有轨线路系统工程中空气制动的限制与影响

空气制动系统是轮轨系统列车必备的制动方式。

（一）闸瓦制动力的产生与传递

制动一般在牵引力为零（即列车惰行）的情况下进行。空气制动系统，通过对列车管排气，使制动缸内的空气压力增加，并将压力传递至闸瓦。闸瓦压紧车轮，引起轮轨接触点产生与列车运行方向相反的钢轨反作用力，阻止列车前进，该力即为制动力，如图5-6所示。

（二）闸瓦制动力计算

一个轮对的空气制动力Bz 可用式（5-32）计算：

图5-6　闸瓦制动示意图

1—制动缸； 2—基础制动装置； 3—闸瓦； 4—车轮； 5—钢轨。

式中　∑K——一个轮对所受闸瓦压力总和，kN；

　　　φk——车轮与闸瓦间的摩擦系数。

机车车辆的闸瓦压力由制动缸提供，其大小与制动缸的空气压强、基础制动装置的传动效率等因素有关。

（三）制动力的限制

空气制动属于黏着制动，所以制动力也受轮轨间黏着条件的限制。轮对的最大制动力Bzmax 为

式中　pz——制动轴上的荷载，t；

　　　g——重力加速度，取9.81 m/s2；

　　　μ——轮轨间的黏着系数。

当Bz max ＞pz·g·μ 时，轮对将在钢轨上发生滑行（车轮被“抱死”，不转动），引起轮轨间的剧烈摩擦。制动力大幅下降，使制动距离延长，轮轨磨耗加剧。这种现象在列车低速（φk 值较大）和空车（pz值较小）时最易发生。为了避免这一情况，在标记载重50 t及以上的大型货车制动机上，都设置空重车制动调整手柄，当手柄在空车位时，制动缸会与降压风缸相通，以减少制动的闸瓦压力K，达到减小最大制动力Bz max 的目的。在计算这类大型货车制动力时，应按空车、重车区分对待。

（四）闸瓦摩擦系数分析

闸瓦摩擦系数φk 主要受以下几个因素的影响。

（1）闸瓦材质。铸铁闸瓦中含磷量低，闸瓦的硬度过大，随着列车速度的增加，φk 容易下降。反之，若含磷量高，虽然提高了制动效果，但闸瓦的脆裂性及与车轮踏面的硬性磨耗也是很大的缺陷。所以中国铁路近几年来逐渐取消铸铁闸瓦的使用。自2010年起，中国铁路积极研制推广金属与非金属相结合、性能优良的合成闸瓦。货车已形成了适合120 km/h和90 km/h速度等级的高摩擦系数合成闸瓦（简称H闸瓦）和低摩擦系数合成闸瓦（简称L闸瓦）。

（2）列车运行速度。列车运行速度越高，φk 越小，这与列车运行安全的要求不一致。所以高速行驶的列车，需要其他制动方式（如动力制动）予以辅助。

（3）闸瓦压强。闸瓦压力K取决于闸瓦压强。试验结果表明，在一定条件下（如闸瓦压强小于3 000 kPa），闸瓦压强越大，φk 越小。因此，增加制动力通常通过增加闸瓦数量、加大闸瓦与车轮的接触面积（如“双侧制动”）、降低闸瓦压强等方法来实现。

（4）制动初始速度。试验发现，在材质、闸瓦压强相同的情况下，制动的初始速度越小，则φk 越大。

此外，φk 还与气候条件、车轮踏面的清洁状况、闸瓦的温度等诸多因素有关。

《牵规》推荐的闸瓦和盘形制动闸片的φk 经验公式如下：

（五）列车制动力计算

1.计算方法

列车制动力计算有实算法和换算法两种方法。

（1）实算法。列车各制动轴产生的制动力总和称为列车制动力（B），基本计算公式如下：

式中　K1，K2，…，Kn——机车及各类车辆的实算闸瓦压力，kN；

　　　φk1，φk2，…，φkn——对应于K1，K2，…，Kn 的实算摩擦系数。

由于实际列车编组中车型（制动机）很复杂，而且实算摩擦系数φk 与初速度和各瞬时速度相关，计算很繁琐。因此，为了简化计算，《铁路技术管理规程》（2014年）（简称《技规》）推荐采用换算法。

（2）换算法。该方法的实质是假定闸瓦摩擦系数与闸瓦压强无关，用列车中各闸瓦取定的一个固定闸瓦压力Kh（称换算闸瓦压力）的总和乘以闸瓦的换算摩擦系数φh 来计算列车制动力。

为了使两种方法的计算结果一致，换算闸瓦压力Kh 的修正原则为

2.列车制动力的换算计算

（1）换算摩擦系数。根据我国目前车辆的实际装备情况，《牵规》推荐的L闸瓦和H闸瓦的换算摩擦系数按每块闸瓦的实算闸瓦压力K=20 kN代入式（5-34）和式（5-35）计算：

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高摩擦系数合成盘形闸片的换算摩擦系数按每块闸片的实算闸片压力K=20 kN并折算到车轮踏面的K值计算，即

（2）换算闸瓦压力。根据近几年我国铁路车辆H闸瓦和L闸瓦已替代了高磷铸铁闸瓦的实际情况，《技规》重新颁布了机车和车辆的换算闸瓦压力值，见表5-6和表5-7。

表5-6　机车计算质量及每台换算闸瓦压力

续 表

注：1.表中数据为铸铁闸瓦换算闸瓦压力（500 kPa定压条件）。
2.新型机车根据120 km/h速度下紧急制动距离在1 100 m以内的要求计算，括号内的数值为按H闸瓦换算的闸瓦压力。

表5-7　车辆换算闸瓦压力

续 表

注：1.按H闸瓦计算，括号内数值为按铸铁闸瓦计算。
2.空重车自动调整装置的空重位压力比为1∶2.5；对装有空重车手动调整装置的车辆，当车辆总重（自重+载重）达到40 t时，按重车位调整。
3.旅客列车、特快及快速货物班列自动制动机主管压力为600 kPa，其他列车为500 kPa。长大下坡道区段货物列车及重载货物列车的自动制动机主管压力，由铁路局根据管内相关试验结果和列车实际操纵需要可提高至600 kPa。
4.快运货物班列车辆和货车以外的其他车辆，在列车主管压力为500 kPa时的闸瓦压力，按600 kPa时的闸瓦压力的1∶1.15换算。

3.列车换算制动率与列车单位制动力

列车换算制动率θh 是列车换算闸瓦压力∑Kh 与列车质量（∑P+G）g之比，它是反映列车制动能力的参数。

列车单位制动力b可写成：

式中　∑Kh——机车换算闸瓦压力与车辆换算闸瓦压力 之和，kN。

4.列车制动力计算简化

为了简化列车制动力计算，《技规》和《牵规》作出如下规定：

（1）列车换算制动率，在紧急制动时，取全值；解算列车进站制动时，取全值的50%；计算固定信号机间的距离时，取全值的80%。一般情况下，途中调速常用制动（减压量在90～100 kPa之间），也取全值的80%。

（2）因为牵引货物列车的机车闸瓦压力与货车闸瓦压力接近，机车重量占列车总重量很小（【例5-3】中，机车重量占列车重量的3.2%）。进一步简化列车制动力计算时，可忽略机车的闸瓦压力及其重量。

（3）对于盘形制动旅客列车的机车，需要将表5-6中的机车闸瓦压力按表5-8换算成合成闸片的换算闸瓦压力。简化计算时可取列车制动初始速度为100 km/h左右的换算闸瓦压力比。如表5-6中的HXD1 型机车，H闸瓦换算的闸瓦压力320=900×0.355（列车制动初始速度为95 km/h）。

表5-8　不同闸瓦制动距离平均摩擦系数检验标准比较

【例5-3】 一列车由SS1 型电力机车牵引的货物列车由50辆（满载，H闸瓦）重车组成。其中，标记载重60 t的4轴P62K 型棚车30辆（自重24 t）；标记载重60 t的4轴C62A 型敞车20辆（自重21.7 t）。自动制动机列车主管压力为500 kPa。计算要求如下：

（1）计算该列车的闸瓦压力（机车H闸瓦压力换算系数取0.355）。

（2）试用换算法计算列车减速至40 km/h时的列车制动力。

（3）试求40 km/h时列车的换算制动率和单位制动力。

【解】 （1）查表5-6可知，SS1 型电力机车的铸铁换算闸瓦压力为830 kN/台。由表5-8可知，换算H闸瓦压力为830×0.355=295（取整）kN。P62K 型和C62A 型重车的总重分别为84 t和81.7 t，均为4轴车，因此它们的轴重均不超过21 t。查表5-7可知，车辆换算闸瓦压力均取145 kN/辆。

列车的换算闸瓦压力为

（2）由式（5-40）可计算H闸瓦换算摩擦系数为

列车制动力为

（3）SS1 型电力机车P=138 t，G=30×84+20×81.7=4 154 t

由式（5-42）可计算列车换算制动率为

由式（5-43）可计算列车单位制动力为