机车列车制动力基本概念

（一）、列车制动力的定义由制动装置引起的、与列车运行方向相反的、司机可根据需要控制其大小的外力，称为制动力，用字母B表示。列车制动力与机车牵引力一样，同样是钢轨作用于车轮的外力，所不同的是机车牵引力仅发生在机车的动轮与钢轨间，而列车制动力则发生在全列车具有制动装置的机车、车辆的轮轨之间。在操纵方式上，列车制动作用按用途可分为两种：常用制动和紧急制动。常用制动是正常情况下调控列车速度或停车所施行的制动，其作用较缓和，而且制动力可以调节，通常只用列车制动能力的20%至80%，多数情况下，只用50%左右。紧急制动是紧急情况下为使列车尽快停住而施行的制动，它不仅用上了全部的制动能力，而且作用比较迅猛。（二）、制动力产生的方法产生列车制动力的方法很多，主要可分为三类：1．摩擦制动传统的摩擦制动指的是将空气压力通过机械传动装置传到闸瓦或闸片上，利用闸瓦与车轮踏面或闸片与制动盘的摩擦而产生制动力，分为闸瓦制动和盘形两种。电磁轨道制动是另外一种摩擦制动。（1）闸瓦制动：以压缩空气为动力，通过空气制动机将闸瓦压紧车轮踏面由摩擦产生制动力。是常速机车车辆采用的主要制动方式。（2）盘形制动：以压缩空气为动力，通过空气制动机将闸片压紧装在车轴或车轮上的制动盘产生摩擦形成制动力，从而减轻车轮踏面的热负荷，延长车轮使用寿命，保证行车的安全。准高速和高速列车普遍采用这种制动方式，我国新造客车也采用盘形制动。（3）电磁轨道制动也叫磁轨制动，是利用装在转向架的制动电磁铁，通电励磁后，吸压在钢轨上，制动电磁铁在轨面上滑行，通过磨耗板与轨面的滑动摩擦产生制动力。磁轨制动力不受轮轨粘着力的限制，是一种非粘着制动方式。在紧急制动时同时附加此制动可以显著缩短制动距离。据国外实验资料报导，在列车速度为200～210km/h施行紧急制动，同时附加电磁轨道制动比不加此制动时的制动距离要缩短25％。2．动力制动依靠机车的动力机械通过传动装置产生的制动力。包括电阻制动、再生制动、电磁涡流制动、液力制动等。（1）电阻制动利用电机的可逆性，把牵引电动机变为发电机，将列车的动能转换成电能由制动电阻变成热能，散逸到大气中去。电磁转矩成为阻碍牵引电机转子运行的动力，从而起到制动作用。我国电力机车和电动车组普遍采用，内燃机车和内燃动车组多数采用。（2）再生制动与电阻制动相似，同样利用电机的可逆性，只不过将牵引电动机作发电机产生的电能通过逆变装置回送给电网。目前，在国外高速动车组、交流传动电力机车已广泛应用，我国部分国产电力机车上已经应用。（3）电磁涡流制动电磁涡流制动是利用电磁铁和电磁感应体相对运动，在感应体中产生涡流，将列车的动能转换成电磁涡流并产生热能，达到制动的目的。根据电磁铁和感应体的型式，电磁涡流制动分为电磁涡流轨道制动（线性电磁涡流制动）和电磁涡流转子制动（盘式电磁涡流制动）。电磁涡流轨道制动是将转向架上的电磁铁落至距轨面6-7mm处，由电磁铁与钢轨间的相对运动在钢轨内产生感应涡流，这些涡流在磁场中运动，受到一个与运动方向相反的力的作用，形成制动力。电磁涡流转子制动是在轮轴上安装与盘形制动制动盘类似的金属圆盘，制动时金属盘在电磁铁产生的磁场中旋转，制动盘内产生涡流作用，从而产生电磁力作为制动力，起到制动作用。闸瓦制动、盘形制动、电阻制动、再生制动、电磁涡流转子制动，都是利用轮轨之间的粘着而转变成制动力，均属于粘着制动，其制动力要受产生制动力的那些车轴的轮轨间粘着力的限制。同一根轴上各种粘着制动力之和不能超过该轴轮轨间的粘着力。电磁轨道制动和电磁涡流轨道制动不通过轮轨间的粘着起作用，属于非粘着制动，不受轮轨间粘着极限值的限制。其中电磁涡流制动优于电磁轨道制动，因为它没有任何摩擦副。电磁制动目前在国外作为高速列车的辅助制动装置。（三）、闸瓦制动力的形成在司机的操纵下，制动缸的空气压力通过基础制动装置的传递和扩大，使闸瓦以K（kN）的压力作用于滚动的车轮踏面，引起与车轮回转方向相反的摩擦力kkK(为轮瓦间摩擦系数）。对列车来说，此摩擦力是内力，它不能使列车运动状态发生变化，但它对车轮中心形成一个力矩，从而在轮轨接触点产生一个车轮对钢轨的纵向水平作用力kK，根据作用与反作用原理，必然引起一个钢轨对列车作用并阻碍列车运行的外力，即制动力（图3—1）。图3—1闸瓦制动力的形成示意图每块闸瓦产生的制动力亦可写成kKB（3—1）上式说明，在不超过轮轨间粘着力的范围内，制动力的大小是由k和K这两个数值来决定的。由此可见，列车制动力与机车牵引力一样，也是发生在车轮踏面与钢轨间的外力，所不同的是，机车牵引力仅发生在机车动轮踏面与钢轨间，显然，列车制动力就有可能比机车牵引力大得多。这主要是因为两种力都受轮轨间粘着力的限制，列车总重比机车动轮荷重大得多。（四）、闸瓦制动力的限制从制动力的形成过程可知，制动力是由轮瓦间摩擦力引起的钢轨对车轮的纵向水平反作用力，因此它的大小要受到轮轨间粘着力的限制。如每轴作用在钢轨上的垂直载荷为q0、轮轨间的粘着系数为z，每轴上的闸瓦压力为K，故必须使：zkqKB0max(3－2)kzoqK(3－3)当闸瓦压力较小（如常用制动小减压量），kK的值小于轮轨间的粘着力时，kK就是当时的制动力。随着闸瓦压力的增大，制动力也增大。当制动力增大到轮轨间粘着力，车轮就会被抱死不转而在钢轨上滑行。若轮轨间的滑动摩擦系数为h，则滑行时的制动力就完全变成轮轨间的滑动摩擦力，即hqB0。滑行时，虽然闸瓦压力很大，但制动力很小，反而延长了滑行距离，并造成车轮踏面擦伤。从公式（3-3）可知，当比值0qK值大或kz值小时，易发生滑行，下面分析几种情况：1．当速度v低时，粘着系数z略大，而k随v下降而急剧增加，故比值kz下降易发生滑行，尤其是在快停车时，更易滑行。2．当轨面状况不好时，粘着系数受其影响而下降，比值kz低，易发生滑行。3．紧急制动时，由于闸瓦压力K值大，而使0qK增大，易滑行。二、闸瓦摩擦系数（一）、闸瓦摩擦系数及影响因素机车车辆闸瓦与车轮踏面间的摩擦系数简称为闸瓦摩擦系数，以k表示。闸瓦摩擦系数是直接影响列车制动力的重要因素，在闸瓦压力一定时，制动力的大小和变化，就决定于摩擦系数的大小和变化。所以要求闸瓦摩擦系数的数值要高且比较稳定。影响闸瓦摩擦系数的因素很多，主要有以下几方面。1．闸瓦材质和制造工艺闸瓦材质对摩擦系数影响很大，现在机车车辆上大多使用的是铸铁闸瓦。铸铁闸瓦中配有碳、硅、锰、硫、磷五种添加成分。其中磷是对摩擦性能起主要作用的元素，适当提高含磷量，摩擦系数与耐磨性均可相应增加。1999年6月以后，我国主要使用含磷量为2.5~5%的高磷闸瓦,取代含磷量为0.7~1.0%的中磷闸瓦。此外，闸瓦的铸造工艺也影响着摩擦系数，用铁模浇铸的铸铁闸瓦，其摩擦系数就小于用砂模浇铸的闸瓦。随着对铸铁闸瓦的研究不断深入，据国内外一些文献报道，铸铁闸瓦的浇铸温度、浇铸方法及闸瓦中所含的杂质，都会大大降低闸瓦的耐热性与导热性，使闸瓦易于熔化，对摩擦系数也必然会有影响，从而导致同一材质的闸瓦就有可能有不同的摩擦系数。2．闸瓦压力闸瓦对车轮单位面积上的压力越大，摩擦系数越小，反之摩擦系数越大。这是因为，闸瓦压力大时，摩擦产生的热量多，闸瓦温度升高，在接触面上可能有一薄层因高温而变软，起着近似润滑剂的作用，所以降低了摩擦系数。3．列车运行速度铸铁闸瓦与车轮间的摩擦系数受列车运行速度的影响较大。列车速度高，闸瓦与车轮踏面摩擦的相对速度就越大，在摩擦过程中产生的热量多，使闸瓦温度升高，摩擦系数减小。这显然不能满足高速时需要有较大制动力的要求（列车速度降低，摩擦系数反而增大）。尤其是在速度很低时，摩擦系数急剧上升，容易发生“抱死轮”即“滑行”现象。4．列车制动初速度初速度较低时，其摩擦系数较高。当制动初速度较高时，闸瓦温度高，则摩擦系数较低。根据试验：制动初速每提高10km/h，铸铁闸瓦和低摩合成闸瓦的摩擦系数将降低0.006~0.012。除上述几种主要因素外，闸瓦摩擦系数还与气候、接触面状态等有关。（二）、改善闸瓦摩擦性能的措施对闸瓦除要求有高的、比较稳定的摩擦系数外，还要求它有较好的耐磨性和导热性，以及一定的机械强度，并且希望制造成本低。因此，世界各国都在对闸瓦的摩擦性能进行广泛研究，以提高制动效能，降低材料消耗。1．提高铸铁闸瓦中的含磷量据研究，含磷量高的高磷铸铁闸瓦可明显减小以至完全消除火花，制动效果好，但容易脆裂。我国研究出采用钢背作为补强措施的高磷铸铁闸瓦，现在已普遍使用高磷铸铁闸瓦。2．采用双侧制动或复式闸瓦双侧制动即每一车轮两侧各有一块闸瓦。复式闸瓦是一个闸瓦托上安装两块或两块以上闸瓦。采用双侧制动或复式闸瓦能增加闸瓦的摩擦面积，减小闸瓦单位面积的压力。根据试验，闸瓦单位面积的压力较小者，可获得良好的摩擦系数与较小的磨耗量；同时闸瓦单位面积的压力小，制动时的温度较低，由此而引起的闸瓦变形也较小，使闸瓦与车轮有较好的接触状态，得以提高其摩擦系数。据国外试验资料表明，采用复式闸瓦时制动距离比采用单式闸瓦可缩短10~15%。此外，为减小制动过程中闸瓦因高温而发生的变化，除采用上述的复式闸瓦外，还可以采用两端硬化的闸瓦，来防止闸瓦冷却后两端翘起，闸瓦接触面减小，摩擦系数降低。3．采用合成闸瓦由于铸铁闸瓦摩擦系数较低，而且随速度增加而减小，耐磨性亦较差，已不能满足铁路运输高速、重载和行车安全的要求，因而出现了一种很有前途的新型闸瓦——合成闸瓦。合成闸瓦是用非金属材料（石墨粉、石棉、矿渣、云母、粘土等）和金属粉末（铸铁粉、铜粉、铅粉和铅锌等氧化物）为填充料，用橡胶或树脂等粘性材料作为粘结剂，通过加热而成。与铸铁闸瓦相比，它的摩擦系数大而稳定，而且可以在制造时，通过采用不同的配方和工艺进行调节。耐磨性也有显著提高，制动时的摩擦火花也小，可防止火灾。目前，我国快速旅客列车上已采用合成闸片。（三）、闸瓦摩擦系数的试验公式由于闸瓦摩擦系数的影响因素很多，而且比较复杂，难以推导出它的计算公式，通常是综合试验结果得出的经验公式进行计算的。《牵规》规定，我国各型闸瓦和闸片的实算摩擦系数k，按下列各式计算：中磷闸瓦：)110(0007.0100141006.3100510064.00vvvKKk（3－4）高磷闸瓦：)120(0012.01006010017100710082.00vvvKKk（3－5）低摩合成闸瓦：)100(0006.0150101504500650025.00vvvKKk（3－6）高摩合成闸瓦和闸片：1502150200420041.0vvKKk(3－7）式中K—每块闸瓦的闸瓦压力,kN；v—列车运行速度,km/h；v0—制动初速度,km/h。上述几种闸瓦的使用情况是，高磷铸铁闸瓦（以下简称高磷闸瓦）在普通货车和最高速度120km/h的客车（以下简称普通客车）上普遍采用；中磷铸铁闸瓦（以下简称中磷闸瓦）在少数机车上采用；低摩合成闸瓦在少数机车上和个别普通客车上使用；高摩合成闸瓦在和部分机车和客货车上使用，而且使用面会逐步扩大；高摩合成闸片在装有盘形制动的客车、动车组上使用。新造的最高速度为120km/h的客车也有采用盘形制动和高摩合成闸片的。此外，还有一些机车和动车组使用粉末冶金闸瓦，尚缺正规的摩擦系数公式，其摩擦系数大致相当于高摩合成闸瓦的80%，近年来新造重载货车和行包快运车辆采用新型高摩合成闸瓦，其摩擦系数的平均值比原高摩合成闸瓦提高23%。三、闸瓦压力（一）、闸瓦压力的计算机车、车辆每块闸瓦的实算闸瓦压力K按下式计算：62104kzzzzznnPdK（kN）(3－8）盘形制动每块闸片的实算闸片压力K´按下式计算：62'104zzzzPdK（kN）（3－9）闸片压力K作用在制动盘的平均摩擦半径zr上，为了制动力计算的方便，需要按下式将它换算成车轮踏面上的压力K：'KRKcz（kN）（3