制动设计的原则：

制动设计的原则：1．基础制动1．1基础制动形式选择目前，机车基础制动主要有两种，一种是闸瓦制动、一种是盘型制动，盘型制动有轮盘制动与轴盘制动两种。闸瓦制动的形式一般用在速度不大于120km/h的机车车辆，其原因一是车轮踏面的热负荷和机械磨损太大，二是由踏面和闸瓦组成的摩擦副不理想。至于轮盘制动与轴盘制动的选择原则：如果设备布置允许则选用轴盘制动，由于动车电机体积小，多采用轴盘制动，机车电机体积大，多采用轮盘制动，如果是交流传动的内燃机车，也可考虑用轴盘制动。采用闸瓦的制动器方式有两种选择：一是杠杆式（或称散开式），即目前DF7采用的方式；一为单元式，如DF4D、SS7、SS8等机车。杠杆式结构简单、成本小、维修方便是其优点，占用空间大、制动行程长是其弱点，对于调小机车和工矿机车来说杠杆式的适用性很好，没有更换的必要。1．2闸瓦材质的选择目前，闸瓦材质主要有铸铁闸瓦、合成（塑料）闸瓦、粉末冶金闸瓦三类。这三类闸瓦由于改进和需要又发展出多种产品。铸铁闸瓦分低磷、中磷、高磷和BXT-1稀土铸铁闸瓦，低磷闸瓦由于摩擦系数低基本不用了，高磷闸瓦易裂，加钢背后成本高也较少使用，目前多用中磷与BXT-1稀土铸铁闸瓦。铸铁闸瓦的摩擦特性不理想，制动初速度稍高（V30~40km/h）时摩擦系数低（0.1~0.15），当机车速度降低到10~0km/h时摩擦系数迅速提高（0.25~0.3），易引起轮对擦伤与机车冲动，另外铸铁闸瓦易产生“火花”。合成（塑料）闸瓦分低摩合成闸瓦和高摩合成闸瓦，我厂部分机车采用，其优点是摩擦系数与速度的关系不敏感，且耐磨、重量小、无火花；其缺点是散热性能差，易损害车轮踏面。粉末冶金闸瓦的摩擦系数较高而且比较平稳，但价格要远高于铸铁闸瓦，所以目前仍选择使用铸铁闸瓦主要是出于价格低且能够适用的原因。一般来说，当机车速度达到120km/h时，就应该选择粉末冶金闸瓦（后面还要说到）。1．3闸瓦压力的选择闸瓦压力不宜过大，过大则降低摩擦系数、降低闸瓦寿命、或加剧走行部分变形与磨损。闸瓦最大压强一般应控制在2000~2500kPa（Jungkind《机车制动系统》），DF7机车单侧制动的闸瓦压力已达到8t，大约在2000kPa，这个数值已经够高了，建议在设计中不要突破。1．4制动力确定根据《铁路技术管理规程》第189条规定，120km/h的列车在任何坡道线路上的制动距离为800m。但机车在设计中一般规定：120km/h的机车在平直线路上的制动距离为800m，设计的主要思路是让车辆的制动力略大于机车，减小制动的冲动。TB2407《列车牵引计算规程》规定，单机制动空走时间按2.5S计算，但根据TB2232《JZ-7制动机单机制动性能检验》，紧急制动时，制动缸压力到430kPa的时间为4~7秒，根据现场测试，DF7G机车达到430~450kPa的时间为6~7秒，开始制动的时间大约在2~3秒，所以空走时间建议按平均数4.5S为宜，空走距离在120km/h时达到33x4.5=150m，实际制动距离仅为650m。制动的过程就是通过制动力作功将列车的动能耗散的过程，制动力按下式计算：FS=0.5mV2由于闸瓦摩擦系数μ随机车速度变化，所以制动力F是一个变量，准确的计算方法应该是根据不同速度段的摩擦力分别计算距离后再累计，但设计初期可以根据上面公式得出一个“平均制动力”。1．5基础制动设计原则平均制动力=闸瓦总压力X平均摩擦系数1）确定的基础制动系统一般从制造工厂的立场来说，应该使用成熟、可靠的基础制动系统，一是出于通用性也即经济性的考虑，二是通过长期验证的机构更加可靠，所以只要选用合适的闸瓦（摩擦系数）来满足制动力要求即可。2）确定的闸瓦极端情况下，用户考虑到闸瓦与其它车辆的通用性或出于成本的原因，先指定闸瓦（摩擦系数），这时应先计算需要施加给闸瓦的压力是否超出最高压强（2000kPa），如果没有超出，可通过修改制动倍率来满足要求，如仍达不到要求，可以将单侧制动改为双侧制动，但这样的结构更改较大。3）确定的制动缸闸瓦最大压力通过紧急制动时闸缸的最高压力（TB规定450kPa）和制动缸直径（我厂DF7G采用8”，四方厂DF7G采用6”）确定，按制动倍率6.8计算，闸瓦承受压力已经超出2000kPa，所以制动缸没有再加大的必要。1．6对闸瓦的要求闸瓦制造厂根据设计要求和试验经验制出的闸瓦样品，通过1：1闸瓦试验台上进行试验合格后提供给用户。设计对闸瓦的要求一般应包括以下几条：1）摩擦系数平均值（或将机车总重、轴重、闸瓦承受的压力、闸瓦数量、闸瓦的外型图、轮对直径、踏面型式、制动距离提供，由闸瓦制造厂选择合适的闸瓦摩擦系数）3）摩擦系数曲线的平稳性和摩擦系数最高值闸瓦摩擦系数的最高值确定：按《牵规》规定干燥钢轨的制动粘着系数公式：μ=0.062+45.5/(V+260)潮湿钢轨的制动粘着系数公式：μ=0.0405+13.5/(V+120)对于铸铁闸瓦尤其要注意低速时的最大制动力是否超过粘着力，例如：潮湿钢轨V=0~10制动粘着系数0.15DF7G机车总重按138t最大制动力：138X0.15=20.7t按12个闸瓦计算，每个闸瓦20,7/12=1.75t闸瓦最大压力按8t计算，则最大摩擦系数1.75/8=0.218而实际测得V=0~10铸铁闸瓦的摩擦系数大约在0.25~0.30解决方案：①撒砂增粘是国内最普遍的解决方案。②改变制动缸压力：在速度低于某值时降低制动缸压力。4）耐磨性要求、使用寿命的试验数据5）闸瓦承受压强试验6）闸瓦承受冲击试验7）闸瓦耐高温试验（也叫熔结试验），温度影响摩擦系数变化率低（试验数据），模拟长大坡道连续制动时的温升与摩擦系数变化情况，高温时既不能与踏面粘合，也不能裂损掉块。8）湿润钢轨情况下闸瓦的摩擦系数（试验数据）9）不产生或少产生“火花”10）噪声小，尤其避免产生人敏感的高频噪声。11）价格因素12）产品供方资质由于闸瓦直接影响机车安全，所以一定要有铁道部认可的试验报告，符合TB/T2638的试验方法和试验项目，制造厂家要到铁道部认可，产品要有铁道部指定验收。1．7闸瓦标准选择闸瓦的铁道行业标准仍不完整，废止后没有新标准代替的仍可参考但不能完全采用或引用，其余作为推荐性标准可完全采用或部分引用。为提高产品竞争力，可以采用UIC、AAR标准。TB/T284废机车闸瓦TB/T2638机车用闸瓦、闸片性能试验方法TB/T3078机车车辆高磷闸瓦超声波检验方法TB/T32废车辆用中磷闸瓦TB/T1661铁道车辆高磷闸瓦TB/T2403货车用高摩擦系数合成闸瓦技术条件TB/T2404铁道货车用低摩擦系数合成闸瓦技术条件TB/T2592铁道机车用88型高摩擦系数合金闸瓦技术条件TB/T3005机车用粉末冶金闸瓦技术条件1．8有关基础制动的其它要求由于基础制动直接涉及到行车安全，所以设计中一定要按照ISO9001的要求进行，尽量采用成熟可靠的部件和结构，新部件和新结构一定要有试验手段进行设计验证。例如，制动力要由轮对和闸瓦的接触压力和摩擦系数来保证，摩擦系数在有试验数据，制动缸空气压力可以在压力表读到，但是这个制动缸的压力是否按比例传递到轮对上呢？这个环节就没有试验要求和手段，如果因设计结构有问题造成卡滞就可能出现非常严重的后果。1．9制动缸空气管路设计1．机车制动系统的选择说明1．1机车制动的形式与分类1．1．1制动就是把机车运行的动能转化为其它能量的过程，从能量转移的先进性依次分类如下（也是设计优先选择的顺序）：1）最好的方式是将动能转化为电能和势能存储起来再利用，例如电力机车的再生制动、飞轮储能制动和仍在研制中的电容器、蓄电池储能制动。2）其次的方式是将动能转化为热能耗散掉，但不引起磨损。例如电阻制动、线性涡流电制动（热能转移到钢轨）、液力制动（热能通过液体热交换器散去）、柴油机排气制动等。3）通过摩擦的方式转换为热能散发出去。例如闸瓦制动、轮盘制动、磁轨制动等。1．1．2对于依靠轮轨粘着力进行牵引的机车，又可分两种制动方式：1）制动力不受粘着力限制的制动方式——非粘着制动：磁轨制动，是目前最先进的基础制动方式（国内X2000动车组采用）。2）制动力受粘着力限制的制动方式——粘着制动：除磁轨制动外的其它制动方式。1．2调车、工矿车制动形式发展方向调车、工矿车的特点是速度低但制动频繁，要求一定的起动牵引力和较大的制动力（考虑单机制动的因素），可利用的制动能量较大，如果充分利用，可节约能源约30%，世界各先进机车制造厂商都在积极研究，预计机车由此增加的成本可在2~3年内依靠节约燃料收回。调车机车一般为电力传动或液力传动的内燃机车，由于速度低，传统的电阻制动力太小，需要采用加馈电阻制动才能满足要求。液力制动力在低速时也比较小，应考虑反转制动。1．3国内、外的机车空气制动机由于历史原因，国内内燃机车使用JZ-7制动机，电力机车用DK-1制动机，两者的主要区别：①JZ-7可以阶段缓解也可一次缓解，DK-1只能够一次缓解；②JZ-7大小闸在各位置自动确定压力并保持，不设中立位，DK-1依靠闸把在制动位停留的时间确定减压量，设置中立位；③JZ-7控制部分为空气控制，DK-1控制部分为电气控制，所以简化了司机室管路。从功能上讲JZ-7和DK-1都可以在内燃机车和电力机车上使用。国外具有代表性的机车制动机主要有①用在欧洲及许多其它国家的符合UIC标准的D2b/D5bKNORR制动机、PBL2按钮室制动机（8K机车）；②用在北美、南非、澳洲等国家符合AAR标准的26-L制动机（ND5机车）；③用在前苏联国家的苏式395-3制动机（8G机车）。1．4国外机车空气制动机发展势态以WABTEC、NYAB、SAB制动机专业制造厂家研制的EPICII、CCBII、SABCO制动机为代表，呈现了以下发展态势：1）采用微机控制，实现空气制动与动力制动的理想配合，最大可能地应用动力制动力。2）采用微机控制的电空转换阀，实现空气制动压力的精确控制，简化制动系统管路，取消分配阀。3）采用模块化设计，使电磁阀和空气阀的组合更集中、结构小型化。4）实现功能模块的监控与自诊断。1．5动力制动与空气制动的配合原则