甘肃省自学考试列车制动

列车制动（train braking）人为地制止列车的运动,包括使它减速、不加速或停止运行，对已制动的列车或机车解除或减弱其制动作用，则称为“缓解”。为施行制动和缓解而安装在列车上的一整套设备，总称为列车“制动装置”。“制动”和“制动装置”均可俗称为“闸”。施行制动常简称为“上闸”或“下闸”，施行缓解则简称为“松闸”。“列车制动装置”包括机车（或动车）制动装置和车辆（或拖车）制动装置。即，在铁路列车中，不管是具有牵引动力装置的机车（或动车），还是被牵引的客货车辆（或拖车），都各自具有自己的制动装置。不同的是，机车（或动车中的车头）除了具有像车辆（或拖车）一样使它制动和缓解设备外，还具有操纵全列车（包括机车或头车自身及其他各车）制动作用的设备。 基本概念 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”。这是人为的阻力。由于行车安全的需要，制动力比在列车运行中由自然原因产生的阻力一般要大得多。 列车制动在操纵上按用途可分为“常用制动”和“紧急制动”两种。在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，称为“常用制动”。它的特点是作用比较缓和而且制动力可以调节，通常只用列车制动能力的20%~80%，多数情况下只用50%左右，在紧急情况下为使列车尽快停住所施行的制动，称为“紧急制动”（在中国也称为“非常制动”）。它的特点是作用比较迅猛而且要把列车制动能力全部用上。 从施行制动的瞬间起，至列车速度降为零的瞬间止，列车驶过的距离，称为制动距离。这是综合反映列车制动装置性能和效果主要技术指标。有的国家不用制动距离而用制动（平均）减速度作为其主要技术指标。两者实质上是一样的。它们之间的关系可用下式表示： 或式中，υ为施行制动时的列车初速度，简称制动初速（单位：km/h）；S为制动距离（单位：m）；a为列车在制动距离内的平均减速度（单位：m /s2）。 为了确保行车安全，世界各国都要根据列车速度、牵引重量、信号和制动技术等制定出制动距离标准（或减速标准）—紧急制动距离最大允许值，又称计算制动距离，一般在700～1 200m之间（高速列车为3 000m 或更长）。 根据中国现行的《铁路技术管理规程》，“列车在任何铁路坡道上的紧急制动距离，规定为800 m。”这就是说，对现有铁路，常速列车在任何坡道遇到紧急情况，都要保证在施行紧急制动后800 m内能停车。 列车制动方式 从能量的观点看，“制动”的实质就是将列车动能转变为别的能量或转移走。从作用力的观点看，“制动”就是让制动装置产生与列车运行方向相反的外力，使列车速度控制在允许范围内。 为达到上述目的，铁路机车车辆上采用了不同的制动方式，主要有闸瓦制动、盘形制动、磁轨制动、轨道涡流制动、旋转涡流制功、电阻制动、再生制动、液力制动、逆汽制动等。 闸瓦制动（踏面制动）它是自有铁路以来使用最广泛的制动方式，用铸铁或其他摩擦材料制成的瓦状制动块（闸瓦）紧压滚动着的车轮踏面，通过闸瓦与车轮踏面的机械摩擦，将列车动能转化为热消散于大气并产生制动力。参看图1。图1 闸瓦制动 在车轮转动中，闸瓦作用于车轮的法向压力K引起闸瓦作用于车轮的切向滑动摩擦力K•φK（φK为闸瓦与车轮间的滑动摩擦系数）。由于车轮紧压在钢轨上，故闸瓦摩擦力对轮心的逆时针方向的力矩K•φK•R在轮轨接触点又引起钢轨反作用于车轮的切向静摩擦力B（R为车轮滚动圆的半径）。此力即由制动装置引起的与列车运行方向相反的外力—制动力。在轮轨间保持静摩擦和忽略车轮回转惯性的条件下，制动力在数值上可认为就等于闸瓦摩擦力，即： B＝∑K•φK 显然，只要轮轨间静摩擦不被破坏，制动力将随闸瓦压力的增大而增大。 按物理学的分析，轮轨间的切向作用力（静摩擦力）等于轮轨间法向力N与静摩擦系数μ的乘积。在铁路牵引和制动理论中“粘”着代替“静”摩擦。把粘着状态下轮轨间切向摩擦力最大值称为“粘着系数”。 当轮轨间切向作用力超过粘着力，轮轨间的粘着状态就要被破坏，轮轨接触点将发生相对滑动，切向作用力将变成滑动摩擦力。由于滑动摩擦系数比粘着系数小得多，故切向作用力将突然迅速减小。在强大的闸瓦摩擦力矩作用下，轮对转速将显著减慢，直至停止转动，但列车速度并未同时显著降低，已停转的车轮被拖着在钢轨上滑行，车轮踏面将被局部擦伤。所以在正常情况下，制动力不应大于粘着力，即制动力应受轮轨粘着的限制。K•φK≤N•μ机车、车辆或列车具有的闸瓦压力总和与其所受重力之比，称为“制动率”。它表示该车或该列车单位重力所具有的制动能力。制动率太大要发生滑行擦伤，太小则制动力不足，制动距离要增长。 盘形制章（摩擦式圆盘制动）它是在车轴上或在车轮辐板侧面安装制动盘（一般为铸铁圆盘），用制动夹钳使以合成材料制成的两个闸片紧压制动盘侧面，通过摩擦产生制动力，把列车动能转化为热能，消散于大气。参看图2。图2 盘形制动 1—制动缸；2—拉环；3—水平杠杆；4—缓解；5—制动块；6—制动盘；7—中间拉杆；8—水平杠杆拉杆；9—转臂。 与闸瓦制动相比，盘形制动有下列主要优点：①可以大大减轻车轮踏面的热负荷和机械磨耗。②可按制动要求对相互摩擦的双方进行选择（采用闸瓦制动时，作为“摩擦副”一方的车轮构造和材质不能根据制动要求来选择），盘形制动的制动盘可以设计成带热筋的，旋转时它具有半强迫通风的作用，以改善散热性能，为采用摩擦性能较好的合成材料闸片创造了有利条件，适用于高速列车。③制动平稳，几乎没有噪声。不足之处为：车轮踏面没有闸瓦的磨刮，将使轮轨粘着恶化；制动盘使簧下重量及冲击振动增大，运行中消耗牵引功率。 盘形制动的制动力式中，K为闸片压力；φ为闸片摩擦系数；r为闸片作用半径；R为车轮（滚动圆）半径。 磁轨制动（又称摩擦式轨道电磁制动）在转向架侧架下面同侧的两个车轮之间，各安置一个制动用的电磁铁（又称电磁靴），制动时将它放下并利用电磁吸力紧压钢轨，通过电磁铁上磨耗板与钢轨间的滑动摩擦产生制动力，把列车动能转化为热能，消散于大气。参见图3。图3 磁轨制动 磁轨制动的制动力： B＝∑（K•φ） 式中，K为每个电磁铁的电磁吸力；φ为电磁铁与钢轨间的滑动摩擦系数。 磁轨制动的优点是，制动力不受该粘着的限制。不足之处是：①钢轨摩擦太大，②滑动摩擦力小。所以磁轨制动只能作为紧急制动时的一种辅助的制动方式。 轨道涡流制动 ( 又称线性涡流制动或涡流式轨道磁制动）也是把电磁铁悬挂在转向架侧架下面同侧的两个车轮之间。不同的是，制动时电磁铁不放在钢轨上。利用电磁铁与钢轨相对运动使钢轨感应出涡流，产生电磁吸力作为制动力，把列车动能转化为热能，消散于大气。 轨道涡流制动既不受粘着限制, 也没有磨耗问题。但消耗电能太多，约为磁轨制动的10倍，电磁铁发热也很厉害，所以，它也只能作为高速列车紧急制动时的一种辅助制动方式。 旋转涡流制动（又称涡流式圆盘制动）在牵引电动机轴上装金属盘，制动时金属盘在电磁铁形成的磁场中旋转，盘的表面被感应出涡流，产生电磁吸力并发热消散于大气，从而起制动作用。圆盘虽然没有装在轮对上，但同样要通过轮轨粘着才能产生动力，也要受粘着限制。而且，消耗的电能也很多。 电阻制动 广泛用于电力机车、电动车组和电传动内燃机车。在制时将原来驱动轮对的自激牵引电动机改变为他激的发电机发电，并将电流通往专门设置的电阻器，采用强迫通风，使电阻器发生的热量消于大气，从而产生制动作用。 再生制动 也是将牵引电动机变为发电机，不同的是，它将电能反馈回电网使用，在经济上是合算的，但技术上比较复杂，而且它只能用于电网供电的电力机车和电动车组。 液力制动 应用于液力传动内燃机车上，在液力传动装置内装液力制动器（液力耦合器），制动时向它充入液体，车轮带动它旋转时液体与液体之间、液体与耦合器之间摩擦生热。再经由散热器消散于大气，从而产生制动作用。 逆汽制动（反汽制动）它是蒸汽机车特有的，俗称“打倒汽”。它是在机车前进中突然把遮断手把（断汽手把）从“前进位”拉到“逆行位”，将蒸汽发动机变为蒸汽压缩机，从而产生制动作用。逆汽制动容易顶弯机车摇杆，还会把烟箱燃气、煤渣、灰渣等吸入汽缸，损坏汽缸壁。所以一般情况下禁止使用。只是在主要制动方式失灵而且十分危险时才可以使用逆汽制动，事后还必须及时报告，申明使用理由并对机车进行认真的检查和维修。 旋转涡流制动、电阻制动、内燃机车制动和蒸汽机车逆汽制动，都是使动轮带动其动力传动装置，产生逆作用，消耗或回收列车动能。习惯上常统称为“动力制动”。由于此类制动只是在具有牵引动力装置的机车或动车能用，对动力集中的整个列车来说，其制动力太小了，所以动力制动只能作为一种辅助制动方式，以弥补闸瓦制动或盘形制动的不足。 上述各种方式中，除磁轨制动和轨道涡流制动之外，都要通过轮轨粘着产主制动力并受粘着限制，故习惯上统称为“粘着制动”而把不通过粘着关系的统称为“非粘着制动”。 列车制动机 制动装置一—般由两部分组成：①制动机—产生制动原动力并进行操纵控制的部分；②基础制动装置——传递制动原动力并产生制动力的部分。按制动原动力和操纵控制方式的不同，铁路机车车辆制动机可分为：手制动机、空气制动机、电空制动机、电磁制动机和真空制动机。 手制动机 以人力制动原动力，以手轮的转动方向和手力大小来操纵控制。构造简单, 费用低廉，是铁路历史上使用最久远、生命力最顽强的制动机。铁路发展初期，机车车辆上只有这种制动机，每车或几个车配备一名制动员，按司机笛声号令协同操纵，由于制动力弱，动作缓慢，不便于司机直接操纵，所以很快就被非人力制动机取而代之，手制动机成辅助的备用制动机。 空气制动机 是压力空气作为制动原动力，以改变压力空气的压强来操纵控制。制动力大，操纵控制就灵敏便利。中国铁路习惯把压力空气简称为“风”，把空气制动简称为“风闸”。空气制动机又分直通式和自动式两大类： 直通式空气制动机已不再采用。 自动空气制动机（参看图4）。与直通式相比，自动空气制动机在每辆车上多一个三通阀，一个副风缸。“三通”者，一通列车管，二通副风缸，三通制动缸。图4 自动式空气制动机1—空气压缩机；2—总风缸；3—总风缸管；4—制动阀；5—列车管；6—三通阀；7—制动缸；8—副风缸；9—紧急制动阀。 当制动阀手柄置于缓解位Ⅲ时，总风缸的风经制动阀进到列车管（充风增压），并进入三通阀，将其中的（主）活塞推至右极端（缓解位）并经三通阀活塞套上部的“充气沟”进入副风缸。此时，制动缸经三通阀（缓解槽和排气孔）通大气。如制动缸原来在制动状态则可得到缓解。 当制动阀手柄置于制动位Ⅰ时，列车管经制动阀通大气（排风减压），副风缸的风压将三通阀（主）活塞推向左极端（制动位），从而打开了三通阀上通往制缸的孔路，使副风缸的风可通往制动缸，产生制动作用。 当制动阀手柄置于保压位Ⅱ时，列车管既不通总风缸也不通大气，列车管空气强保持不变。此时，副风缸仍继续向制动缸供风，副风缸空气压强仍在下降。当副风缸的空气压强降至列车管空气压强略低时，列车管风压会将三通阀（主）活塞向右反推至中间位置（中立位或保压位），刚好使三通阀通制动缸的孔被关闭（遮断），副风缸停止向制动缸供风，副风缸空气压强不再下降，处于保压状态，制动缸空气压强不再上升，也处于保压状态。如在制动缸升压过程中将手柄反复置于制动位和保压位，则制动缸空气压强变可分阶段上升，即实现阶段制动。 但是，如果在制动缸降压过程中将制动阀手柄由缓解位移至保压位，则列车管和副风缸虽能停止充风增压，三通阀（主）活塞都仍停留在右极端（缓解位），制动缸的风仍继续排向大气，直至完全缓解。制动阀手柄反复在缓解位和保压位之间移动，只能使列车管和副风缸的风压呈阶段式上升，都不能使制动缸实现阶段缓解，即只能实现“一次彻底缓解”，又称“轻易缓解”。 由此可见，自动式空气制动机的特点是列车管排气（减压）时制动缸充气（增压），发生缓解。优点是，当列车发生分离事故，制动软管被拉断时，列车管风将急剧下降，三通阀（主）活塞将自动而迅速地左移到制动位，由于各车都有副风缸分别向制动缸供风，制动缸动作较快，故列而且列车前后部开始制动作用的时间表差小，即制动和缓解的一致性较好，适用于编组较长的列车。因此在世界各国（包括中国）铁路上得到最广级最持久的应用。 电空制动机 它是电控空气制动的简称，是在空气制动机的基础上加装电磁阀等电气控制部件而形成的（参看图5）。它的特点是制动作用的操纵控制用“电控”，但制动作用原动力还是压力空气。而且，在制动机的电控因故失灵时，它仍可实行“气控”（空气压强控制），临时变成空气制动机。 图5 电空制动机 1—列车管；2—三通阀；3—副风缸；4—制动缸；5—加速缓解风缸；6—制动电磁阀；7—保压电磁阀；8—缓解电磁阀；9—止回阀。 施行电空制动时贯通全列车的制动导线使各车的制动电磁阀6的排气口同时打开，将列车管1的压力空气排往大气，产生制动作用。施行缓解时贯通全列车的缓解导线使各车的缓解电磁阀8 的通路同时打开，各车的加速缓解风缸5 同时向列车管1充风（加速缓解风缸的风是在初充气或上次缓解时列车管1经过三通阀2向副风缸3充风的同时经过止回阀9充至定压的，由于止回阀的作用，制动时加速缓解风缸的风没有使用）。在列车施行阶段缓解时，缓解电磁阀8的通路被关闭，列车管空气压保捧不变时，保压电磁阀7 将三通阀排气通路切断，所以三通阀（主）活塞虽然仍停留在充气缓解位，制动缸经三通阀与排气口相通。但此时不通大气，制动缸空气压强能保持不变，即可以实现阶段缓解。在列车速度很高或编组长，空气制动机难以满足要求时，采用电空制动机可以大大改善列车前后部制动和缓解作用的一致性，显著减轻列车纵向冲击，并缩短制动距离。世界上许多高速列车（200km/h）以上都采用了电空制动机，中国广深线准高速（160km/h）旅客列车和某些干线的提速客车也采用了电空制动机。电（磁）制动机 它的操纵控制和原动力都用电，例如轨道涡流制动和旋转涡流制动这两种制动方式，其制动机就都属于电（磁）制动（机）的范畴。 真空制动机 它的特点是以大气（与真空的压差）为原动力，以改变“真空度”来操纵控制。参看图6。机车上装有直空泵（抽气机）1、（真空）制动阀2。真空制动主管3 贯通全列车（又称“真空列车管”）。每车都装有1～2 个真空制动缸4。缸的左侧有支管与主管相连通。 缸内有制动缸活塞5。活塞左侧装有球形止回阀6。 图6 真空制动机1—真空泵；2—真空制动阀；3—真空制动主管；4—真空制动缸；5—活塞；6—球形止回阀。 当制动阀手柄置于缓解位时，真空泵与列车管连通。列车管和制动缸内的空气都被抽走，列车管和制动缸内上下两方都保持高度真空（约510mmHg，相当于绝对压强33 kPa），活寒因自重落下（图中右半部的状态），活塞杆向外（图中为向下）伸出，此为机车车辆缓解状态。 当制动阀手柄置于制动位，列车管与大气相通，大气进入列车管和制动缸内下方。由于抽气完成时球形止回阀6已落下处于关闭状态，大气压力只能将它压住而不能使阀口开放，帮、故大气不能进入活塞上方。活塞上下的压差推动活塞上移，活塞杆缩向缸内而发生制动作用（图中左半部的状态）。 真空制动机在许多发展中国家铁路上至今仍是主要制动机，例如亚洲的巴基斯坦、孟加拉国、斯里兰卡、泰国，非洲的赞比亚等。中国援建的坦赞铁路所用货车上也装有两个真空制动缸的真空制动机。中国提供给坦赞铁路的DFH1和DFH2型液力传动采用了由中国设计制造的JZ— 6型真空空气两用的制动机。 真空制动机在非人力制动机中构造较简单，价格较便宜，维修也较方便。它既能阶段制动，也能阶段缓解，而且可保证牵引重量为1 000t 的货物列车制初速为80 km/h的紧急制动距离不超过80km/h的紧急制动距离不超过800m。但是，由于大气压强本身有限，“绝对真空”又很难运到，而且，需要较大的制动缸和较粗的列车管，所以，有些采用真空制动的铁路，随着牵引重量和运行速度的提高，已经正在向空气制动过渡。