列车制动总论.ppt

制动技术 殷世波 第一章列车制动总论 学习内容 制动的基本概念 制动方式学习难点 粘着的概念及应用 第一节列车制动的几个基本概念 制动 人为的制止物体的运动 包括使其减速 阻止其运动或加速运动 缓解 对已经实行制动的物体 解除或减弱其制动作用 列车制动装置 为了使列车能够施行制动或缓解而安装于列车上的一整套设备 制动机是产生制动原动力并进行操纵和控制的部分 基础制动装置是指传送制动原动力并产生制动力的部分 机车制动装置能够操纵机车本身和全列车的制动作用 车辆制动装置只能控制车辆本身的制动作用 制动力 由制动装置产生的与列车运行方向相反的外力 常用制动 正常情况下为调速或进站停车所施行的制动 特点是作用缓和 制动力可调 只用到列车制动能力的20 80 一般只用50 紧急制动 紧急情况下 为了尽快停车而施行的制动 也称非常制动 作用迅猛 用尽所有的制动能力 制动距离 从司机施行制动的瞬间起 到列车速度降为零的瞬间止 列车所驶过的距离 是一个综合反映列车制动装置的性能和实际制动效果的主要技术指标 计算制动距离 各个国家根据自己的铁路情况制定的紧急制动的最大允许值 我国 技规 规定 列车在任何线路坡道上的紧急制动距离为800m 紧急制动限速 为保证紧急制动距离而对列车在坡道上运行速度的限制 常用制动限速 由常用制动时力的平衡关系而决定的另一种制动限速 第二节闸瓦制动与粘着 一 闸瓦制动制动的实质 能量的观点 将列车的动能变成别的能量或转移走 作用力的观点 制动装置产生与列车运行方向相反的力 是列车尽快减速或停车 闸瓦制动 用铸铁或其他材料制成的瓦状制动块 闸瓦 紧压滚动着的车轮踏面 通过闸瓦与车轮踏面的机械摩擦将列车的动能转变为热能 消散于大气 并产生制动力 原理 力矩平衡 在轮轨间保持静摩擦和忽略车轮回转惯性的情况下 制动力在数值上等于闸瓦与车轮的摩擦力 二 粘着粘着状态 轮轨间实际并非点接触 而是椭圆形面接触 列车运行中不可避免地要发生各种冲击和振动 车轮踏面是圆锥形的 车轮在钢轨上滚动的同时 必然伴随着微量的轮轨间的纵向和横向滑动 结论 轮轨接触面不是纯粹的静摩擦状态 而是 静中有微动 或 滚中有微滑 的状态 轮轨间的这种接触状态称为粘着状态 在分析轮轨间切向作用力的问题时 不用静摩擦这个名词 而以粘着来代替它 只要轮轨间静摩擦不被破坏 制动力将随闸瓦压力的增大而增大 粘着力粘着状态下轮轨间切向摩擦力最大值 比物理学上的最大静摩擦力要小 而且与列车运动状态有关 随列车速度的升高而降低 粘着系数粘着力与车轮与钢轨间的垂直载荷之比称为 粘着系数 计算粘着系数制动力和惯性力不是作用在同一水平面内 造成各个车轮对钢轨的法向反力并不相等 粘着力的计算不方便 假定垂直载荷固定不变 认为粘着力的变化仅仅由于粘着系数的变化引起的 粘着系数为假定值 称为计算粘着系数 计算粘着系数与假定不变的垂直载荷的乘积等于实际的粘着力 所以这个假定用于粘着力计算是可行的 第三节粘着系数的影响因素和计算公式 一 粘着系数的影响因素 主要有两个 列车运行速度和车轮 钢轨的表面状况 轮轨间表面状态包括 干湿情况 脏污程度 是否有锈 是否撒砂以及砂的数量和品质等等 这些因素的影响是非常复杂的 不可能用公式来表达 列车运行速度 列车运行速度粘着系数随着制动过程中列车速度的降低 冲击振动以及伴随而来的纵向和横向的少量滑动都逐渐减弱 因而粘着力和粘着系数也逐渐增大 其增大的程度与机车车辆动力性能 轨道的情况等有关 制动粘着系数是制动装置设计中首先需要选定的最基本的参数之一 粘着系数影响因素复杂多变 故粘着系数的变化范围很大 通常给出两条曲线 即给出一个范围 二 粘着系数的计算公式干燥轨面 潮湿轨面 教材上还列出了美国西屋空气制动机公司 日本 前苏联以及欧洲其他一些国家的制动粘着系数或其计算公式 纵观这些计算公式我国对粘着系数的取值不大不小 介于中间 应该说比较合理 第四节粘着限制 制动率和闸瓦摩擦系数 一 粘着限制滑行的产生机理 粘着状态下 制动力近似的等于闸瓦与车轮的摩擦力 摩擦力越大 制动力就越大 当闸瓦与车轮的摩擦力矩大于粘着力对于车轮中心力矩时 车轮就会被闸瓦抱死 使车轮在钢轨上滑行 粘着状态被破坏 而此时的制动力就变成了车轮与钢轨的滑动摩擦力 滑行的危害 车轮与钢轨的滑动摩擦力远远小于粘着力 制动力降低 滑行会擦伤车轮 如何避免滑行 制动力 闸瓦与车轮的摩擦力 应小于粘着力 轴制动率 二 制动率制动率用来表示车辆制动能力的大小 轴制动率 一个制动轴上的全部闸瓦压力与该轴轴重的比值 用表示 轴制动率是制动设计中校验有无滑行危险的重要数据 车辆制动率 一辆车总闸瓦压力与该车总重的比值 车辆制动率表示设计新车在构造速度的情况下紧急制动时在规定距离内停车所具备的制动能力 列车制动率 全列车总闸瓦压力与列车总重量之比值 列车制动率一般是计算列车制动距离的依据 制动率的取值 我国现行制动设计中是以车辆为空车状态时来确定制动率的 在车辆设计中 通常希望采取较大的制动率 但决不能忽略对车辆不发生滑行条件的校核 即 一般客车制动率取70 90 货车取65 75 三 闸瓦摩擦系数影响闸瓦摩擦系数的因素影响因素主要有四个 闸瓦材质 列车运行速度 闸瓦压强和制动初速 闸瓦材质铸铁闸瓦 普通 铸铁闸瓦 中磷 铸铁 闸瓦 高磷闸瓦合成闸瓦 又称塑料闸瓦 新的闸瓦材质 如烧结材料 陶瓷等 铸铁闸瓦与合成闸瓦的比较铸铁闸瓦 列车运行速度闸瓦摩擦系数合成闸瓦 摩擦系数高耐磨 随速度变化小缺点 对踏面有影响 合成闸瓦应用前景好 应投入对合成材料 闸瓦 和钢 车轮踏面 深入研究 闸瓦压强 试验研究结果表明 铸铁闸瓦压强越大则摩擦系数越小 对于需要增大制动力的机车车辆 不能一味地增大闸瓦压力 制动初速对闸瓦摩擦系数也有一定的负影响 列车运行速度 负影响且影响非常大 闸瓦摩擦系数公式室内1 1的制动摩擦副试验台和在现场线路上进行成组车辆的 溜放试验 来实测 规定动效率计算值 客车定为0 85 货车当时定为0 95 高磷闸瓦 第五节其他制动方式 主要内容 铁道车辆常见的制动方式分类及其作用原理 各自的特点和具体应用中应注意的问题 学习重点 用能量的观点来分析具体的制动方式 盘形制动结构 在车轴上或在车轮辐板侧面装上制动盘 用制动夹钳使合成材料制成的两个闸片紧压制动盘侧面 通过摩擦产生制动力 把列车动能转变成热能 特点 大大减轻车轮踏面的热负荷和机械磨耗 可按制动要求选择最佳摩擦副 制动平稳 几乎没有噪声 轮轨粘着将恶化 制动盘使簧下重量及其引起的冲击振动增大 运行中还要消耗牵引功率 盘形制动的制动力计算公式 发展历史 起初主要在欧洲动车组上用 与闸瓦制动相比 盘形制动更适用于高速列车 我国铁路从1958年开始 曾先后两次试用过盘形制动 真正最后来用是在广深线准高速客车上 磁轨制动结构 在转向架的两个侧架下面 在同侧的两个车轮之间 各安置一个制动用的电磁铁 或称电磁靴 制动时将电磁靴放下并利用电磁吸力紧压钢轨 通过电磁铁上的磨耗板与钢轨之间的滑动摩擦产生制动力 并把列车动能变为热能 消散于大气 电磁铁的悬挂方式 低悬挂方式的电磁铁距离轨面6 10毫米处 制动时 电磁铁励磁 以电磁铁和钢轨的吸力克服弹簧力 适用于低速车辆高悬挂方式 制动电磁铁通过两个提升缸悬挂在转向架构架上 距离轨面约120 160毫米 其升降由提升缸来控制 适用于高速车辆 磁轨制动的制动力计算公式 特点 制动力不受粘着的限制 高速列车加上它 就可以在粘着力以外再获得一份制动力 可缩短制动距离 电磁铁和钢轨的磨耗较大 同时产生制动力较小 只能作为紧急制动时的一种辅助的制动方式 轨道涡流制动结构 与磁轨制动相似 是把电磁铁悬挂在转向架侧架下面同侧的两个车轮之间 作用原理 电磁铁在制动时放下到离轨面几毫米处而不与钢轨接触 它是利用电磁铁和钢轨的相对运动使钢轨感应出涡流 产生电磁吸力作为制动力 轨道涡流制动既不受轮轨粘着限制 也没有磨耗问题 消耗电能多 旋转涡流制动结构 在牵引电动机轴上装金属盘 原理 制动时金属盘在电磁铁形成的磁场旋转 盘的表面被感应出涡流 产生电磁吸力 通过轮轨粘着才能产生制动力 受粘着限制 消耗的电能多 电阻制动电阻制动广泛用于电力机车 电动车组和电传动内燃机车 在制动时将原来驱动轮对的自励的牵引电动机改变为他励发电机 由轮对带动它发电 并将电流通往专门设置的电阻器 采用强迫通风 使电阻发生的热量消散于大气 再生制动将牵引电动机变为发电机 但将电能反馈回电网 使本来由电能或位能变成的列车动能获得再生 而不是变成热能消散掉 经济性好 技术上比较复杂 反馈回电网的电能要马上由正在牵引运行的电力机车或电动车组接收和利用 液力制动广泛应用于液力传动内燃机车 原理 在液力传动装置内安装液力制动器 制动时向它充入液体 车轮带动它旋转时液体和液体之间 液体与藕合器之间摩擦生热 再经由散热器消散于大气 车辆方面 国外也有人在研究使用这种制动方式 把液力藕合器装在空心的车轴内 逆汽制动飞轮贮能制动制动时 把列车动能转移入飞轮贮存 启动加速时使该能量放出以节约能源 飞轮质量较大 传动装置也复杂 摩擦制动热散逸制动制动方式电阻制动列车动能变成可用能 第六节制动机种类 主要内容 按制动原动力和操纵控制方法的不同 机车车辆制动机可分类为手制动机 空气制动机 真空制动机 电空制动机和电 磁 制动机 本节的内容是对这些制动机的结构 特点以及工作原理进行初步的认识 学习重点 空气制动机 手制动机是以人力为原动力 以手轮的转动方向和手力的大小来操纵控制 发展及应用 主要的制动机配角 空气制动机是以压力空气与大气的压差原动力 通过改变空气压强来操纵控制 直通式空气制动机列车管直通向制动管 制动管充气增压 发生制动 制动管排气时减压 优点是构造简单 并且既有阶段制动 又有阶段缓解 操作非常灵活方便 当列车发生分离事故 制动管被拉断时 列车将彻底丧失制动能力 不适用编组较长的列车 随着高速列车制动技术的发展 很多高速动车组的空气制动系统均采用直通空气制动机 自动式空气制动机结构每辆车多了一个三通阀 一个副风缸和一个供给阀 三通 指的是 一通列车管 二通副风缸 三通制动缸 工作原理 列车管的空气压力发生变化引起制动控制阀 三通阀或分配阀 动作 实现车辆的制动或缓解作用 三通阀主活塞的位置由列车管和副风缸左右两个空气压力决定 列车管增压 列车管副风缸制动缸大气列车管减压 副风缸制动缸特点 制动主管排气减压时制动缸增压 发生制动 制动主管充气增压时制动缸减压 发生缓解 列车发生分离事故 列车能够迅速制动停车 只能阶段制动而不能阶段缓解列车管是副风缸的唯 风源 列车管一旦停止增压 副风缸就跟着停止增压 无法将三通阀主活塞反推至中间位置 保压位 如果能使副风缸的风源多元化 即制动后列车管充气 增压 时还有别的风源也帮助向副风缸充气 则阶段缓解也可以实现 直通自动空气制动机 列车管减压制动 增压缓解 在制动过程中 若制动缸因泄漏而导致压力下降时 副风缸可以及时补风 保持制动缸的压力 副风缸风压低于列车管的压力时 可由列车管补充 列车管又可由总风缸经制动阀自动补充 真空制动机基本原理 以大气 与真空的压差 为原动力 以改变真空度来操纵控制 机车上设有真空泵 制动阀 真空制动缸 车辆上仅设有真空制动缸 列车管贯通全列车 缓解 真空泵将列车管和制动缸内的空气抽走 制动 列车管与大气相通 特点 构造简单 维修方便 既能够阶段制动 也能够阶段缓解 制动力不大 而且海拔越高 制动力越小 要提高制动力则需要较大的制动缸和较粗的列车管 列车前后冲动较大 这种制动机是英国铁路在1844年首先应用的 现在 真空制动机主要在一些发展中国家应用 电空制动机是在空气制动机的基础上加装电磁阀等电气控制部件而形成的 制动作用的操纵控制用电 但制动作用的原动力还是压力空气 它与大气的压差 在制动机的电控因故失灵时 它仍可以实行空气压强控制 气控 临时变成空气制动机 工作原理 制动时各车的制动电磁阀的排气口同时打开 将列车管的压力空气排往大气 产生制动作用 缓解时各车的缓解电磁阀的通路也同时打开 使各车的加速缓解风缸同时向列车管充风 列车施行阶段缓解 缓解电磁阀的通路被关闭 列车管空气压强保持不变时 保压电磁阀将三通阀的排气通路切断 可以实现阶段缓解 在列车速度很高或列车编组很长 空气制动机难以满足要求时 采用电空制动机可以大大改善列车前后部制动和缓解作用的 致性 我国广深线准高速 160km h 旅客列车部采用了电空制动机 电磁制动机操纵控制和原动力都用电的制动机称为电磁制动机 制动机和基础制动已很难截然分开 例如轨道涡流制动和旋转涡流制动 第七节基础制动装置 一 基础制动装置的作用组成 包括制动缸活塞推杆以后至闸瓦及其间的一系列杠杆 拉杆 制动梁等传动部分 作用 传递制动缸所产生之力至各个闸瓦 将此力增大一定的倍数 保证各闸瓦有较一致的闸瓦压力 二 基础制动装置的种类单侧制动和双侧制动只在车轮的一侧设有闸瓦 普通货车 结构简单 成本较低 检修与制造方便 容易使轴承偏磨 制动力较小 车轮两侧配置闸瓦 客 机 特种货车 制动力较大 没有轴承偏磨的缺点 结构比较复杂 一般侧架式货车转向架不易实现 制动力较大 没有轴承偏磨的缺点 双侧制动需要较多的杆件 结构比较复杂 一般侧架式货车转向架不易实现 按传动机构 分为散开式和单元式 散开式 全车只有一个较大的制动缸 在制动缸和各闸瓦之间有很多的杠杆和拉杆 单元式 制动缸较小而且数量较多 各个制动缸分别设置在各个轮对的附近 三 制动倍率定义 制动缸活塞杆作用力经杠杆机构传到闸瓦时 由于杠杆作用扩大的理想倍数 用n来表示 是基础制动装置的重要特性 活塞杆作用力 闸瓦理想压力总和 计算方法 转向架杠杆倍率 制动缸杠杆倍率 制动梁数 制动倍率的取值 倍率太大时 闸瓦磨耗对制动缸活塞行程和制动缸空气压强的影响太大 制动倍率太小则制动力又不足 制动倍率取值必须适中 一般约在6 9之间 四 闸瓦悬吊对闸瓦压力的影响要考虑的问题 缓解时闸瓦应在重力作用下离开车轮 无论车轮顺时针旋转还是逆时针旋转 闸瓦压力应保持一致 解决问题的方法 闸瓦托吊杆与铅垂线成角 将闸瓦下移 使闸瓦托和车轮中心的连线向下倾斜 现采用的悬吊方法 和角约为15 或取闸瓦中心比车轮中心低40 110mm 闸瓦托吊长度以按车轮半径的80 取值较为适宜 闸瓦中期磨耗 五 基础制动的传动效率传动过程中的机械损耗制动缸活塞与缸壁的摩擦 制动缸缓解弹簧的反拨力 传动机构各杆件联结销处的机械摩擦 闸瓦中心低于轮心的倾斜角 定义 闸瓦实际总压力与单纯按制动倍率算得的理想值的比值 用表示 我国在制订闸瓦摩擦系数公式时采用了规定计算值的办法 效率的计算公式为 第一种机械损失 基础制动 第二种机械损失 制动机 例 一货车其基础制动装置中有28对摩擦副 设每对摩擦副机械效率损失为0 005 则为0 14 而制动缸与闸调器的损失为36kpa 当常用全制动时为360kpa 则 0 1 1 0 14 1 0 1 0 774当 180kpa 则 0 2 1 0 14 1 0 2 0 668设列车管为小减压量时 仅为72kpa 则效率降至0 43 效率与制动缸压力高低有关 我国在制订闸瓦摩擦系数公式时采用了规定计算值的办法 第八节闸瓦压力的空重车调整 学习主要内容 空重车调整的原理及具体实现的方法 学习重点 调整制动缸空气压强 一 概述空重车调整的必要性 货车载重不断增长 货车自重系数逐渐下降 空车与重车的总重差别越来越大 货车的制动率如按空车设计 则重车时制动率将严重不足 如按重车设计则空车时又将因制动率太大而发生滑行擦伤 空重车调整装置的分类 人工调整空重车调整装置自动调整二级调整空重车调整装置多级调整无级调整 空重车调整的方法 可调整制动缸活塞面积 制动缸空气压强 制动倍率 二 结构形式及调整原理调整制动缸活塞面积可用差压缸或双缸实现二级调整 重车位时B室大气 压力空气只进A空车位A和B室均有压力空气进入 美国ABCL差压式制动缸空车的制动缸活塞杆作用力和闸瓦压力都只有重车的40 调整制动缸空气压强 分流 法设置一个人工调整的空重车塞门或者可按车辆载重状态自动调整空重车载荷传感阀 空车时 让本来该供给制动缸的风 分流 部分到 降压风缸 去 s 1型载荷传感阀GK型制动机的空车压强也是利用降压风缸 截流 法活塞8 活塞杆4及其上的支点5随车辆载重及枕簧的下沉量变化而上下移动 副风缸的压力空气由三通阀充入测重阀支点5的位置决定制动缸的压强 三 结论自动空重车调整的原理是 根据车辆载重变化的枕簧高度变化 作为控制信号 去控制设在分配阀与制动缸之间的一个中继阀 再由中继阀来控制制动缸鞲鞴面积的大小或制动缸压力的大小 一般客车因空重差别不大 不用