铁路车辆制动系统发展及关键因素分析

工程科学与技术，国际期刊23（2020）421完整文章铁道车辆Mustafa Günaya，Mehmet Erdi Korkmaza，Ramazan Özmenba机械工程，Karabük大学，土耳其b机电一体化工程，Karabük University，Karabük，土耳其阿提奇莱因福奥文章历史记录：收到2019年2020年1月6日修订2020年1月26日接受2020年2月4日在线提供关键词：铁路制动系统制动盘制动片盘垫材料A B S T R A C T在不同条件下的高安全性和舒适性要求铁路车辆制动系统的发展。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。本文综述了盘式踏面制动器、动力制动器、空气动力制动器、真空制动器、电空制动器等制动系统制动系统分为两大类，即附着力相关制动器和独立制动器。对制动盘-衬块机构进行了评价，它是所有制动系统中最重要的部件，特别是对货运和高速列车的安全运行在这种情况下，实验和数值分析研究的相互作用的制动系统部件，包括制动盘垫的几何形状和材料性能已被认为是。因此，建议在有限元建模和样机制造的基础上进行研究和开发，以生产与轨道系统车辆兼容的高效和安全的制动系统。从这些研究中获得的信息将间接促进可持续性。此外，这项审查研究侧重于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机构和组织©2020 Karabuk University. Elsevier B.V.的出版服务。这是CCBY-NC-ND许可证（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。1. 介绍交通运输是实现资源短缺和可持续发展的先导领域之一，在实现资源短缺和可持续发展中起着重要作用。然而，许多铁路运输问题是由于制动系统故障[1]。铁道车辆的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、气动等发生的许多事件。这些操作以不同的密度发生在车辆的各个点，并影响列车的几个部分。这些操作的适当相互作用是提供有效、准确和安全制动作用的主要困难[2]。然而，制动实际上是能量平衡事件，其中制动系统通过将运动车辆的机械能改变为另一种形式来降低车辆速度。车辆的机械能大部分转化为热能并传播到环境中[3]，或通过再生制动转化为电能以降低总能量*通讯作者。电子邮件地址：merdikorkmaz@karabuk.edu.tr（M.E.Korkmaz）。由Karabuk大学负责进行同行审查。成本[4]。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，因此在制动器设计时必须加以考虑[5]。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通常用于铁路车辆。这些系统是重型单位受到较高的接触压力，温度，摩擦和水分。这样的运行条件会导致制动系统部件和导线的严重磨损频繁更换制动块或制动盘[6]。因此，改进制动系统的设计是一个重要的实际问题。蹄式制动装置设计简单，具有成本优势。但是由高的重负载导致的较高的热负载限制了期望的制动性能这个系统。这是高速客运车辆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。 制动系统在工作过程中存在大量的接触干扰和散热过程，这使得制动系统的数学仿真变得困难和复杂。因此，为了正确的模拟，必须同时考虑动态、摩擦学和热机械事件[7]。https://doi.org/10.1016/j.jestch.2020.01.0092215-0986/©2020 Karabuk University.出版社：Elsevier B.V.这是一篇基于CC BY-NC-ND许可证的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。可在ScienceDirect上获得目录列表工程科学与技术国际期刊杂志主页：www.elsevier.com/locate/jestch422M. Günay等人/工程科学与技术，国际期刊23（2020）421X¼：G第三、第六条I¼DoG;随着时间的推移，各种制动系统因许多不同的因素而被开发出来，例如结构、设计和操作、车辆速度、轴载荷和类型、车辆的结构和技术特征、交通状况等。在更高性能制动片的开发过程中，制造商和研究人员在各种载荷、滑动速度、温度和压力下进行了全车道路和实验室规模的测试。事实上，本发明在制动垫设计中需要基于实验室开发和使用中控制的频繁测试方法，范围从“小样本磨损测试”到“道路上全尺寸车辆测试”。制动片新配方的研究一般采用实验和经验方法进行表征试验。然而，通过性能试验[9]检查了制动片的使用效率，即在紧急、累积和减速制动情况下的衰减和恢复行为。此外，铁路当局规定了所有货运和客运列车制动器安全操作的最低安全标准[10]。另一方面，非常严格的特征应用于制动系统维护，这意味着低成本和长寿命。因此，不同成分的相互作用和一般设计和实际能力，以在紧急制动期间发生的最大制动力使车辆从最大运行速度减速。列车的重量和运行速度、制动器类型、制动设备的功能和设计特性、制动特性和热事件是影响制动能力的一些最重要的因素。铁路车辆的类型、长度和组成为列车制动能力的评估增加了一些额外的参数。因此，准确和一致地评估制动能力变得困难[16]。最大可实现的制动力的量是粘着依赖的轮轨制动系统的关键特征。主要要求是轮轨接触表面上的制动力Fb，max不超过正常条件下考虑的用于设计目的的轮轨粘附力Fa（方程式10）。① ①）。Fb;max≤Fa≤ 1考虑具有Qv重量的车辆，等式（1）如果配备有“n”制动蹄，则接受特殊表达（图 1 a）：耦合效应的影响使得难以开发有效的制动器Fb;maxn1/1 .ls：Ps;iQ≤la：Qvð2Þ衬垫材料。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是最常见的最重要的确定光盘材料选择的参数，n制动盘（图1b）：4：ld：rmPn1.Pdi垫是温度。由于车辆的动能通过摩擦力转化为热能，因此最重要的变形与热有关。在经典铁路车辆中，制动盘表面的最高温度可达到近600°C[11，12]。有研究者发现，铁路车辆制动后制动盘摩擦表面存在热由于反复制动和环境条件，使用锻钢生产的制动盘会受到剧烈的温度变化。特别是当铁路车辆以300 km/h的平均速度运行时，经过多次制动循环，在制动盘和制动片的摩擦表面上出现热区和热裂纹[13，14]。在开发的制动系统中，由于诸如重量、制动时间、磨损和耐高温性等参数的组合，制动系统部件由各种材料制造。在制动系统中，相互直接作用的部件的材料和几何特性非常重要。从这个意义上说，盘式制动系统中的粘着制动组在高速上应用非常有效式中：la为轮轨界面粘着系数，Ps和Pd分别为制动蹄和制动盘上的夹紧力，而制动蹄/踏面并且制动衬块/盘界面分别由Ls和Id给出D0和Rm依次为车轮直径和平均摩擦力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、接触表面压力和温度。车轮踏面与铸铁闸瓦之间的摩擦系数在很大程度上取决于接触压力、施加在每个闸瓦上的力以及车辆的瞬时行驶速度。在实际计算中，通过试验得出了车轮与铸铁闸瓦间摩擦系数的各种经验关系式。其中之一是在Eq。（4）.这里，V（km/h）、Ps（kN）和g参数分别表示运行速度、作用在制动蹄上的力和重力加速度。火车应该有不同的处理方式在这项研究中，详细的信息-10V 100《古兰经》49：3; 6：第875章：你是我的女人ð4Þ关于铁路车辆制动系统的信息，制动系统制动系统设计中的力学、制动盘-制动垫材料和第35章：一个人第2860章：你是我的女人对这些材料的选择进行了研究。2. 铁路车辆制动铁路车辆制动系统最重要的任务是在不损害可靠性原则的情况下执行其功能。在这个意义上，制动系统将运动车辆的全部或部分动能转换成其他形式的能量以降低速度。如有必要，制动系统会将车辆置于静止位置。它还有助于防止由于斜坡上的重量而产生的力，以保持车辆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营速度支持足够的制动能力，以确保行车安全。列车或铁路车辆的制动能力是一个重要的特征，制动衬块的摩擦系数约为0.35，塑料基复合材料制动衬块的摩擦系数约为0.25根据国际法规，考虑到上述运行速度依赖性和高摩擦系数（0.35）值，使用盘式制动系统作为运行160 km/h或更高速度的铁路车辆的主制动系统是强制性的制动片和制动盘之间摩擦界面的温度应保持在350在实践中，热状况表明，即使在高速车辆上，也必须在轮对上安装多个制动影响基本制动力的因素之一是车辆的质量，并且与车辆减速期间必须分散的动能有关由于车辆的质量差异很大，因此应调整制动力，以防止车轮打滑和锁定、制动距离延长以及列车内动态纵向反作用力的发展这种情况可以通过两种技术解决≤la：Qv≤3μmM. Günay等人/工程科学与技术，国际期刊23（2020）4214231000^p21μm·r22·2019年12月27日Fig. 1. 粘着力相关的轮轨制动力。a）制动片b）盘式制动器[16]。与车辆的运行速度和类型相一致的方法。第一种是分级制动系统，可用于结构运行速度小于120 km/h的载重货车。此外，第二个是自调节负载比例制动系统，对于以120 km/h或更高速度运行的客运和货运货车是强制性的。车辆或列车从紧急制动命令开始行驶的距离通常被定义为制动距离。这是从最大运行速度到通过使用可用全制动的紧急制动命令容量因此，在确定制动距离时，对于装有经典UIC空气制动器的铁路车辆，方程式中的j常数一般取0.5。建议的j常数在0.54和0.7之间，取决于制动类型和列车长度。考虑到效果-在有效的制动空间中，车辆或列车的动能（Ek）和势能（Ep）由阻力和制动功分配。由于轨道车辆在旋转时具有显著的质量，因此旋转的动能不应被忽略：m·V2I：w2 m·V 2。 我第二节制动系统的可靠性和铁路的地理结构[16]。此外，信号系统通知列车轨道上是否有列车，以及列车是否将移动到轨道的不同点，以确保安全运行。使用信号非常重要，因为铁路车辆的制动距离大于其他车辆[17]。在确定制动距离Sb时，制动准备的空间Sp（m）和有效制动直到停止的空间Sef(m)是一起考虑的。制动准备空间（Sb）包括驾驶员操作制动阀直到所有制动缸上达到最大压力的事件。制动距离如下所示：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为单位的车轮组件的惯性矩，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。势能取决于移动的距离-以mm为单位的距离s、以mm/m为单位的轨道坡度i和重力加速度（g= 9.81m/s2）。E p<$m·g·s·我爱你因此，根据先前提出的评估，有效制动距离（Sef）可以从等式（1）中找到。（9）：Sb¼SpSef 5m V2：Max公司简介þ0通常，在单个车辆或列车制动的情况下，电力指挥部预计将立即2011年1月1日：2μm：g：Sef：1000¼EFFB DS0EF简体中文通过火车。在制动准备空间的计算Sp，制动命令期间列车的速度，考虑了填充期间的压力演化时间。在充注压力达到最大值后，可使用以下公式计算Sp这里，瞬时最大制动力为Fb= f（v等）。阻力为R = f（v，v2，etc.）. 考虑到给定的问题，指的是由制动引起的与铁路车辆的运行安全有关的实际问题，不仅针对每个铁路车辆，而且还针对加速列车的制动能力，其允许加速，有必要定义一个特定的术语SVmax：tf第三、第六条ð6Þ这将准确和充分地确定根据其特征参数这个术语被称为制动质量，以吨表示。它具有一般性，需要考虑的因素包括运行速度、车辆质量、根据类型和运行特性产生的制动力Ek¼2þ2¼¼424M. Günay等人/工程科学与技术，国际期刊23（2020）421PXBCBCXM公司简介VMvMPl：：或大于车辆的质量，也没有物理反应制动质量的描述通常是保守的dFbnPPN¼nBnb16由于货运列车采用广义手制动。在粘着制动系统中，必须限制最大制动力以防止车辆过度制动。对于配备UIC制动系统的车辆，最大制动力Fb;max可通过以下公式计算Fb;max¼lamvg10当编辑Eq. （十二）：Vo2：v：M 1S¼2：n ：B17和V2这里，m是车辆的质量，g是重力加速度，S¼0：v：：1ð18Þvity，l为轮轨粘着系数（l0 33 12：nB一0： 011V）a¼：=车辆的制动距离可以简单地由上面给出的表达式来计算。然而，更准确的结果可以在目前的情况下，不仅建设和运行在确定制动质量时，不仅要考虑安装在车辆上的制动设备的性能，而且还要考虑控制制动运动的许多过程和事件。例如，应考虑瞬时运行速度下的摩擦特性、特定接触压力和力、环境条件以及这些条件对轮轨粘着之间的摩擦系数的影响、确定制动速率的特定气动事件、热事件的影响以及车辆/列车阻力等。因此，制动质量的量依赖于多个参数、操作和复杂事件，这使得分析计算和证明实际制动运动的准确性极其困难。因此，铁路车辆制动质量的确定主要基于试验和实验，但在某些特定情况下，存在基于应用测试结果的关系。制动质量测定程序和方法见UIC 544-1。实际上，制动质量b定义为列车或车辆的制动质量B（t）与质量M（t）之间的百分比，并由[13Bb¼·100%11分给定最简单的情况，最简单的质量M受到通过使用车辆的运动方程获得制动距离考虑到行驶距离x、总向前运动阻力W和质量因数q，受Fb制动力作用的行驶车辆的位移方程可如下给出[19]。Fbt;x_W <$qmv€x19基本制动系统基于摩擦力，一般包括作用于车轮踏面的铸铁或复合制动块，或作用于制动盘的复合衬垫由基于摩擦的制动器确定的制动力通常可以通过哥伦布定律来评估Fb½kl20分钟这里，Ni是制动片或制动块上的总作用力，l是相关摩擦系数。利用该方程，可以得到基于摩擦的系统的制动力然而，在这方面，由于制动系统的具体结构，该方程也是通过考虑不同的参数给出的。如果盘式制动系统的每个制动盘上都有特定的制动衬块，制动缸活塞杆自动调节，则制动缸中的空气压力pbc在该系统中，制动力FbD由下式给出：在给定的V0运行速度下，恒定的减速度d、制动空间S和停止时间t可以通过常见的机械关系式找到：FbD¼gbclDpbcpd24-FF-FR-1，4rmD0gr2112Vo2S2：d：t Vo！ S¼ 2：d12列车的总制动力Fb与作用在车轮踏面上的制动蹄或制动衬块相对于盘PN的整个法向施加力成比例：F 公司简介这里，gbc D BC 制动器的数量和直径气缸，分别。机械效率和乘数-分别用gr和ir该系统使用回簧将制动装置组件返回到初始位置。选择。在制动过程中，制动装置调节器和制动缸中的后弹簧产生FR和FF阻力。还有，B比率系数n可以是n=1s。轮与闸瓦之间的摩擦系数。对于配备盘式制动器的车辆，n=104：rmm=Do：ld（ld制动片和盘之间的摩擦系数Do是车轮直径，rm是平均摩擦半径。mD、D0和rm依次表示盘/垫之间的摩擦系数、车轮的直径和摩擦半径。在铸铁闸瓦的情况下，制动力FbC由[20]给出：根据车轮的线速度V（m/ s）和施加在制动片上的压力Ps，给出车轮与铸铁制动蹄之间的摩擦系数[18]FbC¼gbclC“。pbcpd24-F！iC-FR#ivgDgr221001V100056Ps2019 - 05- 2600：00：00此外，制动质量与整个正常施加力成比例：B¼v·PN1500比例系数v取决于车辆的结构和操作特性。忽略了其他电阻，并考虑制动质量百分比的描述（11））：在该方程中，总增加比iRC取决于中心制动装置的增加比iC、三角形的数目、轴nD和垂直杠杆放大比iv。而摩擦系数lD与其它参数无关，并且车轮取决于车轮的速度V和施加在制动衬块Ps上的压力。并给出了一些经验关系式 车轮和铸件之间的摩擦系数-铁刹车其中之一是在Eq。（14）根据车轮的线速度V（m/s）和施加在制动片上的压力P[18]。M. Günay等人/工程科学与技术，国际期刊23（2020）421425在上面给出的制动力方程中，与制动装置设计相关的一些特定项可以假设为类似车辆的恒定变量，例如：制动缸、制动盘、制动块和制动蹄的数量和尺寸因此，每个车辆的基本制动系统的操作和结构特征可以由等效的通用项n表示。另外，制动缸上的活塞杆直接取决于实际的制动缸中的空气压力pbc。考虑到这一点，制动力方程可以推广，并给出一个概括的表达式。Fbtnlpbct23瞬时制动力可通过了解最高考虑制动力F b，max、制动期间气缸中的空气压力变化p bc（t）、气缸中的最大空气压力p bc，max和紧急制动期间铸铁制动块上产生的最大法向力N max/块来评估。 对于装有盘式制动器和蹄式制动器的车辆，方程分别以下列形式给出[21]：对与附着力无关制动方法如空气动力学、涡流和电磁制动感兴趣。3.1. 空气和真空制动器空气制动系统广泛用于商用车辆，例如卡车、公共汽车、火车等。铁路车辆通常配备有使用压缩空气将盘或块上的垫推到车轮的制动系统。该系统被称为空气或气动制动器。压缩空气通过制动管在列车中输送。管道中的气压水平变化导致每个货车的制动器状态变化[24]。最简单的空气制动系统称为直通空气制动系统.由于交通安全的要求，直线空气制动控制只使用了很短的时间。短时间使用的主要原因是制动器因故障或泄漏而完全释放在没有警告驾驶员并且没有恢复制动动作的可能性的情况下，直线制动系统的使用包括几个缺点，例如延长了整个制动过程中的制动传播周期。Fb-圆盘0，如果pbc不超过0： 4bar

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