制动力与制动率

第一节空气波与制动波一、空气波在铁路运输中，机车车辆是编组成列车运行的，列车管又细又长，空气又是个弹性物质。

所以，司机在车头上排出列车管的压力空气，使它的压力开始降低时，并不是全列车立即、同时、同步地降低的。

首先，车头上制动阀附近的压力突然开始下降，使列车管原来的压力平衡被破坏。

然后，这一压降就沿着列车管以一定的速度逐渐向后传播，直到尾端(列车管封闭处)的压力也开始下降。

在这一压降由前向后传播时，车头的列车管压力继续下降，新的压降也不断地向后传播。

这种传播与石子投入湖中引起的水面波纹不断向外扩散相似，也是一种波。

不过，它是一种空气波。

由于车头的排气减压并且不断地向后传播，列车管内的压力空气不断地膨胀，它的压能不断地转化为动能。

因此，它不断地由后向前连续流动，经由制动阀排气口排向大气。

显然，气体的流动和压降的传播不是一回事。

压降的传播（空气波）属于一种振动波，它按振动的规律在媒介质的空间进行；空气在管内的流动则不是一种波，而是媒介质的一种连续运动，故周围（管壁）阻力对它的影响很大。

另外，在减压时气流方向与压降的传播方向是相反的(充气增压时空气波传播方向与气流方向虽然相同，但也不是一回事)。

空气波速也可用实验的方法求得,其算式如下:（12—1）式中─空气波传播时间(秒),从机车制动阀开始排气至尾端开始减压为止；─空气波传播距离(米),一般就按列车管长度计算,由机车制动阀口起至列车管尾端止。

图(11-2)为列车管无支管并且经过大孔（其有效断面与列车管有效断面相同）排气时第10、25、50、75和第100辆车的排气情况。

空气传播速时间为3.52秒。

空气波速为：这个数字与前面由理论分析推导所得的数字很接近。

这说明，建立在上述理论分析基础上推导出来的空气波速公式基本上是正确的。

第二节制动力与制动率一、列车制动力的产生性能良好的机车车辆制动装置，是提高列车运行速度和牵引质量的必要条件之一。

在一定范围内，制动力越大，列车越能迅速停下，制动距离和运行时分就可以大大缩短。

因而，加大列车制动能力，不仅可以增加行车的安全性，而且为进一步提高列车运行速度创造了条件，从而可以提高铁路通过能力，使铁路运输设备得到充分的利用，以满足国民经济及其它部门对铁路运输的基本要求。

由制动装置产生的与列车运行方向相反的司机可根据需要控制其大小的外力，称为制动力，用字母B表示。

列车制动力与机车牵引力一样，同是钢轨作用于车轮的外力，所不同的是机车牵引力仅发生在机车的动轮与钢轨间，而列车制动力则发生在全列车具有制动装置的机车、车辆的轮轨之间。

在制动操纵上，列车制动作用按用途可分为两种：常用制动和紧急制动。

常用制动是正常情况下调控列车速度或进站停车所施行的制动，其作用较缓和，而且制动力可以调节，通常只用于列车制动能力的20%至80%，多数情况下，只用50%左右。

紧急制动，是紧急情况下为使列车尽快停住而施行的制动，它不仅用上了全部的制动能力，而且作用比较迅猛。

制动力产生的方法产生列车制动力的方法很多，主要可分为三类：1．摩擦制动：将空气压力通过机械传动装置传到闸瓦或闸片上，利用闸瓦与车轮踏面或闸片与制动盘的摩擦而产生制动力。

闸瓦摩擦制动是我国采用的主要制动方式。

随着运输速度的提高和载重的增大，盘形制动方式得到广泛的应用。

盘形制动以装在车轴上的制动盘与闸片的摩擦代替车轮踏面与闸瓦的摩擦，从而减轻车轮踏面的热负荷，延长车轮使用寿命，保证行车的安全。

目前我国的快速旅客列车上采用盘型制动。

2．电气制动：电气制动是一种动力制动。

在电力机车或内燃机车上把牵引电动机变为发电机，将列车的动能换成电能反馈到接触网或由电阻器变成热能，散逸到大气中去。

但这种制动只能起辅助性调速作用，停车还要依靠摩擦制动。

再生制动能一部分动能变成有用功，但反馈能量必须有一定的吸收装置。

无论是摩擦制动还是电气制动，都是利用轮轨之间的粘着而转变成制动力，因而，列车制动力的增大，最终受到轮轨间粘着的限制。

3．电磁制动：有电磁轨道制动和电磁涡流制动两种方式。

电磁轨道制动是装在转向架的制动电磁铁，通电励磁后，吸在钢轨上，通过磨耗板与轨面摩擦产生制动力。

电磁涡流制动是将电磁铁落至距轨面7-10mm处，由电磁铁与钢轨间的相对速度引起涡流作用，形成制动力。

电磁制动不通过轮轨间的粘着起作用，它是属于非粘着制动，不受轮轨间粘着极限值的限制。

其中电磁涡流制动优于电磁轨道制动，因为它没有任何摩擦。

电磁制动目前在国外作为高速列车的辅助制动装置。

目前，我国内电机车的主要制动方式为闸瓦制动和动力制动。

二、闸瓦摩擦系数机车车辆闸瓦与车轮踏面间的摩擦系数简称为闸瓦摩擦系数，以表示。

闸瓦摩擦系数是直接影响列车制动力的重要因素，在闸瓦压力一定时，制动力的大小和变化，就决定于摩擦系数的大小和变化。

所以要求闸瓦摩擦系数的数值要高且比较稳定。

三、闸瓦压力与制动率（一）闸瓦压力的计算机车、车辆每块闸瓦的实算闸瓦压力K按下式计算：（11-4）盘形制动的实算闸瓦压力K…按下式计算：(kN)（11-5）从制动盘上折算到车轮踏面的实算闸瓦压力按下式计算：(kN)（11-6）式中—制动缸直径,(mm);—制动缸空气压力,(kPa);—基础制动装置计算传动效率;—制动倍率;—制动缸数;—闸瓦数;—制动盘摩擦半径,(mm);—车辆车轮直径,(mm)。

（1）、、、、、这些都是与制动机结构有关的参数，对一定机车、车辆来说是固定值。

（2）机车、车辆在制动过程中，由于制动缸与缸壁的摩擦力，缓解弹簧的反拨力，基础制动装置各销套的阻力以及闸瓦垂直悬吊所造成的损失等，使各闸瓦上的实际压力小于理论的计算值，两者的比值，称为实际传动效率，其值很难测定。

在《牵规》中，假定客货车基础制动装置计算传动效率分别为某一固定值，即将它的变化对制动力的影响合并在摩擦系数变化时对制动力的影响中。

这个固定的数值就叫做基础制动装置计算传动效率。

《牵规》规定，机车及客车均取0.85；客车盘形制动及其踏面制动单元均取0.90；货车取0.90。

（3）①紧急制动时制动缸空气压力与各型制动机的构造尺寸有关，运用中的列车施行紧急制动时，制动缸空气压力如表11-7所示。

表11-7紧急制动时制动缸空气压力（kPa）②常用制动常用制动时的制动缸压力与列车管减压量r（kPa）有关。

其关系式如下：各型机车（kPa）（11-7）客货车三通阀，GK、120型制动机重车位r-100 （kPa）（11-8）103型制动机重车位、104型制动机r-10（kPa）（11-9）GK、120型制动机空车位r-42（kPa）（11-10）103型制动机空车位r（kPa）（11-11）（二）制动率制动率是闸瓦压力与重力之比，即每KN重力上所具有的闸瓦压力。

机车、车辆的制动能力不能单以总闸瓦压力来表示，只有制动率才能准确地表示制动能力。

它是衡量机车车辆制动能力大小的一个重要参数，制动率过大易造成车轮滑行；过小则制动力不足。

第三节制动缸压力计算一、制动缸压力计算的基本知识（一）气体的基本性质分子物理理论告诉我们，气体分子时刻在进行着热运动，气体分子就要经常与容器器壁碰撞，这种碰撞的宏观表现就是气体对器壁的压力。

所谓气体的压强就是气体施加于容器器壁的单位面积上的垂直压力。

由于气体分子的热运动，宏观上表现即为气体分子的膨胀扩散，最终要达到气体的状态平衡：密度均匀、温度均匀、压强均匀。

因此，从气体的宏观表现，可以说气体是一种具有弹性的物质，受压缩时总要产生一种反压缩的膨胀趋势，受压缩后的气体就要对所接触物体作用一种膨胀的推力。

空气制动机的工作过程就是利用空气受压缩后的体积与压力的自动变化来实现的。

（二）等温过程的气体状态方程气体状态的变化过程依据条件不同分为等温（T不变）变化、等压（P不变）变化、等容（V不变）变化、绝热（与外界无热交换）变化等过程。

车辆制动机工作过程的压缩空气状态变化接近于等温变化过程。

一般采用等温变化过程进行理论计算，其理由有以下两点。

1．制动机作用过程中，压缩空气变化引起温度瞬间变化约1～2℃，并且各风缸、管道均暴露在大气中，与大气进行热交换，很短的时间压缩空气变化的温度恢复到接近于大气温度。

2．各容器不可避免地存在着误差容积以及连接管路的容积的忽略和漏泄、逆流的存在，对计算精度会产生一定的影响。

考虑上述两个因素的存在，在保证机械工程计算精度的前提下，为简化计算，忽略制动机作用过程的温度变化的影响即按等温变化过程讨论制动机作用过程的气体状态变化。

由等温过程气体状态方程，即波义耳一马略特定律：气体在其质量一定的前提下，压力与体积成反比，即PV=C（常量）式中P—气体的绝对压力（Pa或kPa）；V—气体的体积（）。

换一种表述方法：即，在等温变化过程中，气体的质量一定，气体状态变化前的绝对压力与它所占有的体积的乘积等于变化后的空气的绝对压力与它所占有的体积的乘积。

二、直接作用式制动机的制动缸压力计算直接作用式制动机系指由各型三通阀和120型空气控制阀控制的制动机。

它们具有相同的作用方式，制动缸压力的计算方法也是相同的。

本节讨论所用的代号、意义和单位如下：─制动前制动管的绝对压力（kPa）。

─制动后制动管的绝对压力（kPa）。

─制动前副风缸的绝对压力（kPa）。

─制动后副风缸的绝对压力（kpa）。

─制动前制动缸的绝对压力（kPa）。

─制动后制动缸的绝对压力（kpa）。

─制动前附加风缸的绝对压力（kPa）。

─制动后附加风缸的绝对压力（kPa）。

─制动前降压气室的绝对压力（kPa）。

─制动管定压的绝对压力（kPa）。

r─制动管减压量（kPa）。

─副动缸减压量（kPa）。

─制动管最小有效减压量（kPa）。

─制动管最大有效减压量（kPa）。

─制动后制动缸的表压力（kPa）。

─制动前副风缸的表压力（kPa）。

─制动管定压的表压力（kPa）。

─副风缸容积（L）。

─制动前制动缸容积（L）。

─制动后制动缸容积（L）。

─降压气室容积（L）。

（一）副风缸与制动管的压力关系1．制动前，主活塞处于充气缓解位，制动管向副风缸充气达定压，因此：2．常用制动后，制动管减压量小于最大有效减压量（r＜），主活塞在副风缸减压量稍大于制动管减压量时移动到保压位，因此忽略微小误差有：而所以事实上，当制动管减压量达到最大有效减压量时，即，主活塞不能移到制动保压位，但上述关系仍成立，即，（二）制动缸压力的计算在进行制动缸压力计算时，要忽略几个较小的影响因素：①制动作用产生前副风缸通过作用部向制动管的少量的压力空气逆流的影响。

②副风缸与制动缸连接管路容积的影响。

③制动管局部减压送入制动缸压力空气的影响。

④制动过程压力空气微小的温度变化的影响。

在此忽略了上述几个影响因素后，必须保证压缩空气在制动前后两种状态时的质量不变。