由制動裝置引起的、與列車運行方向相反的、司機可根據需要控制其大小的外力,稱為制動力,用字母B表示。
列車制動力與機車牽引力一樣,同樣是鋼軌作用于車輪的外力,所不同的是機車牽引力僅發生在機車的動輪與鋼軌間,而列車制動力則發生在全列車具有制動裝置的機車、車輛的輪軌之間。
在操縱方式上,列車制動作用按用途可分為兩種:常用制動和緊急制動。常用制動是正常情況下調控列車速度或停車所施行的制動,其作用較緩和,而且制動力可以調節,通常只用列車制動能力的20%至80%,多數情況下,只用50%左右。緊急制動是緊急情況下為使列車盡快停住而施行的制動,它不僅用上了全部的制動能力,而且作用比較迅猛。
(二)、制動力產生的方法
產生列車制動力的方法很多,主要可分為三類:
1.摩擦制動
傳統的摩擦制動指的是將空氣壓力通過機械傳動裝置傳到閘瓦或閘片上,利用閘瓦與車輪踏面或閘片與制動盤的摩擦而產生制動力,分為閘瓦制動和盤形兩種。電磁軌道制動是另外一種摩擦制動。
(1)閘瓦制動:以壓縮空氣為動力,通過空氣制動機將閘瓦壓緊車輪踏面由摩擦產生制動力。是常速機車車輛采用的主要制動方式。
(2)盤形制動:以壓縮空氣為動力,通過空氣制動機將閘片壓緊裝在車軸或車輪上的制動盤產生摩擦形成制動力,從而減輕車輪踏面的熱負荷,延長車輪使用壽命,保證行車的安全。準高速和高速列車普遍采用這種制動方式,我國新造客車也采用盤形制動。
(3)電磁軌道制動
也叫磁軌制動,是利用裝在轉向架的制動電磁鐵,通電勵磁后,吸壓在鋼軌上,制動
電磁鐵在軌面上滑行,通過磨耗板與軌面的滑動摩擦產生制動力。磁軌制動力不受輪軌粘著力的限制,是一種非粘著制動方式。在緊急制動時同時附加此制動可以顯著縮短制動距離。據國外實驗資料報導,在列車速度為200~210km/h施行緊急制動,同時附加電磁軌道制動比不加此制動時的制動距離要縮短25%。
2.動力制動
依靠機車的動力機械通過傳動裝置產生的制動力。包括電阻制動、再生制動、電磁渦流制動、液力制動等。
(1)電阻制動
利用電機的可逆性,把牽引電動機變為發電機,將列車的動能轉換成電能由制動電阻變成熱能,散逸到大氣中去。電磁轉矩成為阻礙牽引電機轉子運行的動力,從而起到制動作用。我國電力機車和電動車組普遍采用,內燃機車和內燃動車組多數采用。
(2)再生制動
與電阻制動相似,同樣利用電機的可逆性,只不過將牽引電動機作發電機產生的電能通過逆變裝置回送給電網。目前,在國外高速動車組、交流傳動電力機車已廣泛應用,我國部分國產電力機車上已經應用。
(3)電磁渦流制動
電磁渦流制動是利用電磁鐵和電磁感應體相對運動,在感應體中產生渦流,將列車的動能轉換成電磁渦流并產生熱能,達到制動的目的。
根據電磁鐵和感應體的型式,電磁渦流制動分為電磁渦流軌道制動(線性電磁渦流制動)和電磁渦流轉子制動(盤式電磁渦流制動)。電磁渦流軌道制動是將轉向架上的電磁鐵落至距軌面6-7mm處,由電磁鐵與鋼軌間的相對運動在鋼軌內產生感應渦流,這些渦流在磁場中運動,受到一個與運動方向相
反的力的作用,形成制動力。電磁渦流轉子制動是在輪
軸上安裝與盤形制動制動盤類似的金屬圓盤,制動時金屬盤在電磁鐵產生的磁場中旋轉,制動盤內產生渦流作用,從而產生電磁力作為制動力,起到制動作用。
閘瓦制動、盤形制動、電阻制動、再生制動、電磁渦流轉子制動,都是利用輪軌之間
的粘著而轉變成制動力,均屬于粘著制動,其制動力要受產生制動力的那些車軸的輪軌間粘著力的限制。同一根軸上各種粘著制動力之和不能超過該軸輪軌間的粘著力。
電磁軌道制動和電磁渦流軌道制動不通過輪軌間的粘著起作用,屬于非粘著制
動,不受輪軌間粘著極限值的限制。其中電磁渦流制動優于電磁軌道制動,因為它沒有任何摩擦副。電磁制動目前在國外作為高速列車的輔助制動裝置。
(三)、閘瓦制動力的形成
在司機的操縱下,制動缸的空氣壓力通過基礎制動裝置的傳遞和擴大,使閘瓦以K (kN )的壓力作用于滾動的車輪踏面,引起與車輪回轉方向相反的摩擦力k k K ??(?為輪瓦間摩擦系數)。對列車來說,此摩擦力是內力,它不能使列車運動狀態發生變化,但它對車輪中心形成一個力矩,從而在輪軌接觸
點產生一個車輪對鋼軌的縱向水平作用力k K ??,根據作用與反作用原理,必然引起一個鋼軌對列車作用并阻礙列車運行的外力,即制動力(圖3—1)。
圖3—1 閘瓦制動力的形成示意圖
每塊閘瓦產生的制動力亦可寫成
k K B ??= (3—1)
上式說明,在不超過輪軌間粘著力的范圍內,制動力的大小是由k ?和K 這兩個數值來
決定的。
由此可見,列車制動力與機車牽引力一樣,也是發生在車輪踏面與鋼軌間的外力,所
不同的是,機車牽引力僅發生在機車動輪踏面與鋼軌間,顯然,列車制動力就有可能比機車牽引力大得多。這主要是因為兩種力都受輪軌間粘著力的限制,列車總重比機車動輪荷重大得多。
(四)、閘瓦制動力的限制
從制動力的形成過程可知,制動力是由輪瓦間摩擦力引起的鋼軌對車輪的縱向水平反
作用力,因此它的大小要受到輪軌間粘著力的限制。如每軸作用在鋼軌上的垂直載荷為q 0、輪軌間的粘著系數為z μ,每軸上的閘瓦壓力為
∑K ,故必須使:
z k q K B μ??≤?=
∑0max (3-2) k z o q K ?μ
≤∑ (3-3)
當閘瓦壓力較小(如常用制動小減壓量),∑?k K ?的值小于輪軌間的粘著力時,
∑?k K ?就是當時的制動力。隨著閘瓦壓力的增大,制動力也增大。當制動力增大到輪軌間粘著力,車輪就會被抱死不轉而在鋼軌上滑行。若輪軌間的滑動摩擦系數為h ?,則滑行時的制動力就完全變成輪軌間的滑動摩擦力,即h q B ??=0。滑行時,雖然閘瓦壓力很大,
但制動力很小,反而延長了滑行距離,并造成車輪踏面擦傷。
從公式(3-3)可知,當比值
0q K ∑值大或k z ?μ值小時,易發生滑行,下面分析幾種情況:
1.當速度v 低時,粘著系數z μ略大,而k ?隨v 下降而急劇增加,故比值
k z ?μ下降易發生滑行,尤其是在快停車時,更易滑行。
2.當軌面狀況不好時,粘著系數受其影響而下降,比值k
z ?μ低,易發生滑行。
3.緊急制動時,由于閘瓦壓力K 值大,而使0
q K ∑增大,易滑行。 二、 閘瓦摩擦系數
(一)、閘瓦摩擦系數及影響因素
機車車輛閘瓦與車輪踏面間的摩擦系數簡稱為閘瓦摩擦系數,以k ?表示。閘瓦摩擦系
數是直接影響列車制動力的重要因素,在閘瓦壓力一定時,制動力的大小和變化,就決定于摩擦系數
的大小和變化。所以要求閘瓦摩擦系數的數值要高且比較穩定。影響閘瓦摩擦系數的因素很多,主要有以下幾方面。
1.閘瓦材質和制造工藝
閘瓦材質對摩擦系數影響很大,現在機車車輛上大多使用的是鑄鐵閘瓦。鑄鐵閘瓦中
配有碳、硅、錳、硫、磷五種添加成分。其中磷是對摩擦性能起主要作用的元素,適當提高含磷量,摩擦系數與耐磨性均可相應增加。1999年6月以后,我國主要使用含磷量為2.5~5%的高磷閘瓦,取代含磷量為0.7~1.0%的中磷閘瓦。
此外,閘瓦的鑄造工藝也影響著摩擦系數,用鐵模澆鑄的鑄鐵閘瓦,其摩擦系數就小
于用砂模澆鑄的閘瓦。
隨著對鑄鐵閘瓦的研究不斷深入,據國內外一些文獻報道,鑄鐵閘瓦的澆鑄溫度、澆
鑄方法及閘瓦中所含的雜質,都會大大降低閘瓦的耐熱性與導熱性,使閘瓦易于熔化,對摩擦系數也必然會有影響,從而導致同一材質的閘瓦就有可能有不同的摩擦系數。
2.閘瓦壓力
閘瓦對車輪單位面積上的壓力越大,摩擦系數越小,反之摩擦系數越大。這是因為,
閘瓦壓力大時,摩擦產生的熱量多,閘瓦溫度升高,在接觸面上可能有一薄層因高溫而變軟,起著近似潤滑劑的作用,所以降低了摩擦系數。