏磨造成的。偏磨也增加了列车的运行阻力，降低了铁路的运能。如果能解决偏磨 现象，可使目前机车提高牵引吨位7 1 以上。 。闸瓦不缓解现象的存在贝| j 能使机车制动装置失去制动效果。在机车运行过程中，闸 说仍紧贴车轮踏砸，造成机车运行阻力增大，阵低了机车的车钩功率，而且使车轮踏面 的磨损加快；缩短了轮箍的使用寿命。同对在存在阑瓦偏磨的情况下，加劂了阍瓦的偏 磨程度，成为一个造成闸瓦严重偏磨的重要因素。此外，长时间抱闸运行，还易造成轮 箍松弛，甚至脱落，以致酿成重大事故。 如能消除闸瓦偏磨现象，则既保证了机车的质量和运用安全，又降低了闸瓦和车轮 踏面的非正常磨耗，避免了不少经济损失。必将大大提高列车的速度和行车安全，从丽 满足铁路运输高速、重载的发震需要。 2 1 技术调查 2 1 1 阐瓦偏磨的形式 阉瓦偏磨是在机车制动时阐瓦表面与车轮踏露发生j # 均匀接触，阐瓦与车轮踏耍的 接触面积减小，闸瓦与车轮踏面接触部位的应力显著升高，发生剧烈的非均匀磨损。而 抗闸瓦偏磨的加强型机车单元制动器的研制 闸瓦只要任一侧厚度磨到极限，整块闸瓦就必须报废，这就造成了闸瓦的过早失效，导 致了闸瓦的浪费和机车运营费用的增加。 闸瓦偏磨有上下偏磨、左右偏磨和内外侧偏磨三种形式。 图2 1 正常位置图2 。2 左右偏磨( 一)图2 3 左右偏磨( 二) f i g 2 1n o r m a lp o s i t i o nf i g 2 2p a r t i a lw e a ro nl r ( 1 ) f i g 2 3p a r t i a lw e a ro nm r ( 2 ) 闸瓦与车轮踏面之间的正确位置如图2 1 。此时闸瓦托的对称中心线与车轴轴线垂 直：闸瓦与车轮踏面充分均匀接触。当闸瓦托的对称中心线与车轴轴线不垂直，发生偏 转时，闸瓦与车轮踏面无法均匀接触。闸瓦左右两侧必有一面发生异常磨损，被称为左 右偏磨，如图2 2 和图2 3 所示。 图2 4 内外侧偏磨( - - ) f i g 2 4p a r t i a lw e a ro nm e d i a la n dl a t e r a l ( 1 ) 嗯 啦 图2 5 内外侧偏磨( 二) f i g 2 5p a r t i a lw e a ro nm e d i a la n dl a t e r a l ( 2 ) 大连理工大学专业学位硕士学位论文 当闸瓦托发生扭转时，闸瓦的圆弧表面与车轮踏面无法充分贴舍，在闸瓦上下端的 内外两侧同时发生近似于三角形或梯形的异常蘑损，被称为内外侧偏磨，如图2 4 和图 2 。5 所示。 匿2 6 下端偏磨 f i g 2 6p a r t i a lw e a ro nl o w e re n d 豳2 。7 上端缡蘑 f i g 2 7p a r t i a lw e a ro nu p p e re n d 当闸瓦托发生仰起或下垂时，闸瓦的圆弧表预与车轮踏面同样无法充分贴合，在阉 瓦的上下端发生异常磨损，被称为上下偏磨，如图2 6 和图2 7 所示。 上下偏磨是由闸瓦托的仰起或下垂引起的，左右偏磨和内外侧偏磨则是由闸瓦托的 偏转和扭转造成的。归摄结底这三种偏磨都是由于在机车制动过程中阕瓦撬与车轮错误 的位置关系造成的。 这三种偏磨中最常发生的是左右偏磨。在闸瓦托自位机构故障或无自位机构的情况 下，上下偏壤也时有发生。内夕 镄| j 偏磨常在发生严重左右偏磨的后期与之伴随出现，或 很少见地在制动器受到外力严重损坏或制动器安装位置偏斜的场合才能见到；后一类情 况大多是由严重的使用错误、事故或设计、生产上的错误造成的。三种偏磨有时会两者 伴睫发生。 上下偏磨可由闻瓦托自伎机构通过调节闸瓦托的倾角来克服，因此一般所说的闻瓦 偏磨主要是指闸瓦发生左右偏磨和内外侧偏磨的情况。 2 1 2d z d 系列踏面制动单元 垫囹亘堕壁塑垫塑型垫兰苎重! ! 塑堡竺堑型 图28 基本结构 f i g28b a s i cs t r u c t u r e 中国北车集团大连机车车辆有限公司设计、生产的d z d 系列踏面制动单元就是目 前我国铁路装备的单元制动器中较为优秀的一种。它是为铁路机车车辆空气制动系统设 计的制动执行部件，广泛应用于各种铁路轨道车辆，地铁和城轨车辆。 该系列制动单元现有3 种型号：d z d 一1 型，d z d 2 型和d z d 3 型。它们采用模块 化设计。d z d 一1 型是基本模块，它仅提供行车制动。d z d 一2 型是在d z d 1 型的基本模 块上加装了弹簧停车装置，因此其不仅具有正常行车制动的功能，还具有机车车辆停车 制动的功能，即其可在无风状态下，利用储能弹簧实施一次停车制动；而d z d 一3 型则 是在d z d 一1 型的基础上加装手制动装置，它具有行车制动和重复实施手动停车的功能。 d z d 系列踏面制动单元原本主要用于客运机车、地铁、城市轨道列车和两轴转向 架的各类机车：目前逐渐开始应用在调车机车、重载货运机车、三轴转向架的各类机车 和转向架横动量较大的机车上。 盔塑望：点兰主些兰堡堕i 兰堕塑 蘸稿取 1 ) b z o12 ) i ) z o 一2 图29d z d 系列踏面制动单元 f i g2 93 z u s e r ie st r e a d b r a k eu n i t d z d 系列踏面制动单元以压缩空气为动力源，具有机械增力机构和自动间隙调整 机构。主要部件包括一个自定位的闸瓦托机构，一个重量较轻并带有制动缸的箱体，一 套楔形增力及力的传递机构，以及一个内置的可以自动补偿闸瓦和车轮踏面磨损量的间 隙调整器。通过改变制动鞲鞴的楔角，可以方便地改变制动倍率，以适用不同用户的要 求。该制动单元可装用铸铁，台成材料，粉末冶金等各种材质的闸瓦。通过转动专门的 复位机构，可以方便地更换闸瓦。 d z d 系列踏面制动单元制动时，压力空气进入制动缸1 1 ，制动鞲鞴1 2 向下运动， 鞲鞴上横跨在间隙调整器( 1 4 2 3 ) 两旁相邻楔块的直边紧贴在轴承3 2 的滚动面上，而 斜边贴在传动套1 5 的轴承3 3 上，推着间隙调整器往制动方向移动，整个结构极为紧凑。 一一一茎塑蔓堡壁塑垫堡塑兰兰型垫矍箜蔓堕!- _ _ _ - _ - _ _ _ _ _ _ _ - “_ 一 图2 1 0 基本工作原理 f i g 。2 1 0b a s i cp r i n c i p l e 12 1 4 - - 2 5 卫 3 3 1 1 借助于鞲鞴的斜楔机构不仅可以增加制动力，而且通过变更楔块角度还可以选 取适当的制动倍率。 一f ：瑶 (2。董)p t g一2 瑶( 2 1 ) r l = 然 ( 2 2 ) 其中：露一制动倍率 p 一闸瓦制动力 f 一制动缸鞲鞴作用力 该系列制动单元与同类的其它制动单元相比具有许多显著的优点： ( 董) 该产晶在使用中，具有良好地囊动调节功能，消除入为因素，胃有效地保证 行车安全 ( 2 ) 制动灵敏并能自动补偿闸瓦和车轮踏西的磨耗，试验验涯当磨耗达到0 。2 m m 时，间隙调整器就可以予以补偿。 ( 3 ) 有自位功能的闸瓦托结构，可使闸瓦托自动调整闸瓦与踏面上、下间隙均匀 而防止闸瓦上下偏磨。 大连理工大学专业学位硕士学位论文 ( 4 ) 闸瓦输出力范围广