列车牵引与制动-第一章

1、第二章第二章 列车制动总论列车制动总论 一、学习内容： 制动有关的基本概念及意义；制动有关的基本概念及意义； 常见的制动方式；常见的制动方式； 基础制动及制动机种类；基础制动及制动机种类； 二、学习难点：粘着的概念及应用 第一节 制动一般概念及意义制动一般概念及意义 2.1 制动的一般概念 （1）“制动”：人为地施加于运动物体，使其减速(含防止其 加速)或停止运动或施加于静止物体，保持其静止状态。这 种作用被称为制动作用。简称“制动”。 （2）“缓解”： 对已经施行的列车，解除或减弱其制动作用， 均可称之为“缓解”。 （3）“制动装置”： 为使列车能施行制动和缓解而安装于列 车上的由一整套零部

2、件组成的装置，称为制动装置。 由制动装置产生的与列车运行方向相反的外力，称为 “制动力”。 制动装置一般可分三大组成部分： 1）制动机：产生制动原动力并受司机进行操纵和控制的部 分。通常包括从制动软管连接器至制动缸的一整套机构。 2）基础制动装置：即制动装置中用于传递、扩大制动力的 一整套杆件连接装置。 3）手制动机：即制动装置中以人力作为产生制动力的原动 力部分。 列车制动装置见图片 （4）“制动距离”：从司机施行制动(将制动阀手柄移至制 动位)的瞬间 起，到列车速度降为零的瞬间止，列车所驶 过的距离。它是综合反映 列车制动装置的性能和实际制 动效果的主要技术指标。 根据我国原技规“列车在任

3、何线路坡道上的紧急 制动距离规定为800米”。但是，在设计机车车辆时要求 的只是在空旷的平直道 (即无隧道、无坡道、无弯道)以 “构造速度”运行时，其紧急制动距离 不超过800米。 计算制动距离的规定，应该与列车运行速度和机车车辆 制动机的发展水平相适应。为适应提速列车的需要，1999年 新技规规定：列车在任何线路坡道上的紧急制动距离限 值： 旅客列车： 120km/h800m； 140km/h1100m； 160km/h1400m； 200km/h2000m； 250km/h2700m； 300km/h3700m； 普通货物列车： 90km/h800m； 快运货物列车： 120km/h110

4、0m。 列车制动在操纵上按用途可分为两种： （5）“常用制动”：正常情况下为调节或控制列车速度，包 括 进站停车所施行的制动。其特点是作用比较缓和且制动力可 以调节，多数情况下只用50左右。 （6）“紧急制动”：紧急情况下为使列车尽快停住而施行的 制 动，其特点是作用比较迅猛，而且要把列车制动力全部用上。 （7）“最大有效减压量(列车管）”：制动缸达到最大平衡压 力瞬间所对应的列车管减压量。 （8）“局部减压量（列车管）”：列车管除机车制动阀造成 以 外，由其他方式导致的减压借以提高减压速度，促使后部车 辆产生制动作用的现象。 （9）“局部增压（列车管）”：列车管除机车制动阀造成以 外， 由其

5、他方式导致的增压借以提高缓解速度，促使后部车辆迅 速缓解的现象。 （10）“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。 （11）“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。 （12）“制动方式”：将列车动能转移的方式或制动力获 取的方式。 2.2 制动在铁路运输中的意义 铁路是国民经济的大动脉，是我国主要的现代化交通工 具，对经济、社会和科技发展，满足人民物质和文化生活需 要起着非常重要的作用。它具有高度集中、各工作环节紧密 联系的特点。假如在某一个点上出现问题，就有可能影响到 全线，甚至更大范围的堵塞和瘫痪，真是牵一发而动全身。 所以畅通是铁

6、路运输的基本要求，安全是铁路运输的永恒主 题。 现代交通运输在运送旅客方面必须提高和改善快速、 舒适、安全、准确、方便、经济等指标。我们知道：“时间 就 是生命，时间就是效益”。因此，提高列车运行速度和牵引 重 量是提高铁路运输能力、实现铁路运输现代化的重要内容， 但是，安全是第一位。列车制动技术是铁路运输“重载、高 速” 这一发展战略目标实现的关键性前提条件之一，是铁路运输 安全的重要保证。如果没有性能良好的机车车辆制动装置， 要提高列车速度和牵引重量以及保证列车运输安全都是不可 能的。 综上所述：制动在铁路运输中的意义可概括如下： （1）确保铁路运输的安全； （2）提高列车的技术速度； （

7、3）提高铁路的运输能力； 第二节第二节 闸瓦制动与粘着闸瓦制动与粘着 一、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： 瓦状制动块 (闸瓦)紧压 车轮踏面； 通过机械摩 擦将列车的 动能转变为 热能，产生 制动力。 闸瓦闸瓦 车轮车轮 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。 K KB 二、粘着 粘着状态：轮轨间接触状态为粘着状态。 轮轨间非点接触，是椭圆形面接触； 列车运行中要发生各种冲击和振动； 车轮踏面是圆锥形的，车轮

8、在钢轨上滚动的 同时，伴随微量的轮轨间的纵向和横向滑动。 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 （规定的假定值） 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。 假定垂直载荷固定不变，认为粘着力的变 化仅由粘着系数的变化引起的。粘着系数为 假定值。 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。 第三节第三节 粘着系数的影响因素和计粘着系数的影响因素和计 算公式算公式 一、粘着系数的影

9、响因素： 主要有两个：列车运行速度列车运行速度和车轮、车轮、 钢轨的表面状况钢轨的表面状况。 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 ： 列车运行速度越高，粘着系数越小； 原因：随着列车速度的降低，冲击振动以 及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。 二、二、 粘着系数的计算公式 260 6 .45 0624.0 V 120 5 .13 0405.0 V 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。 干燥轨面： 潮湿轨面： 美国西屋空气

10、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。 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。 第四节第四节 粘着限制、制动率和粘着限制、制动率和 闸瓦摩擦系数闸瓦摩擦系数 一、粘着限制粘着限制 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制动力就变成了车 轮与钢轨的滑动摩擦力。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。

11、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。 K N K 轴制轴制 动率动率 二、二、制动率制动率 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。 制动率是制动设计中校验有无滑行危险的重要数据。制动率是制动设计中校验有无滑行危险的重要数据。 0 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。具备的制动能力。 gQ K 列车制动率： 全列车总闸瓦压力

12、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。 gPG K 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7090，货车取65 75。 K 0 三、闸瓦摩擦系数三、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：闸瓦材质闸瓦材质、列车运行列车运行 速度速度、闸瓦压强闸瓦压强和制动初速制动初速。 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

13、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）（闸瓦）和钢（车轮踏面） 深入研究。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

14、.85，货车当 时定为0.95 。 高磷闸瓦高磷闸瓦 )120(0012. 0 10060 10017 1007 100 82. 0 0 v v v K K k 第五节第五节 其他制动方式其他制动方式 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。 制动方式： 1、制动的理解： 力 能量：动能的转移。 空气扩散 动能 热能 摩擦副吸收 转移 向摩擦副输入的能量超过其散热能力与其 热容量，则会导致摩擦副的破坏。 摩擦副承受热负荷的能力摩擦副承受热负荷的能力 研究研究 不同车辆的制动功率及动能不同车辆的制动

15、功率及动能 日、德进行了深日、德进行了深 入研究入研究 部分研究结果：部分研究结果： 轴制动功率的限制(21吨轴重) 铸铁闸瓦 122kw/闸瓦 合成闸瓦 170 kw/闸瓦 盘形制动 400 kw/盘 制动速度的限制(21吨轴重) 铸铁闸瓦 极限速度为110km/h以下 合成闸瓦 极限速度为120km/h以下 盘形制动 极限速度为250km/h 2、常见制动方式 闸瓦制动 盘型制动 磁轨制动 轨道涡流制动 旋转涡流制动 电阻制动 低速区制动力随列车速度降低而减小。低速区制动力随列车速度降低而减小。 再生制动 目前我国车辆上仍采用自动空气制动机 为基础的闸瓦制动或盘型制动。 如何对从高速到停止

16、均能如何对从高速到停止均能 有效的利用电制动有效的利用电制动 3、制动方式分类：粘着制动与非粘制。 粘着制动是主要的制动方式，非粘制动 作为补充。 包括：磁轨制动包括：磁轨制动 和线性涡流制动和线性涡流制动 盘形制动 结构： 在车轴上或在车 轮辐板侧面装上制制 动盘动盘，用制动夹钳制动夹钳 使合成材料制成的 两个闸片闸片紧压制动 盘侧面，通过摩擦 产生制动力，把列列 车动能转变成热能车动能转变成热能。 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

17、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盘形制动更适用于高速 列车列车。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。 R r KB 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610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

18、用于低速车辆适用于低速车辆 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120160毫米，其升 降由提升缸来控制。 适用于高速车辆适用于高速车辆 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 。 KB 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

19、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不受轮轨粘着限制，也没有磨耗没有磨耗问题。 消耗电能多消耗电能多。 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

20、 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。 翼板制动简介 翼板制动属于空

21、气阻力制动范畴。利用空气动力学的 原理，在列车各车体上，布置一定数量的空气阻力板（一 种扰流板、翼板），直接产生作用于车体的与列车运动放 向相反的外力。是一种不受轮轨间粘着限制的制动方式。 制动时展开翼板，增加运动方向上的迎风面积，利用 大气与翼板的相对摩擦，将列车的动能转化为热能，并随 着空气的快速流动散于大气。 一、翼板制动简介一、翼板制动简介 翼板制动 在列车上合理设计和布置翼板，速度较高时能有效地 提高运行阻力。研究表明，在200 km/h的速度下，列车减 速度能提高0.17 ms2；在250 kmh的速度下，减速度能 提高0.28 ms2。当然，随着速度的减低，减速度的增加 值也会很

22、快地降低。因此，翼板制动在高速区段制动的效 果比较明显。这种制动方式的难点是翼板的设计和布置。 翼板的合理设计，还可以增加制动过程中轮轨间的粘 着力，降低车轮滑行的可能。 翼板制动在中高速范围能够产生足够大的制动力，可以 成为中高速范围的主要减速手段，使列车处于无摩擦、非粘 着式的制动作用下减速。同时也带来以下问题： （1）产生噪音与振动，必须加强车体的减振降噪设计； （2）因强大的纵向力直接作用于车体顶部，而不得不加强车 体，不利于轻量化设计； （3）列车在中高速范围内的巨大能量无法回收利用，影响运 营经济性。 目前这一技术在国外已经处于试验运行阶段。 摩擦制动 热散逸制动 制动方式 电阻制

23、动 列车动能变成可用能 闸瓦制动 摩擦制动 盘型制动 电阻制动 粘着制动 制动方式 动力制动 再生制动 盘式涡流制动 电磁制动 轨道涡流制动 磁轨制动 非粘着制动 第六节第六节 制动机种类制动机种类 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手 制动机制动机、空气制动机空气制动机、真空制动机真空制动机、电电 空制动机空制动机和电电(磁磁)制动机制动机。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

24、的特点是用压力空气（它与大气的压差，即 压力空气的相对压强 ）作为原动力，以改变空气压强来操纵 控制。 它的制动力大、操纵控制灵敏便利。是目前各国广泛采 用的制动机。我国机车车辆全部装有空气制动机。 铁路上习惯于把压力空气简称为“风”，把空气制动机 简 称为“风闸”。依此类推，风缸、风泵、风管、风压、风表 等 名称均由此而来。 空气制动机（一） 见视 频 空气制动机分为：直通式制动机：自动式制动机；直通 自动式制动机。由于直通制动机基本上已被淘汰，而自动、 直通自动制动机的主要不同之处取决于它们所用的三通阀或 分配阀的构造和作用。所以，目前也习惯于以阀（三通阀或 分配阀）的构造作用原理来分类制

25、动机。例如，分：具有二 压力机构阀、三压力机构阀和二、三压力混合机构阀的制动 机；或软性、硬性、半硬性制动机。 1. 直通式空气制动机（参看下图） （一）特点： 1）列车管增压制动，减压缓解。列车分离时不能制动； 2）构造简单，有阶段制动和阶段缓解。对于很短的列车， 操纵灵活。 3）不适用编组较长的列车。 4）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电控空气制动机。 （二）作用原理 直通式空气制动机原理见视频 2. 自动式空气制动机（参看下图） 所谓所谓“三通”是指：一通列车管，二通副风缸，三通 制 动缸。每辆车多了一个三通阀、一个副风缸和一个供给阀。 ( (一一)

26、 )作用原理作用原理: :自动式空气制动机原理见视频自动式空气制动机原理见视频 1） 充气缓解位 其空气通路为：列车管副风缸；制动缸 大气。 2） 制动位 其空气通路为：副风缸制动缸。 3） 制动中立位 所谓缓解是指制动缸通大气；充气是指副风缸压力低于 列车管时，由总风缸经列车管使它补足压力空气至定压。 ( (二二) )特点特点 1）列车管减压制动，增压缓解。列车分离时或拉动紧急制动 阀（车长阀）时能自动停车； 2）适用于较长大列车。制动或缓解时，列车冲动较直通式为 小。 3）只能阶段制动而不能阶段缓解。 列车管是副风缸的唯一风源，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

27、反推至中间位置(保 压位)。 直通自动制动机采用 三压力机构分配阀，它与 自动制动机一样是列车管 减压制动，增压缓解。主 活塞上方通列车管，下方 通工作风缸缸。第二活塞 上方通制动，下方通大气。 3. 直通自动制动机（参看下图） （一）作用原理 1）初充气，列车管压力空气进入主活塞上方，向上顶开充气 止回阀，一路进工作风缸，一路进副风缸，使两者都充到定 压，充气止回阀关闭，制动机处于缓解状态。 2）缓解时，列车管获得一定增压量，主活塞下移，排气的小 阀口打开，制动缸压力空气经活塞杆中心孔和径向孔排大， 制动机处于缓解状态。同样，停止增压，则制动机处于缓解 保压状态。继续增压，则制动机重复上述动作，可实现阶段 缓解。 3）制动时，工作风缸的压力空气推动主活塞上移，关闭活 塞杆中心孔上端，从而顶起供排气阀，打开副风缸通往制动 缸的通路，使制动机处于制动状态，此时，制动缸风压也向 下作用于第二活塞。列车管停止减压，第二活塞受到的向下 作用力与列车管风压向下作用于主活塞的力加在一起，等于 工作风缸风压向上作用于主活塞的力时，供