轨道交通 | 基础制动器总体设计因素疑难剖析
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导读：前不久，螺栓设计老张发布的原创视频教程《轨道交通车辆关键零部件设计导则》，引发了轨道交通行业同仁们的共鸣。今日笔者也来分享这些年在轨道交通积累的相关行业经验和技能，感谢仿真秀平台提供技术分享平台。希望对轨道交通行业的研发工程师有些许帮助，如有不当欢迎后台留言，我会回复的哦。
自1804年英国人发明了首台蒸汽机车之后，人们一直致力在让火车跑起来的同时也在做另外一件往往会被人们忽略的重要功能，就是如何让火车停下来，自从自动制动机的发明才解决了列车运行中的最大问题，如何让列车调速及停车的问题，从最初的机械结构设计直到现在的制动精确控制及制动型式的多元化方面一直被欧美国家及企业牢牢占据着制高点。伴随着中国铁路近二十年经历引进再吸收并自主探索再创新，目前已经全面覆盖了不同速度等级的车辆，伴随着铁路飞速发展的春风，个人有幸从事于列车车辆制造及零部件设计等相关工作，在此将工作经历和心得分享给从事于相关工作的同行。对于车辆的制动不论机车，高速动车或地铁车辆，每根车轴均配备有制动执行机构，是确保列车在任何情况下车辆能平稳可靠的制动的保障，一般含有动力的车辆配有机械制动同时还有电制动，电制动即可再生制动，是将制动的能量转换为电返回倒输电网，供后方车辆使用。对于制动种类多种多样，首先我们对于制动的种类进行简单介绍，总体制动大致可以分为两类：一类为黏着制动，另外一类为非黏着制动。对于黏着和非黏着的判断和区分主要看力的传递是否通过轮轨之间的接触，比如磁轨制动是通过磁轨摩擦体直接将力传递到轨面。下面我们简单的对常见的黏着和非黏着制动进行以下简单的分类：
对于如何正确的运用具体的制动型式，有很大的灵活性，不同的制动型式有其优缺点，当然这也跟车辆的设计理念有密切的关系，如在国内高速铁路一直未采用磁轨制动，而国外一般高速车一般都会有磁轨制动的配置。还有如CRH2A 采用气转液的设计，由于液力制动可以实现对制动力的精确控制但是同样也会带来高压油对密封和维护的要求。以下是踏面制动，轮装盘制动，涡流制动，磁轨制动相关的一些安装示例。
图1 几种常见的制动器
上面针对于主要运用的几种常用的制动器，下面就以踏面制动器为例简单分析一下制动的过程，气压推动活塞缸并带动楔形块运动，楔形块推动制动推杆输出推力，同时闸瓦托和悬挂吊杆连接来支撑和保持回转，使得推杆输出是在一个固定半径的圆弧的运动轨迹，从而将气压转换为制动器的推力，推力的释放大小取决于输入气压的大小和楔形块的角度或坡度。
图2 踏面制动器制动图示
制动器提供了推力，推力作用于闸瓦上，闸瓦于车轮表面贴合从而产生制动力F制动，此制动力的相对于车轮中心产生一个与车轮运动相反的扭矩即完成减速或者停车。
3、制动器设计的影响因素
制动过程中的两个摩擦系数是决定着整个制动距离或者减速度是否能保证，车轮和闸瓦之间的摩擦系数， 钢轨和车轮之间的摩擦系数（黏着系数），即制动力的施加不应设计超出轨道的黏着限制，如果超出会造成车辆打滑或者擦伤车轮等情况。
盘式制动器又分为三点式悬挂和单接口型式，如CRH5系列,CRH3系列CRH380B,C,D等系列均采用三点式如下图的这种制动器，盘式制动产生的制动力由于夹钳输出的夹紧力作用在制动盘上，以此制动器为例子做个简单介绍，制动器主要由制动缸，制动杠杆，悬挂臂，转轴螺栓，闸片托等组件组成，整个制动的受力即情况如图所示，
假定夹钳的中心在M点，制动力在X 点由于摩擦产生Fx，制动力的主要作用在O点承受，部分制动力及扭矩由G 点承受，在转向架日常简化计算时可认为O点承受所有的制动力，即Fx=Fo, G点承受了所有的重力及由重力产生的冲击和扭矩。但是对于夹钳设计考虑相对复杂，不同制动工况下的结构计算要分开单独考虑。对于制动器的唯一要求就是能持续稳定的输出推力，但是在推力到完成制动还需要很多的控制和设计，制动力的大小影响到制动能量或者制动效果，制动力的的输出跟很多因素相关，如制动摩擦系数（摩擦副之间），制动闸瓦或闸片之间的压力，制动方式（踏面/闸片），制动器的数量等均会影响制动的效果，在制动设计时，以上均为重要的制动控制因素，也是决定最终设计能否使得列车满足制动性能，是否能实现设计要求的制动减速度（制动距离）。最后，讨论最多和设计最为关注的摩擦副，摩擦副对于踏面制动单元主要是由车轮和闸瓦组成，对于盘式制动由制动盘和闸片组成，两者匹配的摩擦系数，是否会造成异常磨耗等等，都需要经过可靠的验证及装车试验才能确定。 国内目前高速动车部分选用的有粉末冶金材料的摩擦片，对于摩擦体有浮动或固定的，固定的耐温及热平衡性不及浮动性能闸片，浮动式摩擦体能更好的解决磨耗不均和制动盘不规则磨耗等情况下的受力和摩擦接触，对于粉末冶金材料的耐高温度最高可以达到800°左右，实际使用及计算建议低于此温度值。制动盘国内目前存在有灰铸铁，球墨铸铁，铝合金，钢盘这几种型式，不同生产厂家性能差异较大，对于最新设计碳纤维或者陶瓷制动盘均都属于研发阶段，与批量化生产还有距离， 投入市场还需时日。摩擦的过程即为热量释放的过程，通过简单的计算对列车前进过程中单根轴的能量在不同的轴重和稳速度做一个对比，来整体的感知列车制动过程中摩擦副所承受的能量。最后对于以上所述讨论只是一个在设计中总体的初步的考虑，实际设计中不同的车重及载客状态，线路条件等众多影响的因素，每一种制动型式，每一种制动型式中又包含不同的制动器或产品，彼此之间如何进行匹配，同样一种制动型式选择哪一种制动器，如杠杆比，气缸压力，传动效率，空间限制等等，是一个庞大而繁杂的系统性知识，限于篇幅限制我们在后续的章节中逐步展开逐一进行详述。（注：文中附图部分来自于网络，仅用于个人学习使用，无商业性行为。）声明：原创文章，首发仿真秀APP，部分图片源自网络，如有不当请联系我们，欢迎分享，禁止私自转载，转载请联系我们。 获赞 10089粉丝 21552文章 3539课程 219
