张振宇-浅析城轨列车轮盘式...doc

浅析城轨列车轮盘式制动与踏面制动的区别以及应用作者姓名 张振宇 指导教师 李济棋 单 位 上海地铁第二运营有限公司 摘 要：针对11号线AC16型列车采用的制动装置为盘式制动，而上海地铁其他车型均为踏面制动，且随着城市轨道交通逐步向城市郊区延伸而需要提高列车运营速度来保证运能，盘式制动的应用已成为必然趋势，故本文将对盘式制动的主要构成，盘式制动的优缺点进行介绍，将与踏面制动进行比较,以及在AC16型列车投入运营以来，以不同角度对盘式制动的应用情况进行分析。关键词：AC16、盘式制动、踏面制动、应用情况目 录1. 前言42. 盘式制动装置的主要构成42. 1 制动盘52.2 制动夹钳52.3 制动闸片63. 盘式制动的特点73.1 摩擦接触面积大、制动力大73.2 列车制动时噪音较轻83.3 热容量大83.4 列车故障率低83.5 闸瓦磨耗低、维修成本小83.6 低碳环保94. 盘式制动与他面制动的区别94.1 接触方式不同94.2 速度限界不同94.3 对车轮尺寸影响不同95. 应用情况96. 结束语101、前言城市轨道车辆转向架的基础制动从作用方式上分为踏面制动和盘式制动，踏面制动是传统的制动方式，它是采用闸瓦压紧车轮踏面产生制动力进行制动的，因此在制动中不可避免的对车轮踏面产生影响，这种影响包括机械磨损和热影响两个方面，前者加速踏面磨损降低车轮使用寿命，后者则使车轮承受周期热负荷，导致踏面的热疲劳和剥离，严重时使车轮产生弛缓造成安全事故。制动功率越大，踏面制动时对踏面的影响也就越大，当功率大到一定值时，制动闸瓦和车轮将不能吸收全部的热容量。因此踏面制动只能使用在中低速城轨车辆上。为克服踏面制动固有的缺点，随着城轨交通逐步向城市郊区延伸，盘式制动开始在城轨交通车辆使用。盘式制动是在车轴上或在车轮辐板侧面安装制动盘，用制动夹钳使两个制动闸片紧压制动盘侧面，通过摩擦产生制动力，使列车停止前进。由于作用力不在车轮踏面上，盘式制动可以大大减轻车轮踏面的热负荷和机械磨耗，可提高车轮寿命。另外制动平稳，几乎没有噪声。盘式制动的摩擦面积大，而且可以根据需要安装若干套，制动效果明显高于踏面制动。盘式制动从制动盘的安装上又分为轮盘制动和轴盘制动，轮盘制动的制动盘一般夹装在车轮两侧，在转向架使用，因此最多能安装8个盘8个摩擦面。而轴盘制动的制动盘只能安装在车轴或者空心轴套上，在空间允许的条件下可以安装2个制动盘4个摩擦面，从这一点可以看出轮盘制动比轴盘制动能提供更大的制动力，因此轮盘制动更适合大运量的城市轨道交通列车以保证列车运营更快、更安全。目前上海已经开通运营的11条线路，在所有的A型列车中，只有11号线AC16型列车采用了盘式制动，并且AC16型列车的车辆最高运营速度为100km/h，采用轮盘制动.2、盘式制动装置的主要构成盘式制动装置主要包括制动盘和制动夹钳，安装在制动夹钳上的制动闸片与制动盘共同组成一对摩擦副，并通过摩擦制动盘表面将制动能量转换为热能释放。2.1、制动盘 AC16型列车制动盘为灰口铸铁制成，是具有径向排布散热筋的环形铸铁件。摩擦盘的外侧为摩擦面，内侧设有多个宽度相等的条形散热筋，同时还设有铸造凸台、螺栓凸台、对中定位台，且沿径向均匀分布，在散热筋之间形成径向的气流通道。摩擦盘的厚度和散热筋的尺寸与制动盘的热容量性能有关。摩擦盘在设计过程中额外考虑到了轻量化的要求。交叉状散热筋既用于传递热量，又用于通风散热，保证摩擦盘的热平衡。摩擦盘的可磨耗厚度为7mm，在其圆周方向有一个槽指示磨耗极限需要更换。AC16型列车制动盘为轮装制动盘，其外径为640mm，内径为350mm。制动盘安装方式是将两个摩擦盘安装在车轮两侧，通过6个定位销对中定位和传递制动力距。两个摩擦盘用12个径向排列的螺栓连接，使用防松螺母锁紧螺栓。车轮制动盘的摩擦表面与轮缘的外表面齐平，可以与其他各种类型的标准制动闸片和制动夹钳配合使用。AC16型列车轮装制动盘结构示意图2.2、制动夹钳AC16型列车采用紧凑型制动夹钳，每个车轴安装2个制动夹钳，其中一个带停放功能，在转向架上形成斜对角布置。停放制动可以充风自动缓解停放制动，并恢复停放制动的正常工作。每个带停放功能的制动夹钳在车体两侧轨道旁均可手动缓解停放制动。制动夹钳具有以下设计特点：a、 模块式设计，包括独立的制动气缸、闸瓦间隙调整装置和弹簧执行器（仅限于停放制动功能的夹钳单元）；b、 紧凑、轻量化设计，在转向架中占用较小的空间；c、 采用隔膜气缸用制动执行器，同样的外形尺寸可提供不同的气缸容量（对应不同的隔膜面积）；d、 用于停放制动的弹簧执行器可通过手动操作线缆或方孔钥匙进行机械缓解；e、 具有剖分式结构的扭杆转向刚性钳杆；f、 钳杆上仅有少量的铰接点和轴承，并进行了封装，以实现长寿和低噪声；g、 制动钳单元从一个销钉上剧中悬挂（制动闸片支座上没有吊座），可以很容易地针对较大的侧向运动和倾斜运动进行调整。AC16型列车紧凑型制动夹钳2.3、制动闸片制动闸片的应用不同，其形状、几何尺寸与制动闸片支架连接方式和材料性能也有所不同。AC16型列车的制动闸片为圆弓形，外形按照UIC标准设计，制动闸片支架的接口为楔形榫头，有上下两半组成，上下两半对称设计。制动闸片上的沟槽除了用于减少摩擦副上水分的影响，还有排污功能，制动过程中摩擦副产生的脱落物可通过沟槽快速排出，使摩擦副的制动特性更加稳定。沟槽形状与具体的应用条件、制动闸片尺寸、制动盘和制动闸片的配合有关。AC16型列车的制动闸片沟槽为十字交叉形，其上下两半的沟槽是对称设计。制动闸片材料的选择须满足规定的性能和环保要求，并减少因制动闸片磨光以及受湿度、温度影响而导致的制动闸片与制动盘面间摩擦系数的衰减及对环境的污染，AC16型列车的制动闸片的材料为Jurid878，摩擦系数为0.35。AC16型列车制动闸片3、盘式制动的特点3.1摩擦接触面积大、制动力大 按照地铁车辆通用技术条件的要求，地铁及轻轨列车紧急制动平均减速度不低于1.2m/s2,如果换算成制动距离，在制动初速100km/h时，紧急制动距离为321.5m，在制动初速120km/h时的紧急制动距离为463m。由于紧急制动平均减速度1.3m/s2是上海地铁及轻轨车辆的最低要求，实际的减速度往往还要大，如上海地铁1号线的紧急制动减速度为1.3m/s2，如其制动初速120km/h时的紧急制动距离只有427m，在城市轨道交通中，站与站之间的距离大都比较短，比如在上海11条运营线路中，最小站距达到600多米。为了得到更好的制动力，AC16型列车采用轮盘式制动，在列车每个轮辐上都采用了左右2片制动片的形式，故在摩擦制动时接触面积和数量上较大，致使列车制动力也同样增大，大大提高了列车在高速运动下的安全性和可靠性。3.2列车制动时噪音较轻踏面制动声音非常嘈杂，以 三号线为例，列车制动时噪音达到90分贝以上，严重影响乘客的舒适性，多次遭到乘客及周围居民的投诉。 11号线采用的是盘式制动，列车制动时噪音不超过50分贝。 3.3热容量大制动过程中城轨车辆的动能最终通过制动力转化为热能，总热能的90%以上被车轮吸收，因此制动产生巨大的热负荷对于车轮是严峻的考验。AC16型列车制动盘为灰口铸铁制成，是具有径向排布散热筋的环形铸铁件。摩擦盘的外侧为摩擦面，内侧设有多个宽度相等的条形散热筋，同时还设有铸造凸台、螺栓凸台、对中定位台，且沿径向均匀分布，在散热筋之间形成径向的气流通道。摩擦盘的厚度和散热筋的尺寸与制动盘的热容量性能有关。摩擦盘在设计过程中额外考虑到了轻量化的要求。交叉状散热筋既用于传递热量，又用于通风散热，保证摩擦盘的热平衡。 3.4列车故障率较低由于接触方式不同，踏面制动在遇到轨面上有杂物时，杂物容易被夹在踏面与闸瓦之间，杂物与踏面长时间摩擦容易起火燃烧，存在安全隐患，上海轨道交通某线路曾发生过类似事件，并因此造成清客调线。 盘式制动由于制动闸片与踏面没有接触，因此不存在这一问题。 3.5闸瓦磨耗低、维修成本小 普通的闸瓦制动型列车，制动闸瓦单片根据磨耗量每月拖车磨耗在30mm左右需要每月一次更换，动车每月磨耗在15mm左右需要每二个月更换一次。所以对于使用闸瓦制动的六节编组列车为例，其一列车每年需要更换闸瓦768片。而根据计算盘式制动闸瓦万公里磨耗量只有0.1毫米左右，因此每列车每10年只需更换96片闸瓦。综上根据比较很容易发现盘式制动在减少了材料成本和人工成本上具有很大的优势。3.6 低碳环保踏面制动平均每列车每年需要消耗768片闸瓦，而根据计算盘式制动闸瓦万公里磨耗量只有0.1毫米，因此每列车每10年只需更换96片闸瓦。 从更换闸瓦的数量看，盘式制动闸瓦的更换量是踏面制动的1.25%，大大降低了运营成本。 从保护环境的角度来看，踏面制动闸瓦上合成橡胶磨损后会产生大量粉尘，不仅影响轨道上各类设备运营质量，同时污染环境。盘式制动因其低磨耗量对设备对环境影响很小。 4、盘式制动与踏面制动的区别4.1 接触方式不同 盘式制动是使用安装有制动片的制动夹钳，对安装有制动盘的车轮进行接触，而是列车停车的一种制动方式。踏面制动的制动方式在我们上海地铁中早于引用的很成熟，它是依靠安装有制动闸瓦的制动机紧贴车轮踏面的方式致使列车制动停车的方式。4.2 速度限界不同在现有的城轨中使用踏面制动A型列车的最高限速在80km/h，使用盘式制动列车的最高限速110km/h。正由于列车制动形式的不同，致使盘式制动列车最高限速比踏面制动列车有较大的突破。这有效地拉近了城市与周边的乡村的距离，也更方便了乘客的出行，更符合我们地铁快速 、高效的特点。相对于踏面制动而言，盘式制动装置的显著优点是能够承受地铁等城轨车辆频繁制动产生的热负荷，进而能大大减轻车轮踏面的机械和热作用，而车轮不直接承受制动热量而能延长其使用寿命。研究结果表明，盘式制动的极限功率主要取决于制动盘表面的最高温度和闸片的耐热性，因此盘式制动具有高于踏面制动的制动功率，适合更高的制动速度。对于合成闸片而言，可用于200km/h以下的铁路客车，这一点也同样适用于地铁及轻轨列车。4.3 对车轮尺寸影响不同在使用踏面制动方式的列车中，会不同程度地造成车轮踏面的擦伤、剥离以及异常沟槽磨耗，对行车工作造成一些安全的隐患 。使用盘式制动的列车，当发生车轮多边形时，无法对车轮踏面和轮缘的磨耗进行即时的自修复，并且盘式制动由于制动是无法作用于车轮踏面，所以当发生轮轨粘着系数减小时其无法改善轮轨黏着条件，在舒适度上给乘客带来了不便也在安全上存在一点隐患。5、应用情况上海地铁11号线车辆投入运营以来，其盘式制动装置应用情况基本正常。共同之处为制动夹钳可靠性较高，制动噪声较低，制动盘和制动闸片上没有出现凹面磨耗和裂纹，制动盘和制动闸片的磨耗率也比较理想。制动盘和制动闸片通过摩擦接触传递制动力，必然会因为磨耗到限而报废，属于消耗件。其使用寿命与厚度、材质、面积、表面压力、工作温度有关，具体在应用过程中起决定因素的则是摩擦制动施加频率、摩擦制动力大小、电制动力的能力，制动力的分配原则，电制动和空气制动的转换速度等。11号线车辆制动盘和制动闸片的磨耗情况比较理想。在定员载荷下，11号线车辆电制动系统能力可满足常用制动对制动力的需求，几乎不会使用到空气制动系统。因此制动盘和制动闸片的磨耗率非常低，其中制动盘磨耗率为0.005mm/万km，制动闸片磨耗率为0.1mm/万km。由此可预测11号线车辆制动盘的寿命较长，制动闸片磨耗对环境的污染较低，几乎没有更换制动闸片的维护工作，其全寿命周期费用非常低。而从列车司机的角度出发，盘式制动与踏面制动相比较，占据的优势也比较明显，主要体现在以下几方面：a、由于盘式制动相比踏面制动拥有更多的摩擦面，能提供更大的制动力，缩短制动距离，从而驾驶列车的安全性相比踏面制动来讲有所提高。b、在使用了盘式制动以来制动类的机械故障明显下降，并且由于制动发生故障而造成的清客退出运营以及救援事件相比使用踏面制动的列车大大减少。c、在驾驶使用踏面制动的列车时，闸瓦承受在制动过程中产生的热负荷能力不强，在制动过程中会产生烟雾，并且进而伴随着产生异味、粉尘，影响乘客与司机的身体健康，而在使用盘式制动后，这一问题随着盘式制动承受热负荷的能力以及闸片的耐热性明显增强后，也得到了解决。6、结束语盘式制动装置相对踏面制动装置具有诸多优点，但其采购成本相对较高，且在应用过程中也带来一定的负面影响。a、盘式制动装置相对踏面制动装置增加了制动盘，制动夹钳也相对踏面制动单元重，导致车辆总重增加，不利于节能降耗。b、不利于车轮多边形磨耗的修复。目前，车轮多边形磨耗问题在采用盘式制动的车辆应用中比较突出，其产生的原因与轨道和车辆参数有关，而采用踏面制动的车辆上这一现象相对较少。分析原因为踏面制动在一定程度上可修复车轮踏面，降低车轮多边磨耗导致异常振动对设备可靠性的影响。c、不利于改善轮轨黏着条件。在潮湿天气轨面湿滑的情况下，易出现车轮滑行。尤其是11号线高架线路较多，出现车轮滑行的情况较多，甚至导致车轮擦伤。而采用踏面制动的线路出现滑行较少，主要与踏面制动在制动施加工程中可以清扫车轮踏面的水分和杂物，提高轮轨黏着有关。e、在车辆动态行驶理论中，有一个簧上质量与簧下质量之比的数据。对于一辆车来说，我们在不考虑其悬挂设定的因素下，单纯从簧上质量与簧下质量之比的角度出发，这个比值越大，也就意味着该车拥有更好的乘坐舒适性，而盘式制动增加了簧下质量，从而影响了其列车的舒适性。