维修工艺基础制动装置维修报告 13组[1]

《城市轨道交通车辆维修工艺与设备》
课程报告
报告题目基础制动装置维修瓶颈问题研究
课题组别第13组
组长姓名邓书华
组员姓名周琦、郑智文、郁贞峰
班级/专业 1011111 城市轨道交通车辆工程
指导教师方宇、廖爱华
完成时间 2014年6月1日
目录0概述
1闸瓦制动
1.1闸瓦制动的组成
1.2维修现状存在的问题
1.3分析原因及优化方法
2盘形制动
2.1盘形制动的介绍
2.2维修现状存在的问题
2.3分析原因及优化方法
3基础制动装置维修作业指导书
报告题目：基础制定装置维修问题分析
1 概述
随着我国城市化进程的发展，城市吸引力不断扩大，人口集聚力不断增强，大、中城市人口数量屡创新高。

为了更好的缓解城市交通拥堵的问题，许多城市选择了建设轨道交通来改善交通状况。

地铁车辆的运行速度也由最初的60km/h，逐渐提高到80 km/h、100 km/h，甚至更高。

车辆在高速运行中必须依赖制动系统调节列车运行速度和及时准确地在预定地在预定地点停车，保证列车安全正点地运行。

制动系统是地铁车辆安全可靠运行的基本保障，通常包括空气制动机、基础制动装置、手制动机。

基础制动装置是确保地铁车辆行车安全的最重要的措施之一，它最基本的功能是吸收制动动能并将之转化为热能散发到空气中。

基础制动装置分为两类：一类是由踏面和闸瓦组成摩擦副的踏面制动；一类是由制动盘和闸片组成摩擦副的盘形制动。

地铁车辆制动的特点：（1）制动频繁：地铁车站之间距离较近，平均在 1 公里左右，这必然带来车辆须频繁启动、制动，以满足乘客上、下车的需要。

而铁路运输两个车站之间的距离通长在几十公里以上。

（2）制动减速度大：地铁站间距短，要提高乘客旅行速度只有增加启动加速度和制动减速度。

因此地铁车辆紧急制动平均减速度一般要求大于等于 1.2m/s2, 而铁路机车车辆和动车组的紧急制动平均减速度一般为0.7 － 1.2 m/s2。

（3）制动精度高：地铁车站站台上均安装有屏蔽门系统，因此车辆定点停车的精度要求比铁路机车车辆和动车组高，一般在±300mm左右。

这些特点要求地铁车辆制动系统须有稳定的摩擦副和良好的控制精度能力以及承受频繁制动热负荷的性能。

因此研究基础制动装置制动形式选择与搭配将对城市轨道交通列车运行的性能改善和安全保障具有重要意义。

闸瓦制动的研究
随着列车的提速及铁路货运重载化,对制动装置及制动材料也提出了更高的要求。

列车的基础制动方式有摩擦制动、电阻制动、线性涡流制动、轨道电磁制动和再生制动等,摩擦制动又可分为闸瓦制动与盘形制动,其中闸瓦制动的应用最为广泛，由于闸瓦制动要求闸瓦为摩擦力高、耐磨性能优良的制动摩擦材料，并且闸瓦是消耗量极大的磨损元件,其摩擦耗损不仅提高了运输成本,还会因闸瓦频繁更换, 列车停运维修次数增加,大大降低了铁路营运能力。

为提高闸瓦使用寿命, 有必
要对制动闸瓦的磨损与制动材料的选用进行分析研究。

一、闸瓦制动的组成
闸瓦是指制动时，压紧在车轮踏面上以产生制动作用的制动块。

车轮使用的闸瓦可分为铸铁闸瓦和合成闸瓦。

1.铸铁闸瓦
高磷铸铁闸瓦与中磷铸铁闸瓦相比较，主要是提高了含磷量。

中磷铸铁闸瓦的含磷量为0.7%-1.0%，高磷铸铁闸瓦的含磷量为10%以上。

高磷铸铁闸瓦的耐磨性比中磷铸铁闸瓦高1倍左右。

运用实践表明，高磷闸瓦的使用寿命约为中磷闸瓦的2.5倍以上。

高磷闸瓦还有一个特点就是制动时火花少。

铸铁闸瓦的摩擦系数是随含磷量的增大而增大，故高磷闸瓦的摩擦系数大于中磷闸瓦。

但含磷量过高将会增加闸瓦的脆性，当含磷量超过 1.0%时，闸瓦如不加钢被，便有裂损的可能，所以高磷闸瓦闸瓦需采用钢背补强。

2.合成闸瓦
合成闸瓦是采用黏合剂将增强材料和填料(三元体)黏结在一起,各自发挥在制动时的作用,直接与对偶件相互作用产生摩擦力。

黏合剂主要包括酚醛树脂及改性物、天然及其人工合成橡胶。

增强材料主要有石棉、钢纤维、铸铁纤维、人工合成纤维、天然纤维等。

大部分无机化合物都能作为填料使用,发挥改善摩擦系数、温度、速度、曲线形状和稳定摩擦系数的作用,保证行车安全。

二、维修现状存在的问题
目前，铁路机车车辆采用的制动方式最普遍的是闸瓦制动。

用铸铁或其他材料制成的瓦状制动块，在制动时抱紧车轮踏面，通过摩擦使车轮停止转动。

在这一过程中，由于闸瓦摩擦面积小，大部分热负荷由车轮来承担。

列车速度越高，制动时车轮的热负荷也越大。

特别是紧急制动时,闸瓦表面高速摩擦产生的大量热量无法及时散发而聚积在表层上,使表层温度急剧升高,过高的温升很容易使闸瓦材料性质发生质的变化,从而引起其摩擦磨损性能的突变，就会使踏面磨耗、裂纹或剥离，既影响使用寿命也影响行车安全。

由于间断刹车,闸瓦摩擦面上的正应力和切应力均具有明显的疲劳交变载荷的特征。

此外,因剧烈摩擦,闸瓦表面温度瞬间可高达900℃左右, 并有热循环冲击特点。

闸瓦磨损失效的基本特点有：
①制动材料内部薄弱界面处（如铁组织中的石墨与基体间界面）和缺陷位置（如粉末冶金材
料中的孔隙）应力集中诱发裂纹，引起闸瓦摩擦面块状剥落；
②制动材料内部脆性组织被压碎裂并引发周边基体萌生裂纹，造成闸瓦摩擦面块状剥落；
③闸瓦表面摩擦而升高温度,摩擦面表层产生氧化物,在正应力、切应力作用下易碎裂并脱离基体而成为磨粒,诱发磨粒磨损；
④闸瓦摩擦面与车轮踏面在摩擦高温及正应力的作用下发生粘着,因闸瓦材料强度较低,其摩擦面已存在疲劳微裂纹,在粘着处闸瓦表面一侧将被撕裂, 产生粘着磨损闸瓦。

三、分析原因及优化方法
为满足列车制动需要,防止闸瓦早期失效，对闸瓦材料的要求是：合适且稳定的高摩擦系数,耐磨、热裂性能优良,制动火花少。

目前用于闸瓦的制动材料可归类为铸铁闸瓦、合成闸瓦、粉末冶金闸瓦和复合材料闸瓦等4种。

1.铸铁材料
铸铁闸瓦在铁道车辆上使用已有百年以上的历史。

铸铁制动材料的主要优点是：
①擦系数受环境影响小而较为稳定,具有“全天候”运行特征；
②导热性较好,对车轮热损害小；
③可使车轮踏面粗化,从而获得较大的粘着力,减小车轮的机械擦伤；
④坚固耐用、价格低廉。

但普通灰铸铁（片状石墨）闸瓦的摩擦系数较小,且随摩擦速度的提升, 摩擦系数迅速下降,在列车高速运行时尤为明显,故普通铸铁闸瓦一般多用于低速运行的客货列车。

对高速列车闸瓦,可从提高铸铁的含磷量和加人少量合金元素两方面来改进其性能。

实际上, 现在使用的多种铸铁闸瓦,即是中高磷铸铁、含磷蠕墨铸铁、合金铸铁等长寿命的特殊铸铁闸瓦。

铸铁的含磷量增加,组织中析出大量磷共晶,使闸瓦的摩擦系数提高、耐磨性改善,列车的制动距离也将缩短。

如将含磷量从0.5%提高到3.0%（质量分数）左右,闸瓦的摩擦系数提高了20%,闸瓦的耐磨性也成比例地提高,制动距离可缩短30%一45%。

但磷增加了铸铁闸瓦的脆性,使用中不可避免地产生裂纹,故需采用闸瓦背来补强。

即便如此,高磷铸铁闸瓦的耐热裂性仍较差,其摩擦系数随列车运行速度的提升而急剧下降的缺点未得到改善
2.合成材料
由于铸铁闸瓦的摩擦系数在高速时迅速下降,故高速车辆制动闸瓦可采用合成材料。

它是由有机树脂粘结剂（如酚醛树脂）、金属或化合物粉末（如铁、铜、铅与氧化铁、氧化铝等）和摩擦润滑调节剂等经充分混炼后成型加工、焙烧而成,它将材料与制品工序合二为一。

改变合成材料的配
比,可使合成闸瓦获得不同的摩擦系数,我国目前研制的合成闸瓦分低摩擦系数合成闸瓦和高摩擦系数合成闸瓦。

合成材料闸瓦的主要优点是：
①摩擦性能可按需要进行调整；
②耐磨性好，使用寿命长；
③节约铸铁材料；
④对车轮踏面的磨耗小，可延长车轮使用寿命；
⑤重量轻，一般只为铸铁闸瓦的1/2-1/3；
⑥可避免磨耗铁粉的污损及因制动喷射火星而引起火灾事故，并减轻对电气设备的不良影响；
⑦摩擦系数从比较平稳并能保证有足够的制动力；
⑧由于摩擦系数值可以充分提高；
采用合成闸瓦与小直径的制动缸配套，可节约压缩空气，在高坡地区连续制动时可缩短再充气时间，提高列车在坡道地区运行的安全性。

但合成材料闸瓦也存在不足：其一是材料的导热性差,制动时摩擦热量难以散发,因而车轮温度升高明显，甚至产生热裂；其次是在湿润状态下,摩擦系数显著下降,即列车制动受天气环境影响大,在雨雪天气制动能力下降；此外,合成材料闸瓦与车轮踏面反复磨合后,使二者间的粘着系数降低,导致列车制动时车轮滑行而引起踏面擦伤。

合成材料闸瓦在高速列车发展的早期曾得到了广泛的重视与应用,如我国双层旅客列车上就采用了这种制动闸瓦材料,但因其在高温下磨损急剧增加,限制了合成材料闸瓦只能在一定范围内使用列车运行速一般不应高于200km/h,其制动处温度一般不能超250℃此外,合成材料闸瓦的“全天候”也不适应列车营运重载化的发展趋势。

3.粉末冶金材料
粉末冶金材料是以金属粉末为基体,适当添加摩擦剂、润滑剂等成分,通过压制成型、可控高温烧结（900-1050℃）而制得。

粉末冶金闸瓦具有高而稳定的摩擦系数,耐磨损,导热性优良、抗热裂性好,雨雪天气环境下摩擦系数稳定等优点。

其缺点是对车轮刮削倾向大。

粉末冶金闸瓦不仅在质量与性能上有突出的优点,而且在组分设计、产品多样化上也极具灵活性。

目前,粉末冶金闸瓦主要有铁基和铜基材料两大类,铜基粉末冶金闸瓦虽原材料贵重,但因其导热性极佳,本身抗热裂,且对制动盘和车轮的热按伤隐患小,故也具有较高的应用价值。

为充分发挥粉末冶金材料的性能潜力,以铜铁镍合金为基体的粉末冶金闸瓦已在日本应用,其列车的运行速度可高达350km/h。

粉末冶金材料闸瓦既具有铸铁材料闸瓦的摩擦系数不受气候影响的优点,又具有合成材料闸瓦的摩擦系数不随列车速度变化的优点。

日本的新干线、德国ICE2高速列车和法国TGV-A 高速列车均采用了粉末冶金闸瓦,取得了较好的制动效果。

4.复合材料
为满足铁路营运高速化、重载化、车辆的轻量化以及在规定范围内刹车的要求,材料学家已研究、应用了新型复合材料闸瓦,主要有C/C纤维复合材料和金属基复合材料。

C/C纤维复合材料是用碳纤维强化碳基体的复合材料,具有质轻、高强度、高模量、低热膨胀系数、高抗裂性和优良的耐高温性能,能在1000℃温度下正常工作。

它已在飞机和赛车上得到了广泛的应用，法国已在TGV高速列车上使用了这种复合材料制动装置,效果显著。

金属基复合材料是以铝为基体、以均匀分布的陶瓷颗粒为强化相,它克服了铝材热稳定性差、耐磨性欠佳的缺点,具有较高的强度、优良的耐热性与抗裂性。

盘形制动研究
相对于踏面制动而言, 盘形制动装置的显著优点是能够承受地铁等城轨车辆频繁制动所产生的热负荷, 进而能大大减轻车轮踏面的机械和热作用, 而车轮不直接承受制动热量而能延长其使用寿命。

研究结果表明, 盘形制动的极限功率主要取决于制动盘表面的最高温度和闸片的耐热性, 因此盘形制动具有高于踏面制动的制动功率, 适合更高的制动速度。

对于合成闸片而言, 可用于200 km/ h 以下的铁路客车, 因此, 对于地铁及轻轨车辆来说, 在速度超过100km/ h 时不适宜采用踏面制动制动方式, 而应该采用盘形制动方式。

一、盘形制动的介绍
盘形制动又称为摩擦式圆盘制动，是在车轴上或在车轮辐板侧面装设制动盘，用制动钳将合成材料制成的两个闸片紧压在制动盘侧面，通过摩擦产生制动力，把列车动能转变成热能，耗散于大气之中。

盘形制动以其特有的结构和性能取代踏面制动, 成为主要的摩擦制动方式采用盘形制动盘和闸片可以双向选择, 根据要求选择摩擦对偶, 从而可在盘与闸片之间获得较高而稳定的摩擦系数, 充分利用轮轨间的粘着。

合成材料闸片耐磨性好, 使用寿命长. 可达12 一15 万公里, 较铸铁闸瓦长得多。

制动盘的寿命一般可达80 一10 万公里〔3 〕; 闸片只与制动盘相摩擦, 而不与车轮踏面
相接触, 可减少车轮踏面的磨耗, 延长其寿命; 制动盘可加设散热筋, 大大增加其散热面积。

动盘还具有强迫通风的作用; 减少噪音和环境污染也是盘形制动的明显优势盘形制动的这些主要特点是城市轻轨车辆广泛采用的基础.
1盘形制动有两种形式
轴装制动盘：对于动力车而言, 由于其转向架需要安装牵引电机、齿轮箱等, 车轴上很难再装制动盘, 因此在动力车一般采用把制动盘安装在车轮上的方式, 当然也可以采用轴盘安装在车轮外侧的安装方式, 如广州地铁4 号线。

轮装制动盘：对于拖车而言, 既可以采用轮装制动盘, 也可以采用轴装制动盘。

需要指出的是铁路客车的车轮直径一般为915mm, 地铁及轻轨列车的车轮直径一般为840 mm, 磨耗到限的车轮直径是770 mm; 再考虑车辆限界的要求,轴装制动盘的直径会比较小, 使制动盘摩擦半径和制动力都比较小。

因此, 在拖车上也采用轮装制动盘更为合理, 这样还可以使车辆的车轮和制动盘结构统一, 便于配件管理和维修。

2 盘形制动的优缺点
优点：
(1) 可以大大减轻车轮踏面的热负荷和机械磨耗。

(2) 可按制动要求选择最佳“摩擦副”，制动盘可以设计成带散热筋的，旋转时使其具有半强迫通风的作用，以改善散热性能，适用于高速、重载列车。

(3) 制动盘平稳，几乎没有噪声。

不足：
(1) 车轮踏面没有闸瓦的磨刮，轮轨粘着将恶化。

所以，为了防止高速滑行，既要考虑采用高质量的防滑装置，也要考虑加装踏面清扫器，同时采用以盘形为主、盘形+闸瓦的混合制动方式，来有效缩短制动距离。

(2) 制动盘使簧下重量及其引起的冲击振动增大；运行中还要消耗牵引功率，速度愈高，这种功率损失也越大。

二、维修现状存在的问题
由于盘形制动车轮踏面没有闸瓦的磨刮，轮轨粘着将恶化。

所以，为了防止高速滑行，既要考虑采用高质量的防滑装置，也要考虑加装踏面清扫器。

三、分析原因及优化方法
装防滑器。

基础制动装置维修作业指导书。