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铁路车辆制动系统的研究
摘要
在不同条件下，人们对安全性和舒适性的期望很高，这就要求开发铁路车辆的制动系统。影响制动系统性能和功能的主要因素是制动力、车辆质量和速度、停车或制动距离、铁路条件和环境因素。本文对盘式和踏面制动、动力制动、气动制动、真空制动、电空制动等制动系统进行了综述。制动系统分为两大类：附着力依赖型和独立型制动器。对制动盘-制动片机构进行了评估，该机构是所有制动系统中最重要的部件，尤其是对货运和高速列车的安全运行。在这一背景下，对制动系统各部件之间的相互作用，包括制动盘衬块的几何形状和材料特性进行了实验和数值分析研究。因此，建议在有限元建模和原型制造的基础上进行研究和开发，以生产出与轨道系统车辆兼容的高效、安全的制动系统。从这些研究中获得的信息将间接促进可持续性。此外，本综述研究侧重于对科学和应用研究的详细分析，有助于提高铁路车辆制动系统运行机构和组织的生产力。
1、简介
交通运输是实现消除短缺和可持续发展的主导领域之一。然而，许多铁路运输问题都是由于制动系统故障造成的。铁路车辆减速是一个非常复杂的过程，对行车安全具有重要意义。这种复杂性源于制动过程中不同类型的机械、电气、热力、气动等多种事件的发生。这些操作发生在不同密度的车辆的不同点上，并影响列车的几个部分。这些操作之间的适当交互是提供高效、准确和安全制动作用的主要困难。然而，制动实际上是一种能量平衡事件，其中制动系统通过将移动车辆的机械能改变为另一种形式来降低车速。汽车的机械能主要通过再生制动转化为热能并传播到环境中或转化为电能来降低总的能源成本。除此之外，行驶过程中的阻力（空气阻力、轨道阻力和滚动阻力）也会对制动产生影响，必须在制动设计时加以考虑。
提供高可靠性的制动系统是铁路行车安全的重要任务。气动盘式或蹄式制动系统一般用于铁路车辆。这些系统是承受更高接触压力、温度、摩擦和湿度的重型装置。这种操作条件会导致制动系统部件严重磨损，并导致制动块或制动盘频繁更换。
因此，改进制动系统的设计是一个重大的实际问题。闸瓦制动装置设计简单，具有成本优势。但高负荷产生的较高热负荷限制了该系统的理想制动性能。这些是高速铁路客车采用盘式制动器的主要原因。盘式制动系统在制动过程中提供平稳的操作和低噪音水平以及低维护成本。制动系统运行过程中的接触相互作用和散热过程使制动系统的数学模拟变得困难和复杂。因此，为了进行正确的模拟，必须同时考虑动态、摩擦学和热机械事件。
随着时间的推移，由于结构、设计和运行、车速、轴重和类型、车辆结构和技术特点、交通状况等多种因素，各种制动系统得到了发展。在开发高性能刹车片的过程中，制造商和研究人员在各种载荷、滑动速度、温度和压力下，在全车道路和实验室范围内进行试验。事实上，刹车片设计中的发明需要基于实验室开发和在用控制的频繁测试方法，从“小样本磨损测试”到“道路全尺寸车辆测试”。新的制动片配方一般是通过表征试验，从实验和经验的方法进行研究。然而，通过性能测试，研究了刹车片的使用效率，即在紧急制动、累积制动和减速制动情况下的衰减和恢复行为。此外，铁路当局对所有货运和客运列车的列车制动器的安全运行规定了最低安全标准。
另一方面，制动系统的维护要求非常严格，成本低，寿命长。因此，不同部件之间的相互作用以及耦合效应的出现，使得开发有效的刹车片材料变得十分困难。铁路运输中使用的制动盘材料有铸铁、钢和金属基复合材料。这些材料的铸铁应用最为普遍。决定阀瓣和阀垫材料选择的最重要参数是温度。由于汽车的动能通过摩擦力转化为热能，因此最重要的变形是与热有关的。制动盘表面的最高温度可以达到600℃在一辆经典的火车上。一些调查人员发现，铁路车辆制动后使用的制动盘摩擦表面存在热疲劳裂纹。由于反复制动和环境条件的影响，使用锻钢制造的制动盘会发生剧烈的温度变化。特别是当铁路车辆以平均时速300km/h运行时，经过反复的制动循环，制动盘和制动衬块的摩擦表面出现热区和热裂纹。
在已开发的制动系统中，由于重量、制动时间、磨损和耐高温等参数的组合，制动系统零件由多种材料制成。在制动系统中，直接相互作用的部件的材料和几何特性至关重要。从这个意义上讲，应用于超高速列车的粘着有效制动组中的盘式制动系统应该区别对待。本文详细介绍了铁路车辆制动系统、制动系统设计中的制动机理、制动盘衬块材料以及这些材料的选择。
2、铁路车辆制动
铁路车辆制动系统最重要的任务是在不影响可靠性原则的前提下实现其功能。从这个意义上说，制动系统将移动车辆的全部或部分动能转换成其他形式的能量以降低车速。如有必要，制动系统将车辆置于静止位置。它也有助于防止由于坡度上的重量而产生的力，以保持车辆的恒定速度，并在有风和雨等环境影响的倾斜轨道上保持车辆的状态。设计和运行的主要目的是根据铁路车辆的类型和特定的运行速度，为行车安全提供足够的制动能力。列车或铁路车辆的制动能力是一个重要特征，说明了在紧急制动过程中，以最高的制动力将车辆从最大运行速度减速的一般设计和实用能力。列车的重量和运行速度、制动类型、制动设备的功能和设计特点、制动特性和热事件是影响制动能力的重要因素。铁路车辆的类型、长度和组成在列车制动能力评估中增加了一些附加参数。因此，准确、一致地评估制动能力就变得困难。
最大可实现制动力的大小是与粘着有关的轮轨制动系统的一个关键特性。主要要求是，在正常条件下，轮轨接触面上的制动力Fb，max不超过轮轨粘着力Fa。
Fb,max＜Fa （1）
对于具有Qv重量的车辆，如果配备了“n”制动蹄，则式（1）变为特殊表达式：
（2）
n分别为制动盘：
（3）
式中：mu;a为轮轨界面的粘着系数，Ps和Pd分别为制动蹄和制动盘上的夹紧力，而蹄/踏面和制动蹄/制动盘界面之间的摩擦系数分别为mu;s和mu;。D0和rm依次为车轮直径和平均摩擦半径。
摩擦系数主要影响制动力。这些系数取决于几个参数，如运行速度、夹紧力、接触面压力和温度。车轮踏面与铸铁闸瓦之间的摩擦系数很大程度上取决于接触压力、对闸瓦的作用力以及车辆的瞬时运行速度。在实际计算中，通过对车轮与铸铁闸瓦摩擦系数的试验，得到了各种经验关系。式（4）中给出了其中之一。这里，V（km/h）、Ps（kN）和g参数分别表示运行速度、制动蹄上的作用力和重力加速度。
（4）
制动片的摩擦系数约为0.35，塑料基复合制动片的摩擦系数约为0.25。根据国际法规，鉴于上述运行速度依赖性和高摩擦系数（0.35）值，对于运行160km/h或以上的铁路车辆，必须使用盘式制动系统作为主要制动系统。制动片和制动盘之间的摩擦界面温度应保持在350-375℃以下，以避免严重和突然的制动片磨损。
实际上，热状态表明，轮对上甚至高速车辆上都必须安装几个制动盘，影响基本制动力的因素之一是车辆质量，与车辆减速时必须分散的动能有关。由于车辆质量差异较大，应调整制动力，以防止车轮打滑和抱死、制动距离延长和列车内动态纵向反作用力的发展。这种情况可以通过两种与车辆运行速度和类型一致的技术方法来解决。第一种是步进制动系统，可用于构造运行速度小于120 km/h的货车。第二种是自调整负载比例制动系统，对以120 km/h或更高速度运行的客货货车是强制性的。车辆或列车从紧急制动指令处经过的距离通常被定义为制动距离。这是使用可用的最大制动能力通过紧急制动指令从最大运行速度到完全停止的最小距离。因此，在确定制动距离时，考虑运行速度、车辆质量、根据制动系统的类型和运行特性产生的制动力以及铁路的地理结构等因素具有重要意义。此外，信号系统通知列车轨道上是否有列车，列车是否会移动到轨道的不同点，以确保列车的安全运行。由于铁路车辆的制动距离比其他车辆的制动距离大，所以使用信号非常重要[17]。
图1 与粘着有关的轮轨制动力。a） 制动片b）盘式制动器[16]
在确定制动距离Sb时，将制动准备间距Sp（m）和有效制动至停车间距Sef（m）综合考虑。制动准备空间（Sb）包括驾驶员操作制动阀直到所有制动缸达到最大压力的事件。制动距离如下：
Sb=Sp Sef （5）
一般情况下，当一辆车或一列火车制动时，预计电子指令几乎立即通过列车。在制动准备空间Sp的计算中，考虑了列车在制动指令时的速度和充装时的压力变化时间。在充注压力达到最大值后，可以用下面给出的公式计算Sp；
（6）
对于装有经典UIC空气制动器的铁路车辆，方程式中的常数к一般取0.5。根据制动类型和列车长度，常数к建议取值在0.54到0.7之间。考虑到有效制动空间，车辆或列车的动能（Ek）和势能（Ep）由阻力和制动功分配。由于轨道车辆具有显著的旋转质量，因此旋转动能不应忽略：
（7）
这里，V是以m/s为单位的运行速度，m是以kg为单位的车辆质量，I是以kg.m2为单位的车轮总成惯性矩，r是以m为单位的车轮半径，q=I/（m.r2）是包括旋转质量的项。势能取决于移动距离s（单位：mm）、轨道坡度i（单位：mm/m）和重力加速度（g=9.81 m/s2）。
（8）
因此，根据先前提出的评估，有效制动距离（Sef）可从公式（9）中找到：
（9）
这里，瞬时最大制动力Fb=f（v等），阻力R=f（v、v2等）。考虑到给定的问题，不仅针对每辆轨道车辆，而且针对列车允许加速的制动能力，参考与制动引起的轨道车辆运行安全有关的实际问题，有必要定义一个特定的术语，该术语将根据其特征参数准确而充分地确定。这个术语被称为制动质量，用吨表示。它具有一般性，可以小于、等于或大于车辆质量，也没有物理响应。由于货车采用广义手制动，因此制动质量描述通常是保守的。
在依赖粘着的制动系统中，必须限制施加的最大制动力，以防止车辆过度制动。对于装有UIC制动系统的车辆，最大制动力Fb；max可通过以下公式计算：
（10）
式中，mv为车辆质量，g为重力加速度，mu;为轮轨粘着系数（mu;=0.33/（1 0.011V））
在目前的情况下，在确定制动质量时，不仅要考虑安装在车辆上的制动装置的构造和运行，还要考虑控制制动运动的许多过程和事件。例如，瞬时运行速度下的摩擦特性、比接触压力和力、环境条件以及这些条件对轮轨间粘着摩擦系数的影响、决定制动率的特定气动事件，应考虑热事件和车辆/列车电阻等的影响。
因此，制动质量的大小依赖于多个参数、操作和复杂的事件，这使得分析计算和证明实际制动运动的准确性变得极为困难。因此，铁路车辆制动质量的确定主要是基于试验和试验，但在某些具体情况下，是基于应用试验结果的关系。制动质量测定程序和方法见UIC 544-1。实际上，制动质量b定义为列车或车辆制动质量b（t）和质量M（t）之间的百分比，并给出：
(11)
在给定Vo运行速度下，最简单质量M受到恒定减速d的最简单情况下，制动空间S和停车时间t可以通过常见的机械关系找到：
(12)
列车的总制动力Fb与作用在车轮踏面或制动片上的闸瓦对制动盘的全部正常施加力成正比sum;PN：
(13)
比值系数zeta;，可为zeta;=mu;。车轮与蹄片之间的摩擦系数。对于装有盘式制动器的车辆，zeta;=（4.rm）/D0.mu;（mu;制动片和制动盘之间的摩擦系数），D0是车轮直径，rm是平均摩擦半径。根据车轮的线速度V（m/s）和施加在制动片上的Ps压力，给出了车轮与铸铁闸瓦之间的摩擦系数：
(14)
此外，制动质量与整个法向作用力成比例：
(15)
比例系数v取决于车辆的结构和运行特性。忽略其他阻力的影响，并考虑制动质量百分比的描述，在方程式中给出：
(16)
此时：
(17)
以及：
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