列车制动方式的分析与研究

列车制动方式的分析与研究

1增强列车制动能力随着中国经济的发展，铁路运输量迅速增加，铁路运行能力需要不断改善，以缓解运输中的增加压力。随着速度的提高,列车的动能在不断增加,为保证其运行安全,要求列车制动装置有更强大的制动能力。由于列车制动技术直接影响到其提速和运行安全,因此,研究和设计新型的制动系统以提高列车制动效能,以及对制动部件进行及时有效地检测,成为急需解决的关键技术问题。2粘连制动方式目前列车常用的制动方式主要有两种:粘着制动和非粘着制动。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。粘着制动是目前主要的制动方式。闸瓦制动、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。制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。轨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于粘着制动力不够的高速旅客列车上。下面分别对粘着制动和非粘着制动的常用方式作一介绍。2.1连接锁2.1.1闸瓦制动装置闸瓦制动是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的制动方式。闸瓦制动是目前国内列车上使用最广泛的一种制动方式,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。但是闸瓦制动也存在着很多缺点:摩擦系数随速度提升而迅速下降;高速时不能充分利用轮轨间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;使机车车辆运行时的噪声明显增大;闸瓦在车轮上摩擦时,会产生大量的热能,磨损快,须不定期地更换,资源消耗大。基于以上特点,国内货运列车大都采用闸瓦制动方式。2.1.2盘形制动/闸瓦制动盘形制动是通过将闸片夹紧制动盘,使闸片与制动盘间产生摩擦而起到制动作用。盘形制动释放制动能量快,制动闸片有相当稳定的摩擦因数,噪声小。基于这些因素,使得在高速客运列车上必须采用盘形制动。现在新造客车上基本上以盘形制动替代了传统的闸瓦制动。但是圆盘制动机也有一些缺点:因装有制动圆盘而增加了总质量;因缺乏清理车轮踏面的作用而恶化了车轮与钢轨的粘着。2.1.3电机电能转换动力制动是指将列车的牵引动力装置经过适当控制和转换后进行制动的方式。动力制动由再生制动和电阻制动两部分组成。再生制动在制动时把牵引电机转换为发电机,将动能转换为电能并反馈给电网,它只能用在电力机车和电动车上。电阻制动是把再生制动产生的电能加在制动电阻上,变成热能并发散的制动方式。制动时优先使用再生制动,只有当接触网不能吸收再生制动的能量时,才自动转换为电阻制动。动力制动方式不需要消耗能源,其以环保、节能和制动平稳等优点作为辅助制动方式广泛应用于以摩擦制动为主的列车上。研究表明,列车使用动力制动装置后,制动闸瓦的磨耗速度降低了50%,轮对轮箍的磨耗速度降低了30%。2.1.4工作油的回用液力制动在制动时油泵向液力制动器供油,涡轮固定不动,泵轮由惯性力带动并随电机转动,工作油在转子内被加速而在定子内又被减速,最终在泵轮和涡轮间形成环流,产生制动力矩,并转化为工作油的热能加以消散。它主要用在液力传动的机车上。2.1.5金属涡流盘的制备旋转涡流制动是在牵引电机轴或车轴上装有作为电磁感应体的金属涡流盘,制动时,盘在电磁铁形成的磁场中旋转,盘表面感应出涡流,使涡流盘发热,将列车动能转换成热能。2.2非粘性刹车2.2.1电磁铁的吸力作用磁轨制动是通过将安装在列车转向架上两轮对之间轨面上方的电磁铁吸附在轨道上并励磁,使装有磨耗板的电磁铁以一定的吸力吸附在钢轨上并滑行,靠磨耗板与轨面之间的摩擦使动能转变为热能并散发。磁轨制动为非粘着制动,是一种提高制动力很有效的方式,能较明显地缩短制动距离。运用表明,具有磁轨制动时,制动距离可以缩短20%至25%。目前它主要作为一种辅助制动方式用于高速列车的紧急制动。2.2.2地震波产生的动能轨道涡流制动是将电磁铁悬挂在位于钢轨正上方的列车转向架上,通过电磁铁与钢轨间的相对运动,在钢轨中感应出涡流而产生阻力并使钢轨发热,从而把列车的动能转化为热能的制动方式。轨道涡流制动有下列优点:磁铁不与钢轨接触,不产生摩擦作用,噪声小;制动力的增加不受粘着条件的限制;制动力大且平稳,可减小制动距离,改善乘车的舒适度。缺点:成本高,消耗电能大;制动时会使钢轨升温,影响稳定性。3闸瓦制动和盘形制动目前国内外列车普遍采用的制动方式是摩擦制动,主要有闸瓦制动和盘形制动。而其它的制动方式如电阻制动、再生制动、轨道电磁制动等仍只作为辅助制动,因此闸瓦制动方式和盘形制动方式性能的改进是研究的重点。3.1采用新材料来改变闸瓦制动效能闸瓦的制动能力主要由闸瓦与车轮之间的摩擦来决定。为了改进闸瓦制动效能,常用的方法是通过使用新材料来改变闸瓦与车轮之间的摩擦和粘着力。目前研究较多的主要是中磷闸瓦、高磷闸瓦、合成闸瓦和橡胶岩棉闸瓦。3.1.1中磷闸瓦的优缺点自60年代以来,我国准轨列车使用的闸瓦多为含磷量为0.7%～1.0%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。而高磷闸瓦在耐磨耗、耐高温、摩擦系数稳定性及效益等方面均优于中磷闸瓦,耐磨性为中磷闸瓦的2.5～3.0倍。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。3.1.2无电火花砂胶结料生产闸瓦针对高、中磷铸铁闸瓦的缺欠,国外早已开展了对高摩擦系数合成闸瓦的研究,欧美一些发达国家,如美国已采用合成闸瓦替代铸铁闸瓦。高摩擦系数合成闸瓦制动力大,磨耗量较小,使用寿命长。另外,制动时噪声小,无火花粉尘,制造成本低。合成闸瓦主要特点如下:(1)具有平稳的摩擦系数并能充分利用粘着力提高制动力,缩短制动距离。(2)耐磨、使用寿命长、对车轮磨损少。合成闸瓦的使用寿命一般比铸铁闸瓦长3～10倍。因而可大大减少更换闸瓦的工作量,降低铁路运营成本。(3)重量轻。合成闸瓦重量仅为铸铁闸瓦的1/4～1/3,便于更换闸瓦,减轻劳动强度。(4)制动时无火花,可避免发生火灾事故,有利安全运行。合成闸瓦也有其不足之处:(1)在实际运用中普遍存在着中部比两端磨耗快及容易产生破裂、掉块。(2)使用高磨合成闸瓦比铸铁闸瓦更易发生动轮弛缓。3.1.3中磷闸瓦的优点橡胶岩棉闸瓦的耐磨程度高于合成闸瓦和中磷闸瓦,耐磨性为合成闸瓦的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、更换方便及效益显著等特点。3.1.4金属陶瓷的性能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。虽然金属陶瓷早已成功地应用于高效圆盘制动机结构内,但因制造复杂而导致其价格昂贵。材料硬度高而难以磨合是金属陶瓷闸瓦不能均匀贴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。金属陶瓷的导热性比灰铸铁差,因此传入车轮的制动能量比采用灰铸铁制动闸瓦时大15%。3.2国外炭纤维复合材料制动盘盘形制动方式的改进主要通过改变制动盘闸片的性能来实现,目前研究较多的是金属制动闸片、陶瓷材料制动闸片和炭纤维制动闸片。国外营运的高速列车盘式制动仍在使用锻钢盘与铁铜粉末冶金闸片。为进一步提高制动盘的能量和降低盘重,研究主要集中在高能量制动盘和中能量制动盘上。研究表明,炭纤维复合材料密度低、制动能量高,但在摩擦系数稳定性和制造成本方面仍有大量的工作要做。陶瓷材料具有优良的高温摩擦磨损性能,但仍没有解决大尺寸部件的脆性问题。材料表面强化技术可大大改善制动盘表面的摩擦磨损性能,所要解决的问题是涂层与基体间结合的可靠性问题。铝基强化复合材料可降低重量50%以上,但其使用温度相对较低,限制了它在更大的范围内推广使用。国外炭纤维制动闸片的应用研究明显加快,国外制动闸片已经开始从使用半金属制动片为主转向使用少金属片甚至炭纤维片。德国KnoorBremse公司研制的炭纤维复合材料盘式制动装置,在高达250km/h的运行速度下制动时质量尚好。法国研制的“SepcarbSA3D”炭/炭复合材料盘形制动器,可吸收制动功高达90MJ,目前已在TGV-A和TGV-PSE列车上试用。日本新干线运行速度为270km/h的电动车制动系统也采用了炭纤维增强材料。4安装设备的故障和检测4.1失败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,但也存在着诸多问题。4.1.1闸瓦抱死,影响行车安全当施行缓解时,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。4.1.2门瓦分离由于列车在高速运行过程中频繁制动,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。4.1.3模块4:可实现因公优化,导致材料浪费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》对日本车辆运用检测现场的统计表明,所换闸瓦约85%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。4.2闸瓦自动检测技术的研究闸瓦的制动工作状况直接影响着列车的行驶速度和行车安全,因此对闸瓦的状况进行及时有效地监控检测显得格外重要。目前国内仍采用人工检测方式,不仅劳动强度大、耗费时间多,而且检测精度低,对列车的安全性构成了一定的威胁,因此迫切需要研制高效的自动检测装置。目前国外已开发出一些使用各种传感器进行闸瓦在线自动检测的设备,而其在国内尚处于研究开发中。闸瓦自动化检测的应用是未来铁路行业发展的必然趋势。鉴于目前这种状况,国内很多专家学者都对闸瓦自动检测技术进行了深入的研究,研究成果主要有:(1)列车制动性能检测仪,可检测闸瓦是否缓解。检测时将压力开关放在闸瓦和制动盘中间来判断列车制动缸的状态。(2)测力闸瓦,由测力闸瓦体和一个单触点传感器组成。在防止车轮擦伤、防滑和高速列车制动性能的研究等方面提供了基础性的检测手段。上述闸瓦检测装置功能单一,难以提高检测自动化程度。目前很多专家学者已开始研制多功能、高效率的闸瓦在线自动检测装置,主要采用高精度激光位移传感、高速CCD视觉传感和计算机图像处理等光机电一体化技术来研制列车闸瓦自动检测装置。自动检测装置应具备以下功能:检测闸瓦是否脱离;检测闸瓦的厚度;检测闸瓦是否正常缓解;检测闸瓦是否偏磨;检测闸瓦是否出现裂纹。由于列车运行现场和闸瓦状态的复杂性,要研制出具备上述功能的装置是十分困难的,需要采用多学科、多领域交叉技术来完成。5盘形制动方式在高速列车制动中应用不充分的原因传统的闸瓦制动方式优点十分明显,占用空间小,不需要旋转部分,成本低,因此仍将得到广泛应用