列車制動(dòng)方式的分析與研究

列車制動(dòng)方式的分析與研究

1增強(qiáng)列車制動(dòng)能力隨著中國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，鐵路運(yùn)輸量迅速增加，鐵路運(yùn)行能力需要不斷改善，以緩解運(yùn)輸中的增加壓力。隨著速度的提高,列車的動(dòng)能在不斷增加,為保證其運(yùn)行安全,要求列車制動(dòng)裝置有更強(qiáng)大的制動(dòng)能力。由于列車制動(dòng)技術(shù)直接影響到其提速和運(yùn)行安全,因此,研究和設(shè)計(jì)新型的制動(dòng)系統(tǒng)以提高列車制動(dòng)效能,以及對(duì)制動(dòng)部件進(jìn)行及時(shí)有效地檢測,成為急需解決的關(guān)鍵技術(shù)問題。2粘連制動(dòng)方式目前列車常用的制動(dòng)方式主要有兩種:粘著制動(dòng)和非粘著制動(dòng)。制動(dòng)力由車輪與鋼軌之間的摩擦力產(chǎn)生的制動(dòng)方式,稱為粘著制動(dòng),或稱摩擦制動(dòng)。施行粘著制動(dòng)時(shí),制動(dòng)力受輪軌間的粘著力的限制,最大制動(dòng)力不超過粘著力。粘著制動(dòng)是目前主要的制動(dòng)方式。閘瓦制動(dòng)、盤形制動(dòng)、液力制動(dòng)、電阻制動(dòng)、旋轉(zhuǎn)渦流制動(dòng)及再生制動(dòng)等制動(dòng)方式都屬于粘著制動(dòng)。制動(dòng)力不是通過車輪與鋼軌之間摩擦力產(chǎn)生的制動(dòng)方式,稱為非粘著制動(dòng)。軌道電磁制動(dòng)和軌道渦流制動(dòng)等都屬于非粘著制動(dòng),其制動(dòng)力大小不受輪軌間粘著力的限制。非粘著制動(dòng)目前主要作為一種輔助的制動(dòng)方式用于粘著制動(dòng)力不夠的高速旅客列車上。下面分別對(duì)粘著制動(dòng)和非粘著制動(dòng)的常用方式作一介紹。2.1連接鎖2.1.1閘瓦制動(dòng)裝置閘瓦制動(dòng)是通過閘瓦壓緊輪對(duì)踏面時(shí)產(chǎn)生強(qiáng)大的摩擦力,使列車大部分動(dòng)能轉(zhuǎn)化為熱能的制動(dòng)方式。閘瓦制動(dòng)是目前國內(nèi)列車上使用最廣泛的一種制動(dòng)方式,它的優(yōu)點(diǎn)在于制造工藝簡單,成本低,制動(dòng)力大,使用方便,不受天氣條件的限制,制動(dòng)時(shí)還能通過清理踏面改善車輪與鋼軌的粘著。但是閘瓦制動(dòng)也存在著很多缺點(diǎn):摩擦系數(shù)隨速度提升而迅速下降;高速時(shí)不能充分利用輪軌間的粘著系數(shù)而使制動(dòng)效率降低,低速時(shí)又易發(fā)生沖動(dòng)及擦傷車輪踏面;使機(jī)車車輛運(yùn)行時(shí)的噪聲明顯增大;閘瓦在車輪上摩擦?xí)r,會(huì)產(chǎn)生大量的熱能,磨損快,須不定期地更換,資源消耗大?；谝陨咸攸c(diǎn),國內(nèi)貨運(yùn)列車大都采用閘瓦制動(dòng)方式。2.1.2盤形制動(dòng)/閘瓦制動(dòng)盤形制動(dòng)是通過將閘片夾緊制動(dòng)盤,使閘片與制動(dòng)盤間產(chǎn)生摩擦而起到制動(dòng)作用。盤形制動(dòng)釋放制動(dòng)能量快,制動(dòng)閘片有相當(dāng)穩(wěn)定的摩擦因數(shù),噪聲小。基于這些因素,使得在高速客運(yùn)列車上必須采用盤形制動(dòng)?，F(xiàn)在新造客車上基本上以盤形制動(dòng)替代了傳統(tǒng)的閘瓦制動(dòng)。但是圓盤制動(dòng)機(jī)也有一些缺點(diǎn):因裝有制動(dòng)圓盤而增加了總質(zhì)量;因缺乏清理車輪踏面的作用而惡化了車輪與鋼軌的粘著。2.1.3電機(jī)電能轉(zhuǎn)換動(dòng)力制動(dòng)是指將列車的牽引動(dòng)力裝置經(jīng)過適當(dāng)控制和轉(zhuǎn)換后進(jìn)行制動(dòng)的方式。動(dòng)力制動(dòng)由再生制動(dòng)和電阻制動(dòng)兩部分組成。再生制動(dòng)在制動(dòng)時(shí)把牽引電機(jī)轉(zhuǎn)換為發(fā)電機(jī),將動(dòng)能轉(zhuǎn)換為電能并反饋給電網(wǎng),它只能用在電力機(jī)車和電動(dòng)車上。電阻制動(dòng)是把再生制動(dòng)產(chǎn)生的電能加在制動(dòng)電阻上,變成熱能并發(fā)散的制動(dòng)方式。制動(dòng)時(shí)優(yōu)先使用再生制動(dòng),只有當(dāng)接觸網(wǎng)不能吸收再生制動(dòng)的能量時(shí),才自動(dòng)轉(zhuǎn)換為電阻制動(dòng)。動(dòng)力制動(dòng)方式不需要消耗能源,其以環(huán)保、節(jié)能和制動(dòng)平穩(wěn)等優(yōu)點(diǎn)作為輔助制動(dòng)方式廣泛應(yīng)用于以摩擦制動(dòng)為主的列車上。研究表明,列車使用動(dòng)力制動(dòng)裝置后,制動(dòng)閘瓦的磨耗速度降低了50%,輪對(duì)輪箍的磨耗速度降低了30%。2.1.4工作油的回用液力制動(dòng)在制動(dòng)時(shí)油泵向液力制動(dòng)器供油,渦輪固定不動(dòng),泵輪由慣性力帶動(dòng)并隨電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng),工作油在轉(zhuǎn)子內(nèi)被加速而在定子內(nèi)又被減速,最終在泵輪和渦輪間形成環(huán)流,產(chǎn)生制動(dòng)力矩,并轉(zhuǎn)化為工作油的熱能加以消散。它主要用在液力傳動(dòng)的機(jī)車上。2.1.5金屬渦流盤的制備旋轉(zhuǎn)渦流制動(dòng)是在牽引電機(jī)軸或車軸上裝有作為電磁感應(yīng)體的金屬渦流盤,制動(dòng)時(shí),盤在電磁鐵形成的磁場中旋轉(zhuǎn),盤表面感應(yīng)出渦流,使渦流盤發(fā)熱,將列車動(dòng)能轉(zhuǎn)換成熱能。2.2非粘性剎車2.2.1電磁鐵的吸力作用磁軌制動(dòng)是通過將安裝在列車轉(zhuǎn)向架上兩輪對(duì)之間軌面上方的電磁鐵吸附在軌道上并勵(lì)磁,使裝有磨耗板的電磁鐵以一定的吸力吸附在鋼軌上并滑行,靠磨耗板與軌面之間的摩擦使動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮懿⑸l(fā)。磁軌制動(dòng)為非粘著制動(dòng),是一種提高制動(dòng)力很有效的方式,能較明顯地縮短制動(dòng)距離。運(yùn)用表明,具有磁軌制動(dòng)時(shí),制動(dòng)距離可以縮短20%至25%。目前它主要作為一種輔助制動(dòng)方式用于高速列車的緊急制動(dòng)。2.2.2地震波產(chǎn)生的動(dòng)能軌道渦流制動(dòng)是將電磁鐵懸掛在位于鋼軌正上方的列車轉(zhuǎn)向架上,通過電磁鐵與鋼軌間的相對(duì)運(yùn)動(dòng),在鋼軌中感應(yīng)出渦流而產(chǎn)生阻力并使鋼軌發(fā)熱,從而把列車的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為熱能的制動(dòng)方式。軌道渦流制動(dòng)有下列優(yōu)點(diǎn):磁鐵不與鋼軌接觸,不產(chǎn)生摩擦作用,噪聲小;制動(dòng)力的增加不受粘著條件的限制;制動(dòng)力大且平穩(wěn),可減小制動(dòng)距離,改善乘車的舒適度。缺點(diǎn):成本高,消耗電能大;制動(dòng)時(shí)會(huì)使鋼軌升溫,影響穩(wěn)定性。3閘瓦制動(dòng)和盤形制動(dòng)目前國內(nèi)外列車普遍采用的制動(dòng)方式是摩擦制動(dòng),主要有閘瓦制動(dòng)和盤形制動(dòng)。而其它的制動(dòng)方式如電阻制動(dòng)、再生制動(dòng)、軌道電磁制動(dòng)等仍只作為輔助制動(dòng),因此閘瓦制動(dòng)方式和盤形制動(dòng)方式性能的改進(jìn)是研究的重點(diǎn)。3.1采用新材料來改變閘瓦制動(dòng)效能閘瓦的制動(dòng)能力主要由閘瓦與車輪之間的摩擦來決定。為了改進(jìn)閘瓦制動(dòng)效能,常用的方法是通過使用新材料來改變閘瓦與車輪之間的摩擦和粘著力。目前研究較多的主要是中磷閘瓦、高磷閘瓦、合成閘瓦和橡膠巖棉閘瓦。3.1.1中磷閘瓦的優(yōu)缺點(diǎn)自60年代以來,我國準(zhǔn)軌列車使用的閘瓦多為含磷量為0.7%～1.0%的中磷鑄鐵閘瓦。實(shí)踐證明,中磷閘瓦在使用中存在較多缺點(diǎn),尤其是耐磨性能差,使用壽命短。而高磷閘瓦在耐磨耗、耐高溫、摩擦系數(shù)穩(wěn)定性及效益等方面均優(yōu)于中磷閘瓦,耐磨性為中磷閘瓦的2.5～3.0倍。但高磷閘瓦由于材質(zhì)脆性大、高溫強(qiáng)度低、導(dǎo)熱性能差,所以在制動(dòng)時(shí)容易產(chǎn)生裂紋。3.1.2無電火花砂膠結(jié)料生產(chǎn)閘瓦針對(duì)高、中磷鑄鐵閘瓦的缺欠,國外早已開展了對(duì)高摩擦系數(shù)合成閘瓦的研究,歐美一些發(fā)達(dá)國家,如美國已采用合成閘瓦替代鑄鐵閘瓦。高摩擦系數(shù)合成閘瓦制動(dòng)力大,磨耗量較小,使用壽命長。另外,制動(dòng)時(shí)噪聲小,無火花粉塵,制造成本低。合成閘瓦主要特點(diǎn)如下:(1)具有平穩(wěn)的摩擦系數(shù)并能充分利用粘著力提高制動(dòng)力,縮短制動(dòng)距離。(2)耐磨、使用壽命長、對(duì)車輪磨損少。合成閘瓦的使用壽命一般比鑄鐵閘瓦長3～10倍。因而可大大減少更換閘瓦的工作量,降低鐵路運(yùn)營成本。(3)重量輕。合成閘瓦重量僅為鑄鐵閘瓦的1/4～1/3,便于更換閘瓦,減輕勞動(dòng)強(qiáng)度。(4)制動(dòng)時(shí)無火花,可避免發(fā)生火災(zāi)事故,有利安全運(yùn)行。合成閘瓦也有其不足之處:(1)在實(shí)際運(yùn)用中普遍存在著中部比兩端磨耗快及容易產(chǎn)生破裂、掉塊。(2)使用高磨合成閘瓦比鑄鐵閘瓦更易發(fā)生動(dòng)輪弛緩。3.1.3中磷閘瓦的優(yōu)點(diǎn)橡膠巖棉閘瓦的耐磨程度高于合成閘瓦和中磷閘瓦,耐磨性為合成閘瓦的2倍,為中磷閘瓦的5倍以上,具有制造成本低、耐磨性能強(qiáng)、使用壽命長、更換方便及效益顯著等特點(diǎn)。3.1.4金屬陶瓷的性能金屬陶瓷閘瓦與鑄鐵閘瓦相比,具有較高的摩擦因數(shù),摩擦因數(shù)與抱閘力之間的關(guān)系良好,使用壽命長。雖然金屬陶瓷早已成功地應(yīng)用于高效圓盤制動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)內(nèi),但因制造復(fù)雜而導(dǎo)致其價(jià)格昂貴。材料硬度高而難以磨合是金屬陶瓷閘瓦不能均勻貼合到車輪踏面上的原因,因此在安裝新閘瓦后不可避免地會(huì)出現(xiàn)偏高的接觸應(yīng)力區(qū)。金屬陶瓷的導(dǎo)熱性比灰鑄鐵差,因此傳入車輪的制動(dòng)能量比采用灰鑄鐵制動(dòng)閘瓦時(shí)大15%。3.2國外炭纖維復(fù)合材料制動(dòng)盤盤形制動(dòng)方式的改進(jìn)主要通過改變制動(dòng)盤閘片的性能來實(shí)現(xiàn),目前研究較多的是金屬制動(dòng)閘片、陶瓷材料制動(dòng)閘片和炭纖維制動(dòng)閘片。國外營運(yùn)的高速列車盤式制動(dòng)仍在使用鍛鋼盤與鐵銅粉末冶金閘片。為進(jìn)一步提高制動(dòng)盤的能量和降低盤重,研究主要集中在高能量制動(dòng)盤和中能量制動(dòng)盤上。研究表明,炭纖維復(fù)合材料密度低、制動(dòng)能量高,但在摩擦系數(shù)穩(wěn)定性和制造成本方面仍有大量的工作要做。陶瓷材料具有優(yōu)良的高溫摩擦磨損性能,但仍沒有解決大尺寸部件的脆性問題。材料表面強(qiáng)化技術(shù)可大大改善制動(dòng)盤表面的摩擦磨損性能,所要解決的問題是涂層與基體間結(jié)合的可靠性問題。鋁基強(qiáng)化復(fù)合材料可降低重量50%以上,但其使用溫度相對(duì)較低,限制了它在更大的范圍內(nèi)推廣使用。國外炭纖維制動(dòng)閘片的應(yīng)用研究明顯加快,國外制動(dòng)閘片已經(jīng)開始從使用半金屬制動(dòng)片為主轉(zhuǎn)向使用少金屬片甚至炭纖維片。德國KnoorBremse公司研制的炭纖維復(fù)合材料盤式制動(dòng)裝置,在高達(dá)250km/h的運(yùn)行速度下制動(dòng)時(shí)質(zhì)量尚好。法國研制的“SepcarbSA3D”炭/炭復(fù)合材料盤形制動(dòng)器,可吸收制動(dòng)功高達(dá)90MJ,目前已在TGV-A和TGV-PSE列車上試用。日本新干線運(yùn)行速度為270km/h的電動(dòng)車制動(dòng)系統(tǒng)也采用了炭纖維增強(qiáng)材料。4安裝設(shè)備的故障和檢測4.1失敗目前貨運(yùn)列車普遍采用的是閘瓦制動(dòng)方式,較大的制動(dòng)能力和較低的成本使其得以普遍采用,但也存在著諸多問題。4.1.1閘瓦抱死,影響行車安全當(dāng)施行緩解時(shí),閘瓦未能離開車輪踏面,這一故障稱為閘瓦抱死。閘瓦抱死時(shí)由于閘瓦與輪箍間的劇烈摩擦,導(dǎo)致大量發(fā)熱,致使輪箍溫度升高、膨脹,嚴(yán)重的還使輪箍外串,造成脫線事故,因而閘瓦抱死對(duì)行車安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅。4.1.2門瓦分離由于列車在高速運(yùn)行過程中頻繁制動(dòng),閘瓦所受的沖擊力非常大,容易使閘瓦松動(dòng),造成閘瓦脫離,嚴(yán)重影響行車安全。4.1.3模塊4:可實(shí)現(xiàn)因公優(yōu)化,導(dǎo)致材料浪費(fèi)閘瓦偏磨將減小閘瓦與車輪踏面的接觸面積,使得閘瓦的制動(dòng)能力下降。閘瓦任一側(cè)厚度磨到極限后整塊閘瓦即需報(bào)廢,導(dǎo)致材料的浪費(fèi)和運(yùn)營費(fèi)用的增加。閘瓦偏磨在其它國家也有報(bào)道。日本《車輛工學(xué)》對(duì)日本車輛運(yùn)用檢測現(xiàn)場的統(tǒng)計(jì)表明,所換閘瓦約85%是由于偏磨造成的。偏磨也增加了列車的運(yùn)行阻力,降低了鐵路的運(yùn)能。如果能解決偏磨現(xiàn)象,可使目前機(jī)車提高牽引噸位7.1%以上。4.2閘瓦自動(dòng)檢測技術(shù)的研究閘瓦的制動(dòng)工作狀況直接影響著列車的行駛速度和行車安全,因此對(duì)閘瓦的狀況進(jìn)行及時(shí)有效地監(jiān)控檢測顯得格外重要。目前國內(nèi)仍采用人工檢測方式,不僅勞動(dòng)強(qiáng)度大、耗費(fèi)時(shí)間多,而且檢測精度低,對(duì)列車的安全性構(gòu)成了一定的威脅,因此迫切需要研制高效的自動(dòng)檢測裝置。目前國外已開發(fā)出一些使用各種傳感器進(jìn)行閘瓦在線自動(dòng)檢測的設(shè)備,而其在國內(nèi)尚處于研究開發(fā)中。閘瓦自動(dòng)化檢測的應(yīng)用是未來鐵路行業(yè)發(fā)展的必然趨勢。鑒于目前這種狀況,國內(nèi)很多專家學(xué)者都對(duì)閘瓦自動(dòng)檢測技術(shù)進(jìn)行了深入的研究,研究成果主要有:(1)列車制動(dòng)性能檢測儀,可檢測閘瓦是否緩解。檢測時(shí)將壓力開關(guān)放在閘瓦和制動(dòng)盤中間來判斷列車制動(dòng)缸的狀態(tài)。(2)測力閘瓦,由測力閘瓦體和一個(gè)單觸點(diǎn)傳感器組成。在防止車輪擦傷、防滑和高速列車制動(dòng)性能的研究等方面提供了基礎(chǔ)性的檢測手段。上述閘瓦檢測裝置功能單一,難以提高檢測自動(dòng)化程度。目前很多專家學(xué)者已開始研制多功能、高效率的閘瓦在線自動(dòng)檢測裝置,主要采用高精度激光位移傳感、高速CCD視覺傳感和計(jì)算機(jī)圖像處理等光機(jī)電一體化技術(shù)來研制列車閘瓦自動(dòng)檢測裝置。自動(dòng)檢測裝置應(yīng)具備以下功能:檢測閘瓦是否脫離;檢測閘瓦的厚度;檢測閘瓦是否正常緩解;檢測閘瓦是否偏磨;檢測閘瓦是否出現(xiàn)裂紋。由于列車運(yùn)行現(xiàn)場和閘瓦狀態(tài)的復(fù)雜性,要研制出具備上述功能的裝置是十分困難的,需要采用多學(xué)科、多領(lǐng)域交叉技術(shù)來完成。5盤形制動(dòng)方式在高速列車制動(dòng)中應(yīng)用不充分的原因傳統(tǒng)的閘瓦制動(dòng)方式優(yōu)點(diǎn)十分明顯,占用空間小,不需要旋轉(zhuǎn)部分,成本低,因此仍將得到廣泛應(yīng)用