电机车制动类型及摩擦制动材料_程安宁

西安科技大学机械工程学院󰀁程安宁󰀁尚爱琴

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󰀁󰀁摘󰀁要:我国煤炭资源丰富,目前铁路运输仍是我国煤炭运输的主要方式,而电机车的制动方式已经成了铁路运输能力进一步提高的急待解决的问题。本文介绍了电机车的制动类型,对摩擦制动机理及摩擦材料进行了较为详细的介绍和比较。

关键词:电机车;制动系统;摩擦机理

Abstract:Ourcountryisabundantincoalresource.Atpresent,itisstillamajorwaytotransportcoalbyrailwayinourcountry.However,transportationabilityhasbeenrestrictedbythecurrentbrakingwayofthelocomotives,anditbadlyneedstobesolved.Thispaperintroducesthebrakingtypesoflocomotives,frictionbrakingmechanismandfrictionmaterials,andcomparesthemindetail.

Keywords:locomotive;brakingsystem;frictionmechanism

1󰀁电机车制动

电机车的制动装置有机械制动和电气制动2种。电气制动用控制器改变电气线路,属于能耗制动。机械制动利用制动器进行制动。制动方式可分为粘着制动和非粘着制动。其中粘着制动包括闸瓦制动、盘形制动、旋转涡流制动、电阻制动、再生制动、液力制动、逆气制动;非粘着制动包括磁轨制动、轨道涡流制动。1󰀁1󰀁闸瓦制动

闸瓦制动,又称踏面制动。它用铸铁或其他材料制成的瓦状制动块(又称闸瓦)紧压滚动着的车轮踏面,通过闸瓦与车轮踏面的机械摩擦将列车的动能转变为热能,产生制动力。1󰀁2󰀁盘形制动

盘形制动是在车轴上或在车轮辐板侧面装上制动盘,用制动夹钳使2个闸片紧压制动盘侧面,通过摩擦产生制动力。盘形制动可以大大减轻车轮踏面的热负荷和机械磨耗,制动平稳,更适合于高速列车。

1󰀁3󰀁旋转涡流制动

旋转涡流制动是在牵引电动机轴上装上金属盘,制动时金属盘在电磁铁形成的磁场中旋转,盘的表面感应出涡流,产生电磁吸力,从而产生制动作用。

1󰀁4󰀁电阻制动󰀁6󰀁

电阻制动是在制动时将原来驱动轮对自励的牵引电动机改变为他励发电机,由轮对带动发电,并将电流通往专门设置的电阻,采用强迫通风,使电阻产生的热量消散于大气,从而产生制动作用。1󰀁5󰀁再生制动

再生制动也是将牵引电动机变为发电机。不同的是,它将电能反馈回电网。显然,再生制动比电阻制动更加经济,但是技术上比较复杂,而且只能用于由电网供电的电力机车和电动车组,反馈的再生电能必须马上由别的耗能单位接收和利用。1󰀁6󰀁液力制动

液力制动是在液力传动装置内安装液力制动器,车轮旋转时在液体和液体之间、液体和耦合器之间产生摩擦,从而产生制动作用。1󰀁7󰀁逆气制动

逆气制动是蒸汽机车特有的,俗称󰀁倒打气󰀁。它是在机车前进运行中突然把遮断手柄从󰀁前进位󰀁拉到󰀁逆行位󰀁,将蒸汽发动机变为蒸汽压缩机,从而产生制动作用。

1󰀁8󰀁磁轨制动

磁轨制动是在转向架的2个侧架下面,在同侧的2个车轮之间,各安装1个制动用电磁铁,制动时将它放下并利用电磁吸力紧压磁轨,通过电磁铁上的磨耗板与钢轨之间的滑动摩擦产生制动。

*本研究课题为陕西省教育厅科研基金资助项目

󰀁起重运输机械󰀁󰀂2006(2)1󰀁9󰀁轨道涡流制动

轨道涡流制动又称线性涡流制动或轨道电磁制动。与磁轨制动相似,也是把电磁铁悬挂在转向架侧架下同侧的2个车轮之间。但电磁铁在制动时不与钢轨接触。它是利用电磁铁和钢轨的相对运动使钢轨感应出涡流,产生电磁吸力作为制动力。

目前关于表面结构主要有2种模型,它们都是由表至里地将表层划分为5层,靠近基体的分别为裂纹形成层、应变层和基体。而对1、2层的认识,一种认为1层由分解和部分碳化且包含有微裂纹的树脂组成,2层是树脂的降解层;另一种模型认为1层是吸附层,2层是金属层。这可能是由于材质和试验条件的不同所致。也有人将摩擦表层划分为4层,即表面工作层、疏松层、变形强化层和基体。

摩擦制动表面在制动过程中,由于物理和化学变化,会在接触界面产生一种不同于2摩擦元件基体的界面膜,这种界面膜是多种组分和结构组成的复杂膜。如果摩擦盘与金属化层间的结合力大于金属层与摩擦材料的结合力,那么整个金属化层就会剥离,成为影响制动副摩擦稳定性及耐磨性的重要因素之一。

由于各种磨损机理都未能完全地解释各种材质和工况下的摩擦学现象,所以很难建立摩擦磨损的计算模型与公式。目前已有的算式大部分是根据特定的试验条件而建立的经验公式。

2󰀁摩擦制动机理

制动过程是一个动态的摩擦过程。在这个过程中,摩擦表面的高温和周围环境的物理、化学变化,使摩擦元件产生弹塑性变形、接触区材料粘连磨损并发生电解、相的转移和结构变化,使摩擦表面的摩擦学现象十分复杂。

迄今为止还没有一个公认的理论能解释摩擦过程中的摩擦磨损现象。在低负荷和低温情况下,既有认为是磨料磨损的,也有认为是粘着磨损或疲劳磨损的。但对用高分子树脂作为粘合剂的摩擦材料,在摩擦过程界面转移膜(摩擦转移膜)的形成、转移膜在摩擦过程中的减磨作用及高温下热磨损时有机物的分解等的认识则比较一致。

对于摩擦界面转移膜的形成,一般认为,新制动摩擦副在初始阶段的跑合过程中,粗糙表面的微凸峰相互接触发生塑性变形和断裂,断裂形成的磨屑在界面压力和摩擦力作用下,相互粘结于摩擦副表面。由于界面膜自身内部的粘结力大于其表面的粘结力,在摩擦作用下会剪开而粘结在摩擦体表面,形成摩擦转移膜。转移膜的成分为有机物、填料及金属元素。随着转移膜的不断形成,2摩擦表面的粗糙度降低,直到形成稳定的转移膜。

在这一过程中摩擦系数变化较大,磨损率由大到小,一般认为是磨料磨损。随后,转移膜的形成、剪切处于动态平衡。在温度不太高的情况下,摩擦系数和磨损处于相对稳定状态。一般认为是粘着或疲劳磨损。随着温度的增高,有机物发生降解,摩擦材料表面的无机填料成分增加,转移膜与摩擦材料的粘结程度降低,转移膜破裂而引起严重的热磨损。

有人认为纤维的加入有利于转移膜的形成并增加稳定性,起到减磨作用。而对铝基复合材料制动盘,转移膜形成的可能性和稳定性比铸铁高,有人认为铝基复合材料中的硬颗粒起到了机械夹挤的作用。

󰀁起重运输机械󰀁󰀂2006(2)3󰀁摩擦制动器材料

目前使用的摩擦材料主要为石棉有机材料、非石棉有机材料、半金属材料和粉末冶金金属陶瓷材料。

3󰀁1󰀁石棉有机摩擦材料

20世纪20~80年代,石棉有机摩擦材料几乎一统天下。1972年,国际肿瘤医学会确认石棉及高温挥发物属于致癌物。此外,现代制动速度的提高使制动器表面温度达到300󰀁~500󰀁。石棉摩擦材料在400󰀁左右将失去结晶水,造成摩擦性能不稳定。石棉的导热性能很差,在紧急制动过程中,不但石棉会产生裂纹,而且对偶钢盘内外温度梯度也比较大,对偶钢盘外表面遭到破坏而产生龟裂,影响制动片的寿命。

但到目前为止还很难找到一种能够完全替代石棉的增强纤维,加之非石棉纤维混合性不好,价格偏高及制品性能稳定性差等问题,在一定时期内,特别是对发展中国家,石棉摩擦材料仍将继续使用。

3󰀁2󰀁有机摩擦材料

有机摩擦衬片在高温下分解产生液态物,在界

󰀁7󰀁面产生润滑膜,虽然减少了制动副的磨损,但使摩擦系数下降,制动性能变差。制动盘表面的氧化膜破裂后,其碎片或磨粒将聚集在衬片表面上,金属化层会发生断裂或剪切甚至完全剥离,严重影响摩擦部件的使用寿命。3󰀁3󰀁合金摩擦材料

使用合金摩擦片的基体不但要有较高的摩擦系数,还应该保证材料具有一定的强度和良好的耐热性及导热性。纯金属强度较低,耐热性较差。铁基材料的基体组元中常加入Ni、Cr、Mo等元素,可以提高材料的物理󰀁力学性能、耐热和耐磨等性能。

3󰀁4󰀁半金属摩擦材料

半金属摩擦材料以钢纤维或金属粉代替石棉纤维,在400󰀁以下不产生热衰退,热稳定性好。使用寿命是石棉摩擦材料的3~5倍,在较高负荷下具有良好的摩擦性能且导热性好、制动噪声小。

在组成半金属摩擦材料的组分中,酚醛树脂在耐热性、成型加工性和成本方面都比较优越,是目前广泛使用的粘结剂。半金属摩擦材料使用的增强纤维主要是钢纤维和铜纤维。

3󰀁5󰀁非金属摩擦材料

非金属摩擦材料性能明显高于石棉摩擦材料。在代替石棉的纤维中,除了钢纤维外,目前比较多见的有玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维以及这些纤维相混合的混杂纤维。玻璃纤维的发展历史较长,其表面处理工艺和粘结剂的研究已比较成熟,是早期石棉摩擦材料中使用较多的纤维。玻璃纤维硬度高、热稳定性好、与树脂亲和性好且价格低廉,在工程机械已达到一定的应用范围。

3󰀁6󰀁碳纤维有机摩擦材料和芳纶纤维增强摩擦材料

碳纤维有机摩擦材料高温摩擦稳定性好、耐磨。常用在飞机刹车和赛车制动器上。

芳纶纤维是一种有机人造纤维,具有相当高的强度,耐磨、耐热,在非复合形式下具有高韧性,没有碳纤维与玻璃纤维所呈现的脆性,是最有希望取代石棉的摩擦增强材料。3󰀁7󰀁粉末冶金金属摩擦材料

粉末冶金生产的铁基、铜基金属陶瓷摩擦材料,一定程度上解决了高温摩擦系数热衰退和热磨󰀁8󰀁

损问题,但是由于价格高、制造工艺复杂、制动噪声大、脆性大以及对偶件的擦伤和磨损大等缺点,没有得到广泛应用。由于金属陶瓷层具有极好的耐磨性和耐高温性能,在摩擦材料表面喷涂金属陶瓷涂层可以得到良好的制动效果。3󰀁8󰀁氧化铝石棉摩擦片

由于氧化铝熔点高、热强度高、硬度高、热稳定性和化学稳定性好,在石棉中加入氧化铝制造摩擦片,可以有效地减少由于热衰退引起的摩擦片龟裂现象,而且制造工艺简单,造价不高,技术较成熟。

随着新材料和微电子技术的迅速发展,应用微电子技术和微传感器技术自动检测制动过程中摩擦材料的摩擦系数、摩擦力、摩擦量及表面温度,通过控制技术自动调节制动过程中的制动力和表面温度,提高制动的可靠性和安全性,这是未来摩擦材料发展的重要方向。

参󰀁考󰀁文󰀁献

1󰀁饶忠.列车制动.北京:中国铁道出版社,19982󰀁张元民.摩擦材料最近进展.北京:中国建筑工业出版社,1991

作者地址:西安市雁塔路中段邮󰀁󰀁编:7100收稿日期:2005-02-23

机械国有重点企业连续3年增长超20%

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统计显示,虽然2005年制约机械工业发展的外部因素增加,但50户机械行业国有重点企业凭借自身的行业领先优势,经济总量延续了3年以来20%以上的较快增长。2005年,强劲的出口增长成为机械行业全年发展的亮点,前11月机械行业国有重点企业完成出口交货值160󰀁9亿元,同比增长47󰀁2%,增速同比加快18󰀁5%。

󰀁起重运输机械󰀁󰀂2006(2)