调车机车手制动装置的性能分析与计算

调车机车手制动装置的性能分析与计算

杜健

中车大连机车车辆有限公司 辽宁大连 116000

摘要：介绍了调车机车基础制动装置、手制动装置的结构组成、工作原理和技术优点。通过介绍机车制动距离的计算过程，以及手制动装置的结构计算，确定了设计的合理性。

关键词：转向架；制动距离；手制动装置。

前言：制动装置是用外力迫使运行中的机车车辆减速或停车的一种设备。它不仅是列车安全、正点运行的重要保证,而且也是提高列车重量和运行速度的前提条件。因此,制动装置的性能好坏,对铁路的运输能力和行车安全都有直接影响[1]。

手制动装置是实现机车无风源状态下在坡道上安全停放的机构，在机车上广泛应用。目前手制动比较常用两种方式: 一种为螺旋传动; 一种为制动单元上的弹簧制动方式。在调车机车上大部分都是用传动的杠杆制动方式，手制动也相应采用螺旋制动方式。

调车机车转向架采用杠杆式基础制动装置和手制动装置，计算制动距离和手制动装置结构的有效性是转向架设计中必不可少的一步。

1制动距离计算

1.1 基础制动装置介绍

基础制动装置是确保机车安全运行的重要装置[2],其作用是将压力空气作用到制动缸鞲鞴上传出的力,通过杠杆系统放大几倍后传给闸瓦,使闸瓦压紧车轮产生制动力,迫使机车停止运行。当机车缓解时，闸瓦又与车轮脱开并保持一定间隙，以免闸瓦贴靠车轮磨耗或产生抱闸，造成轮毂弛缓。

1.2 工作原理

基础制动装置采用了单侧、单闸瓦、带闸瓦间隙自动调节器的独立制动系统。其优点是结构简单、重量轻、方便运行和检修。基础制动装置主要由制动缸、横杆、竖杆、吊杆、闸瓦和闸瓦间隙自动调节器等组成 。

图1 基础制动装置示意图

AB—横杆；BD—叉杆；ＤＦ—竖杆；ＨＧ—闸瓦托垂直吊杆；ＦＧ—闸瓦间隙自动调节器

通过图1所示可以分析当机车制动时，空压机压缩出的高压气体由总风缸减压阀进入制动缸，推动缸体鞲鞴杆带动横杆AB以C点为旋转支点逆时针动作。B点又推动叉杆BD将力作用到竖杆DF上，进一步使竖杆DF以E点为旋转支点逆时针动作。将D点的力传给闸瓦间隙自动调节器FG。调节器通过内部棘轮旋转机构将F点的力水平传递给闸瓦挤压到车轮踏面上，使其机车形成制动。当机车缓解时，自动关闭释放制动缸的内部风压，同时在制动缸内复位弹簧的作用下，将所连接的杠杆系统拉回到静止状态，闸瓦脱离车轮踏面缓解完毕。其中闸瓦间隙自动调节器最终功用是调整闸瓦与轮箍踏面距离（闸瓦间隙），其具有二种作用，一是在闸瓦磨耗到限更换新的闸瓦后通过手动调节闸瓦间隙调整到规定的6-8㎜范围内；二是机车运用过程中正常磨耗的闸瓦，当与踏面之间间隙超过8㎜时，制动时闸瓦间隙自动调节器就会自动通过内部螺套旋转螺杆向前直线位移一个距离，同时棘爪在棘轮上下滑一个齿，缓解后棘轮在棘爪的拨动下上转一个齿，一次进给完成一次距离调整。随着不断的制动缓解，间隙不断地调整，最终使闸瓦间隙始终保持在6～8㎜范围内。

1.3 计算目的

根据总体设计要求，紧急制动率不得小于80％，紧急制动距离不得大于800m，通过本计算确定能否满足要求。

1.4 杠杆制动原理示意图

图2 杠杆制动原理示意图

1.5主要参数

机车重量                Q=92t

运用速度                V=80km/h

紧急制动距离            ≤800m

紧急制动时制动缸压力    450kPa

制动倍率                γ=7.4

制动缸直径              D=0.203m

制动缸鞲鞴面积       A=0.03236m2

每台机车制动单元数   n=8

每台机车闸瓦数   n1=8

制动单元传动效率    η=0.85  （TB/T1407《列车牵引计算规程》）

2 制动距离计算

2.1  制动率

机车紧急制动时制动缸压力 

每台机车紧急制动时的闸瓦总压力

紧急制动制动率

2.2铸铁闸瓦的摩擦系数

根据DLJ6-02-000JS（II)铸铁闸瓦的摩擦系数ΦK为

  其中：K—每块闸瓦的压力，t;V—阶段平均速度，km/h。

  按上述公式计算得到不同速度间隔的制动时的摩擦系数ΦK见表1

表1 摩擦系数ΦK

2.3机车惰行基本阻力 

机车惰行基本阻力 

   不同V时的Wd见表2

表2 惰行基本阻力Wd

2.4制动距离

2.4.1 制动空走距离

式中： V0 —制动时初始速度，km/h；tK—单机紧急制动空走时间，2.5s。

当V0=80km/h时

2.4.2 制动有效距离

            式中：V1 、V2—间隔的初速度和终速度，km/h；ij—坡道阻力，ij=0。

通过表1，表2，按上式计算得到不同速度间隔的Se，见表3。

表3 有效距离

故机车80 km/h时的紧急制动距离为：

2.4.3 制动距离计算结果分析

通过以上计算表明机车在平道上行驶，紧急制动率为81.1％，80km/h时的紧急制动距离为470m，均满足总体要求。

3 手制动装置计算

3.1 背景介绍

手制动装置是铁道机车制动系统一个十分重要的组成部分。由于机车的制动系统采用的是空气制动，其不可避免地存在泄漏，所以在机车风源系统不工作的条件下，机车不能够保持空气制度地有效施加，例如机车停机、风源系统故障、长期放置等情况。因此，当机车无制动力停库或在不平顺的线路上长时间驻车时，机车会在风力以及坡道重力等外力作用下发生溜车，产生安全隐患或引发安全事故。所以，必须设置有驻车停车装置，来使机车不发生溜逸事故，手制动装置就是在这种原因下设计使用的。

3.2 结构介绍   

一般情况下，手制动装置主要是由摇把（手柄）、主动齿轮、从动齿轮、箱体外壳、连接板、钢丝绳、滑轮系统、横杆、横杆支架、拨叉、紧固件等组成。该装置的工作原理是综合利用多种机械结构的工作运动关系，将施加到摇把上的旋转运动转化施加到基础制动装置上的制动力。

调车机车的手制动装置如下图所示，主要由摇把1、锥齿轮2、3、螺杆4、螺母5、连杆6、钢丝绳7、滑轮8、拨叉9、圆销10、竖杆11、闸瓦12、横杆14等零件组成。借以达到在以一定的人力F1转动摇把时，

通过杠杆的扩大作用，在闸瓦12 上得到相应的制动力F。

图3 手制动装置示意

在手制动装置动作过程中，最为重要的两个步骤就是由齿轮驱动的螺杆运动和由此又进一步产生的钢丝绳运动。当螺杆转动推动螺母向上时，钢丝绳产生提拉动作，机车就施加制动，反之则是缓解。

3.3 计算目的

作为机车停放制动的唯一施加装置，手制动装 置对机车的安全运用和维护起到了至关重要的作用，因此，必须确保手制动装置动作正常、可靠，为确保机车能在规定的坡道上安全停车，手制动的制动率符合国家标准，对手制动装置整体机构的设计合理性进行计算分析。

3.4 主要技术参数

机车及手制动装置的主要技术参数如下：

Q—机车总重，92t；

η1—滑动轴承效率，0.94；

    η2—锥齿轮效率，0.96；

    η3—螺杆及滑动系统效率，0.45；

    η4—杠杆系统效率，0.95；

d1—摇把1直径，360mm；

d2—锥齿轮2直径，100mm；

d3—锥齿轮3直径，150mm；

d4—螺杆4中径，40mm；

s—螺杆螺距，8mm；

n1—拨叉 9 倍率，2.93；

n2—竖杆 11 倍率，2.2；

n3—横杆倍率，3.37。

3.5手制动装置计算

3.5.1 手制动装置传动效率η

3.5.2 手制动倍率n

3.5.3 闸瓦压力

3.5.3.1 转动手把使力F1为385N

3.5.3.2 齿轮2、3啮合处的圆周力F2、F3

3.5.3.3 螺杆4圆周力F4

3.5.3.4 螺母5上的轴向力F5

    式中：α—螺纹升角

3.5.3.5 拨叉9一端圆销10上的作用力F10

3.5.3.6 缓解弹簧13作用在圆销10上的力Fh

\             

  式中：Fh0 —缓解弹簧作用力，1117N

3.5.3.7 闸瓦12压力F

3.5.3.8 手制动装置的制动率

3.5.4 手制动装置计算结果分析

由以上计算可知，本车手制动装置的制动率满足GB3314－82《内燃机车通用技术条件》规定的不小于20％的要求。

结语：基础制动装置是转向架上的重要组成部分，其良好的运用直接关系到机车的安全运行。本文对手制动装置传动效率、手制动率的计算方法可应用于与该机车手制动装置结构相似车辆的手制动装置传动效率及手制动率的理论计算。调车机车采用传统的杠杆式基础制动配合手制动方案，可以满足机车的各种使用工况，为平稳驾驶、安全驻车提供了有力保障。

参考文献：

[1]孟素英，张涛. 铁路通用货车手制动装置传动效率和制动率的试验与计算[J]. 铁道车辆, 2016(10).

[2]刘德学.大功率交流传动电力机车轮盘制动装置设计[J]. 电力机车与城轨机车, 2020(04).