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工業(yè)制動(dòng)器襯片摩擦特性測(cè)試
摘要
在目前的研究中一個(gè)新的制動(dòng)設(shè)置了測(cè)試鼓制動(dòng)器摩擦襯片工業(yè)制動(dòng)器與滾筒直徑為30。在安裝程序進(jìn)行的測(cè)試，制動(dòng)經(jīng)過一系列的循環(huán)中，鼓是從服務(wù)速度降低到停滯放緩。在每個(gè)周期的相同數(shù)量的能量耗散一個(gè)現(xiàn)實(shí)的安全停止。這是通過添加在安裝飛輪使系統(tǒng)的動(dòng)能在服務(wù)速度相匹配的吊裝系統(tǒng)消耗緊急停止時(shí)獲得的能量。兩種不同的制動(dòng)李寧材料進(jìn)行了表征。這兩種材料進(jìn)行兩個(gè)系列的試驗(yàn)研究在多個(gè)周期系數(shù)摩擦力的變化。據(jù)觀察，對(duì)襯片摩擦系數(shù)是依賴于鼓度。隨著鼓溫度的升高第一材料的摩擦系數(shù)降低，后者則有相反的行為。
關(guān)鍵詞：鼓式制動(dòng)器，摩擦，測(cè)試，摩擦系數(shù)，溫度介紹簡介應(yīng)用彈簧，電釋放鼓式制動(dòng)器在工業(yè)環(huán)境中使用，如鋼米爾斯，控制起重機(jī)以及起重機(jī)的起重設(shè)備的運(yùn)動(dòng)。這種起重機(jī)通常由電動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力，但盡管提升機(jī)電動(dòng)機(jī)通常是為了產(chǎn)生更大的扭矩，減小輸出速度提升升降重物的一個(gè)可接受的水平，但它仍然可能是由電機(jī)升降過程中的電氣故障的情況下一個(gè)沉重的驅(qū)動(dòng)對(duì)象。這種危險(xiǎn)的情況被稱為塊下降。停止電機(jī)在塊下降，案例應(yīng)用彈簧，電釋放鼓式制動(dòng)器使用。這些制動(dòng)器包含重型彈簧推動(dòng)制動(dòng)蹄對(duì)與電機(jī)或傳動(dòng)輸出軸旋轉(zhuǎn)的鼓?？s回彈簧，內(nèi)置電磁已被供電。電磁閥一般是連接在電機(jī)的電路，當(dāng)電源輸給電動(dòng)機(jī)，電磁閥也失去權(quán)力，允許彈簧將制動(dòng)蹄對(duì)鼓，從而防止電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)自如。當(dāng)塊出現(xiàn)下降，鼓式制動(dòng)器是封閉的，停止起升載荷下降并保持在它的高度。但在試圖解決起重機(jī)的電氣電路的故障，它是將負(fù)載安全上重要的。正常的程序是使用手動(dòng)控制備份電路一會(huì)兒打開制動(dòng)。防止過快的下降速度，剎車片刻后關(guān)閉再次，停止加載。這些行動(dòng)是重復(fù)幾次，直到負(fù)載降低完全。在這個(gè)過程中，制動(dòng)鼓材料分別考驗(yàn)，因?yàn)榭傌?fù)荷必須放慢多次在沒有起重設(shè)備的牽引的幫助。
制動(dòng)鼓的制動(dòng)力不僅取決于由彈簧施加的力，而且所使用的材料在制動(dòng)蹄與制動(dòng)鼓之間的摩擦特性決定的。在使用過程中的摩擦材料的行為是因?yàn)槿狈蓪?dǎo)致制動(dòng)摩擦滑移由于沉重的負(fù)荷。然而，摩擦系數(shù)（COF）太高會(huì)使?jié)L筒軸和可引起高鼓的溫度和在滾筒可導(dǎo)致裂縫在鼓面甚至鼓斷裂高動(dòng)態(tài)負(fù)載。如今，摩擦材料的使用范圍很廣，但是已知的從張和王這些材料的行為是高度依賴于它們的組合物和使用條件。通過對(duì)小樣本進(jìn)行了一系列的測(cè)試，他們發(fā)現(xiàn)的摩擦性能和耐磨性的材料相同的材料在改變負(fù)載，滑動(dòng)速度，和溫度。在另一篇研究表明也鼓材料C一對(duì)制動(dòng)摩擦學(xué)性能的影響由于在特定的熱容量和熱導(dǎo)率的變化。因此，當(dāng)新的制動(dòng)材料的開發(fā)，仍有必要進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試來表征在與滾筒的材料組合的李寧的材料。除此之外，它是已知的，壓力分布是不均勻的傳播由于鼓和制動(dòng)蹄和動(dòng)態(tài)效果的幾何偏差在制動(dòng)表面。這意味著，對(duì)摩擦材料不能用于對(duì)全制動(dòng)性能做出可靠的預(yù)測(cè)，小規(guī)模的試驗(yàn)結(jié)果外推。因此，在大多數(shù)情況下的全面測(cè)試，得到的制動(dòng)性能準(zhǔn)確的信息的唯一選擇。
全面的測(cè)試設(shè)置
鼓式制動(dòng)器的設(shè)置原則
在以往的研究中，建立了量化的摩擦行為在連續(xù)制動(dòng)。在這種情況下，局部摩擦強(qiáng)度的假想摩擦段改變制動(dòng)過程。這一過程稱為熱不穩(wěn)定原因，超過臨界速度，在摩擦諧波變化的穩(wěn)態(tài)制度?？梢酝ㄟ^有限元分析，準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)。然而，在的情況下，塊下降和程序安全地降低負(fù)載后，短暫的政權(quán)是感興趣的區(qū)域，因?yàn)闆]有達(dá)到穩(wěn)態(tài)政權(quán)。為此，一個(gè)新的安裝程序是用來模擬一個(gè)更好的方法塊下降現(xiàn)狀。
在新安裝的制動(dòng)器進(jìn)行了一系列的周期中，鼓是從服務(wù)速度慢下來休息。當(dāng)然有一個(gè)現(xiàn)實(shí)的情況，應(yīng)該有同等數(shù)量的能源消耗在一個(gè)周期為一個(gè)真正的安全停止。要獲得此，慣性系統(tǒng)的質(zhì)量矩是這樣一種方式，在服務(wù)速度系統(tǒng)的動(dòng)能將匹配的最大的能量被消耗在緊急情況下選擇。
在下面的文章中，首先，測(cè)試設(shè)置的詳細(xì)信息一起提交獲得摩擦系數(shù)計(jì)算方法。以后的兩種不同的制動(dòng)李寧材料試驗(yàn)數(shù)據(jù)將被討論。
測(cè)試設(shè)置的描述
正面設(shè)置的剖視圖示意圖顯示在圖1和2。總的觀點(diǎn)是建立在fig.3.the設(shè)置了包括應(yīng)用和電氣安全制動(dòng)釋放M 30型彈簧，其鼓（1）是由一個(gè)直流復(fù)合驅(qū)動(dòng)（在100千瓦5000 rpm）電機(jī)（17）。制動(dòng)力由彈簧施加（4）推動(dòng)制動(dòng)蹄對(duì)鼓（2）。李寧不同摩擦材料（3）可以被安裝在制動(dòng)蹄在剎車試驗(yàn)他們的行為。制動(dòng)壓力可以通過螺栓調(diào)節(jié)彈簧壓縮（5）和可變化之間的0和16.6 N / cm2.the后者對(duì)應(yīng)于最大制動(dòng)力矩約10 kNm一COF之間的鼓和摩擦0.6.to李寧打開制動(dòng)電磁閥（6）供電牽引部分（7）的左側(cè)和壓縮彈簧。
圖1原理前視圖的鼓式制動(dòng)器設(shè)置
圖2示意剖面視圖的鼓式制動(dòng)器設(shè)置
為了獲得一個(gè)系統(tǒng)，包含足夠的動(dòng)能來模擬真實(shí)的塊的下降情況，驅(qū)動(dòng)輪（8）是用來增加系統(tǒng)的慣性。鼓（1）和驅(qū)動(dòng)輪（8）是由主軸進(jìn)行（10）。驅(qū)動(dòng)輪連接主軸使用兩個(gè)鎖緊組件（9）。主軸是由兩個(gè)自調(diào)心球軸承支承（11）是由一個(gè)彈性爪型聯(lián)軸器連接到直流電動(dòng)機(jī)（12）。
滾筒和驅(qū)動(dòng)輪具有相同的直徑30或760毫米。對(duì)不同的設(shè)置，旋轉(zhuǎn)部件在表1中給出的慣性矩。滾筒，驅(qū)動(dòng)輪，與主軸貢獻(xiàn)最大的系統(tǒng)的慣性矩的部分。由于顎耦合，直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)和6公斤?M2慣性安裝其他旋轉(zhuǎn)部件必須加以考慮。這給設(shè)置一個(gè)總內(nèi)TIA 95.1公斤?平方米在422 kJ的總動(dòng)能在900轉(zhuǎn)的服務(wù)速度的時(shí)刻。因?yàn)榭傊苿?dòng)蹄的面積是0.28平方米，在每個(gè)制動(dòng)周期的平均能量密度大約是1500 kJ / m2.in以前的研究severin5制動(dòng)與25鼓散熱168 kJ在每個(gè)制動(dòng)周期從900轉(zhuǎn)的服務(wù)速度開始被使用，提供約1100 kJ / m2.hence本研究建立的能量密度是可以申請(qǐng)一個(gè)更高的能量密度為材料，從相同的服務(wù)速度出發(fā)。
在制動(dòng)周期，滾筒和驅(qū)動(dòng)輪提出服務(wù)速度，而剎車是開放的。一旦達(dá)到900 rpm的速度，電機(jī)的功率開關(guān)合閘。當(dāng)最后鼓來休息，制動(dòng)打開再次和周期重復(fù)的。
在測(cè)試過程中，轉(zhuǎn)速的測(cè)量采用全站儀安裝在電動(dòng)機(jī)和滾筒的表面溫度持續(xù)使用sp我- TEC 2005d紅外傳感器測(cè)量（見（18）圖）?？刂葡到y(tǒng)的所有信號(hào)的測(cè)量，通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行與德克薩斯儀器bnc-2110數(shù)據(jù)采集卡和LabVIEW編程。速度，表面溫度和負(fù)荷傳感器的力被記錄在五個(gè)樣本的頻率/二。
為了制動(dòng)轉(zhuǎn)矩測(cè)量，制動(dòng)器是安裝在兩個(gè)傾斜的表面（13）和（14），可以看出在fig.1.these兩支撐在支撐面垂直于兩個(gè)建筑線A和B的鼓在逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)的方式制作，在支持反應(yīng)力（14）可以是負(fù)的。針對(duì)這種力的部分（15）存在時(shí)，其接觸面平行于接觸表面（14）。一個(gè)傳感器（16）與一個(gè)容量為20 kN安裝500毫米的滾筒旋轉(zhuǎn)的中心在制動(dòng)過程中制動(dòng)。將嘗試與滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)。傳感器將防止這種情況發(fā)生，將應(yīng)用一個(gè)力FL（N）。由于傳感器是剛性的，實(shí)際的旋轉(zhuǎn)是非常小的剎車在傾斜的表面的位置（13）不會(huì)發(fā)生明顯變化。因此，在支撐反作用力在連接線A和B在fig.1.this對(duì)齊方式的反應(yīng)力向量通過中心E的滾筒的旋轉(zhuǎn)和反力，不利于在力矩平衡這一點(diǎn)。計(jì)算摩擦系數(shù)的摩擦系數(shù)可從所施加的制動(dòng)力矩MB計(jì)算，這可以從測(cè)得的傳感器FL表達(dá)在鼓的中心的力矩平衡力的計(jì)算（圖1）：
MB = FL?0.500°FG?E（NM）（1）
（N）的FG制動(dòng)重力和E（M）的質(zhì)量中心到滾筒的旋轉(zhuǎn)中心的偏心。制動(dòng)器的引力常數(shù)，因?yàn)橹苿?dòng)器的實(shí)際轉(zhuǎn)動(dòng)很小，偏心率可以也被認(rèn)為是恒定的。當(dāng)制動(dòng)是開放的，沒有施加制動(dòng)力矩，但因其制動(dòng)質(zhì)量偏心，還有應(yīng)用于傳感器的力。在這種情況下（MB = 0）公式1成
在佛羅里達(dá)州是一個(gè)測(cè)量值。通過這種方式為3136 nm的FG?E值被發(fā)現(xiàn)約1噸。隨著制動(dòng)的質(zhì)量，得到一個(gè)估計(jì)的偏心距0.31米。在計(jì)算產(chǎn)品的成品?E用。偏心率的估計(jì)值是只提到一個(gè)例子。
從制動(dòng)力矩計(jì)算公式1，MB，COFμ可以在下面的部分解釋計(jì)算。如圖如圖4所示，制動(dòng)壓力P（n／m2）乘以系數(shù)，在制動(dòng)蹄表面綜合等于制動(dòng)力矩MB：
從兩個(gè)制動(dòng)鞋是現(xiàn)在式結(jié)果因子2可以簡化方程3。
因此，B制動(dòng)蹄的寬度（0.300米），R制動(dòng)鼓的半徑（0.380米），P平均制動(dòng)壓力測(cè)試中（8.1 N /平方厘米= 8.1?104 N/m2）和α一制動(dòng)蹄角的一半35°或0.611 RAD）。與上述數(shù)值方程成為一個(gè)制動(dòng)循環(huán)過程在每個(gè)循環(huán)制動(dòng)，滾筒和驅(qū)動(dòng)輪被帶到900轉(zhuǎn)。這花了大約90秒。一旦鼓是在所要求的速度，數(shù)據(jù)采集開始2秒后制動(dòng)器關(guān)閉。滾筒停兩秒鐘后，數(shù)據(jù)采集中斷和中斷后再次打開，循環(huán)重新開始。為了控制數(shù)據(jù)流和避免過量的數(shù)據(jù)記錄，數(shù)據(jù)記錄被中斷時(shí)，鼓了服務(wù)速度。均鼓溫度為摩擦襯片幾乎是一樣的。此外，它可以從圖6，COF顯示隨溫度略有增加觀察：COF開始在一個(gè)值為36的平均鼓溫度0.44°C和增加材料2觀察到的是一個(gè)價(jià)值約0.47.the相反的行為（圖7）。這里的COF下降隨著鼓溫度：在開始的COF = 0.47和平均鼓溫度27.2°C，而COF = 0.35的50次循環(huán)后。
圖3鼓式制動(dòng)器設(shè)置
圖4示意圖的閘瓦壓力
圖5測(cè)量信號(hào)在一個(gè)制動(dòng)循環(huán)
長期的測(cè)試系列
在長期的試驗(yàn)，證實(shí)了這兩種材料的溫度依賴的動(dòng)態(tài)。材料1的長系列試驗(yàn)結(jié)果表明。又可以看出，COF的增加鼓溫度增加。值得注意的是，在25個(gè)周期短的中斷發(fā)生時(shí)，鼓溫度下降到約8°C. TEM - perature下降也清晰可見，在這個(gè)周期中COF路徑一滴。
材料2的長系列試驗(yàn)結(jié)果表明該COF明確的減少與增加鼓溫度。即使對(duì)于李寧材料在鼓溫度和摩擦系數(shù)的最重要的變化發(fā)生在第一個(gè)30制動(dòng)周期，一個(gè)小的變化出現(xiàn)在隨后的周期中，導(dǎo)致材料1輕微的COF的增加（0.49在250個(gè)周期）和2（COF材料略有減少0.31在250個(gè)周期）。
結(jié)論
創(chuàng)造工業(yè)制動(dòng)器襯片真實(shí)的測(cè)試條件下，一種新的測(cè)試設(shè)置直徑尺寸制動(dòng)的開發(fā)。從測(cè)量信號(hào)的制動(dòng)襯片的摩擦系數(shù)可以計(jì)算。
在兩個(gè)不同的鼓式剎車片進(jìn)行的試驗(yàn)表明，第一李寧材料有COF，鼓溫度升高，而第二個(gè)李寧材料顯示了相反的行為。因?yàn)樵贑OF的安全制動(dòng)一個(gè)太大的減少會(huì)導(dǎo)致不安全的工作條件，第一材料應(yīng)安全制動(dòng)應(yīng)用的首選材料。
畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)開題報(bào)告
題 目：機(jī)車機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及有限元分析
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畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)（論 文）開 題 報(bào) 告
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機(jī)車機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及有限元分析
0.前言
鐵路行業(yè)作為國民經(jīng)濟(jì)的大動(dòng)脈 ,是擔(dān)負(fù)客、貨運(yùn)量最大和最主要的一種運(yùn)輸工具 ,在中長途客、貨運(yùn)輸中顯示著巨大的技術(shù)經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)。當(dāng)前 ,國內(nèi)國民經(jīng)濟(jì)保持著健康、穩(wěn)定、持續(xù)的增長 ,鐵路作為中國國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的先行官 ,其中 ,機(jī)車車輛的技術(shù)裝備水平應(yīng)該根據(jù)更好更高的要求 ,通過技貿(mào)合作 ,不斷采用高新技術(shù) ,使之快速提高 ,以促進(jìn)鐵路運(yùn)輸能力的快速增長 ,適應(yīng)國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要。
制動(dòng)系統(tǒng)是機(jī)車車輛的重要系統(tǒng) ,直接涉及到列車的運(yùn)行性能和安全 ,影響著乘客乘坐的舒適度。制動(dòng)系統(tǒng)的性能好壞 ,關(guān)系到車輛運(yùn)行速度的提高 ,運(yùn)能的增長。因此 ,制動(dòng)技術(shù)更應(yīng)優(yōu)先于機(jī)車車輛技術(shù)的發(fā)展。
1.中國鐵路貨車制動(dòng)系統(tǒng)概況
與世界各國一樣中國鐵路貨車制動(dòng)機(jī)的發(fā)展也是與鐵路貨運(yùn)和車輛的發(fā)展密切聯(lián)系的。
多年以來中國鐵路貨車制動(dòng)機(jī)一直沿用AAR系統(tǒng)的二壓力制式直接緩解式制動(dòng)機(jī)。在提速前中國鐵路普遍客貨列車制動(dòng)距離均為800m。
1950年初，中國貨車以30—40噸級(jí)為主。在貨車上主要適用K1,K2型三通閥。它們配用6~10英寸制動(dòng)缸，使用灰鑄鐵閘瓦，滿足時(shí)速50Km以內(nèi)，制動(dòng)距離800m的需要。
1958年在K2型制動(dòng)機(jī)的基礎(chǔ)上，研制了GK型制動(dòng)機(jī)，即改K制動(dòng)機(jī)。它采用了較大的14英寸制動(dòng)缸，增強(qiáng)了制動(dòng)力。同時(shí)采用了手動(dòng)空重車調(diào)整裝置，解決了空車位制動(dòng)力過大的問題。此外，還采用了緊急制動(dòng)時(shí)制動(dòng)缸壓力分三階段躍升的性能，減少列車縱向沖動(dòng)?；旧辖鉀Q了50t貨車只懂技術(shù)問題。在大量推廣后，提高了當(dāng)時(shí)列車每百噸閘瓦壓力。從而從制動(dòng)方面保障了貨物列車運(yùn)行速度的提高。GK型制動(dòng)機(jī)原定為過度性產(chǎn)品，初衷是為解決50t貨車的急需，但在重載60t的貨車也應(yīng)用，知道90年代末120閥研制成功，才全面退役。
1965~1968年研制成功103型空氣分配閥。它采用了間接作用方式，除滑閥仍保留金屬研磨密封外，其余均采用了膜板，O型圈及止閥等全橡膠密封結(jié)構(gòu)，增設(shè)緊急部并內(nèi)置空重車調(diào)整部，具有制動(dòng)波速高，適應(yīng)各種直徑的制動(dòng)缸及檢修方便等優(yōu)點(diǎn)。其缺點(diǎn)是緩解波速不高，不能適應(yīng)萬噸重載長達(dá)列車。
2.中國鐵路貨車制動(dòng)系統(tǒng)近年來的發(fā)展與特點(diǎn)
90年代，特別是近幾年，車輛重載提高到70~80t，運(yùn)行速度提高到120Km/h。研制了以120型空氣控制閥為代表的新一代貨車制動(dòng)系統(tǒng)，經(jīng)過不斷完善，逐步形成了目前我國鐵路貨車主型制動(dòng)系統(tǒng)，包括：120型空氣控制閥、無極空重車自動(dòng)調(diào)整裝置、新高摩合成閘瓦、運(yùn)心集塵器、球芯折角塞門、旋壓密封式制動(dòng)缸、閘瓦間隙自動(dòng)調(diào)整器、新型組合式制動(dòng)梁、不銹鋼管系。嵌入式不銹鋼風(fēng)缸、NSW手制動(dòng)機(jī)等。
2.1 120型空氣制動(dòng)機(jī)
120型空氣制動(dòng)機(jī)是在103型空氣制動(dòng)機(jī)的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，保留103型空氣制動(dòng)機(jī)原有優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)為適應(yīng)萬噸列車的運(yùn)用要求，增加了加速緩解作用及壓力保持操作功能。120閥與美國AB系列閥均屬于有金屬滑閥的二壓力直接作用式閥，與ABD閥水平相當(dāng)，但可靠性較差，主要表現(xiàn)在檢修周期短。隨著貨車技術(shù)水平的提高和列車編組數(shù)量的增加，運(yùn)煤專線開行10000~20000t重載貨物列車，控制閥應(yīng)能適應(yīng)長大列車制動(dòng)性能要求，并增加常用加速制動(dòng)和緊急制動(dòng)增壓功能。
2.2空重車自動(dòng)調(diào)整裝置
空重車自動(dòng)調(diào)整裝置是制動(dòng)機(jī)的另一重要組成部分，起作用是保證車輛具有足夠的制動(dòng)能力，避免車輪擦傷和減輕列車縱向沖動(dòng)。為了實(shí)現(xiàn)貨車制動(dòng)機(jī)空重車裝置的自動(dòng)無極調(diào)整，鐵料院和眉山車輛廠還研制了KZW—4G和TWG—1型以及KZW—AI系列無極空重車自動(dòng)調(diào)整裝置，于本世紀(jì)初投入生產(chǎn)，在新造及提速造車上全面推廣使用。不但大量節(jié)省運(yùn)用部門勞動(dòng)力，并且解決了手動(dòng)調(diào)整時(shí)的誤調(diào)與漏調(diào)問題。
2.3列車脫軌制動(dòng)裝置
列車脫軌是鐵道車輛運(yùn)行中的重大行車事故。車輛脫軌后由于列車工作人員沒能及時(shí)發(fā)現(xiàn)，車輛仍在機(jī)車牽引下繼續(xù)行駛，引發(fā)更多車輛相繼脫軌或傾覆，從而使脫軌事故擴(kuò)大，造成車輛、貨物、軌枕、路基及道旁設(shè)備嚴(yán)重?fù)p壞。
為了有效地降低車輛脫軌損失，在充分消化吸收國內(nèi)外先進(jìn)脫軌檢測(cè)技術(shù)的基礎(chǔ)上，研制開發(fā)了適合我國鐵路實(shí)際情況的鐵道貨車脫軌自動(dòng)制動(dòng)裝置。該裝置采用機(jī)械作用方式，在車輛脫軌時(shí)能及時(shí)使主風(fēng)管連通大氣，致使列車產(chǎn)生緊急制動(dòng)，從而避免脫軌事故的擴(kuò)大。
2.4其他制動(dòng)部件
目前我國已開發(fā)了多種旋壓密封式制動(dòng)缸以滿足不同貨車的需要，現(xiàn)12旋壓密封式制動(dòng)缸借鑒UIC制動(dòng)缸的優(yōu)點(diǎn)增設(shè)了推桿復(fù)原裝置，較好地解決了基礎(chǔ)制動(dòng)裝置緩解復(fù)位的問題。在基礎(chǔ)制動(dòng)方面也相應(yīng)配套地采用球芯塞門，法蘭接頭，閘瓦間隙調(diào)整器，新型制動(dòng)梁以及高摩合成閘瓦等。具有方便檢修，延長檢修期，消除漏泄及減少列車火災(zāi)等等優(yōu)點(diǎn)。
2.5試驗(yàn)裝置
制動(dòng)系統(tǒng)的發(fā)展，與其試驗(yàn)裝備的發(fā)展與完善密不可分。試驗(yàn)裝備包括新產(chǎn)品開發(fā)所需的研究性試驗(yàn)裝置和成熟產(chǎn)品生產(chǎn)、檢修用的檢驗(yàn)、試驗(yàn)裝置。在生產(chǎn)檢修用試驗(yàn)裝置方面，目前正在進(jìn)行有關(guān)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)、試驗(yàn)設(shè)備、試驗(yàn)儀器進(jìn)行有計(jì)劃地完善和更新，逐步實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)微機(jī)化已取得了較大的發(fā)展。到目前為止眉山、鐵科院等單位相繼研制了120閥微機(jī)試驗(yàn)臺(tái)、空重車自調(diào)裝置微機(jī)試驗(yàn)臺(tái)、微機(jī)單車試驗(yàn)器等試驗(yàn)設(shè)備。微機(jī)試驗(yàn)設(shè)備不僅能對(duì)受試件進(jìn)行完全的性能試驗(yàn)還能進(jìn)行精確的定量試驗(yàn)，不論是試驗(yàn)效率和測(cè)試精度較手動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)都有了很大晨讀的提高。微機(jī)試驗(yàn)設(shè)備在全路的大量推廣使用，極大的提高了貨車空氣控制閥等產(chǎn)品的生產(chǎn)和檢修質(zhì)量。
在研究性試驗(yàn)裝置方面，綜合性的環(huán)境試驗(yàn)室、仿真振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)、客車列車試驗(yàn)臺(tái)、動(dòng)車組試驗(yàn)臺(tái)、專用和綜合耐久試驗(yàn)臺(tái)、老化試驗(yàn)臺(tái)裝置等也正在完善和實(shí)施。
3.鐵路車輛制動(dòng)的主要方式和發(fā)展方向
3.1發(fā)展方向
根據(jù)鐵道部關(guān)于發(fā)布《鐵路主要技術(shù)政策》的通知：鐵路技術(shù)發(fā)展的總目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)鐵路現(xiàn)代化。逐步建立客運(yùn)快速、貨運(yùn)快捷和重載、行車高密技術(shù)協(xié)調(diào)發(fā)展，高新技術(shù)與適用技術(shù)并重，不同層次技術(shù)裝備并存的具有中國鐵路特點(diǎn)的技術(shù)體系。
客車采用盤形制動(dòng)。推廣電空制動(dòng)、雙管供風(fēng)、防滑器、小間隙自動(dòng)車鉤和密接式車鉤等裝備。機(jī)車采用空電聯(lián)合制動(dòng)及新型基礎(chǔ)制動(dòng)裝置，研究減少列車縱向沖動(dòng)的技術(shù)措施。貨車采用120型空氣制動(dòng)機(jī)及空重車自動(dòng)調(diào)整裝置，逐步淘汰GK、103等舊型制動(dòng)機(jī)，積極采用高摩合成閘瓦，發(fā)展整體鑄鋼輪。快運(yùn)貨車采用新型基礎(chǔ)制動(dòng)裝置。
3.1.1采用高摩合成閘瓦
在列車的高速及低速運(yùn)行階段,高摩合成閘瓦的摩擦系數(shù)均較高,且比較均衡,這是滿足提高速度和重載要求的最簡便和最有效的措施之一。
3.1.2 采用無級(jí)空重車自動(dòng)調(diào)整裝置
它是一種提高貨物列車制動(dòng)力、提高運(yùn)行速度的重要部件。應(yīng)合理選擇參數(shù),尤其要妥善解決稱重方法及其準(zhǔn)確性,以充分利用粘著力,提高列車的均衡制動(dòng)力。
3.1.3 雙側(cè)閘瓦制動(dòng)
目前,我國鐵路貨物列車均采用單側(cè)閘瓦制動(dòng),列車制動(dòng)力已越來越不適應(yīng)貨物列車運(yùn)行速度不斷提高的新要求,可以考慮采用雙側(cè)閘瓦制動(dòng),這也是一項(xiàng)提高貨物列車制動(dòng)力和運(yùn)行速度的重要措施。
3.1.4 改進(jìn)120 型空氣分配閥
現(xiàn)有120 型空氣分配閥的性能參數(shù)是針對(duì)速度相對(duì)較低(小于或等于90 km/ h) 、列車重量較大(5 000 t～10 000 t ) 的長大貨物列車設(shè)計(jì)的,采用了相應(yīng)較慢的制動(dòng)、緩解與充氣特性。這對(duì)快運(yùn)貨車而言,則會(huì)造成空走距離過長,引起閘瓦制動(dòng)功率增高等問題。同時(shí),為了運(yùn)營方便,快運(yùn)貨車有時(shí)需要附掛在旅客列車中混編運(yùn)行,此時(shí)120 型分配閥與104 型客車分配閥的制動(dòng)、緩解性能差異較大,容易產(chǎn)生縱向沖動(dòng)或抱閘等問題。因此,迫切需要改進(jìn)120型空氣分配閥以適應(yīng)快運(yùn)貨車的運(yùn)行環(huán)境。采用120 K型(快速120 閥) 制動(dòng)系統(tǒng),可縮短空走時(shí)間。
3.1.5 盤形制動(dòng)+ 單元制動(dòng)+ 防滑器
制動(dòng)盤、合成閘瓦、單元制動(dòng)缸組成一個(gè)盤形制動(dòng)機(jī),整體結(jié)構(gòu)緊湊,沒有復(fù)雜的桿件傳動(dòng),傳動(dòng)效率高。單元制動(dòng)缸是盤形制動(dòng)機(jī)的施力機(jī)構(gòu),同時(shí)踏面清掃器也采用單元制動(dòng)缸的結(jié)構(gòu)。防滑器和盤形制動(dòng)(機(jī)械式) 一起使用可提高粘著利用率。盤形制動(dòng)具有良好的摩擦性能,且運(yùn)用經(jīng)濟(jì),維護(hù)簡單。
3.1.6 貨車制動(dòng)鋁合金化
我國鐵路鋁合金貨車已開始批量推廣運(yùn)用,制動(dòng)產(chǎn)品輕量化、鋁合金化已迫在眉睫。1996年,120 型貨車空氣控制閥的8 種壓鑄件(主閥上蓋、主閥下蓋、主閥前蓋、緩解閥上蓋、緩解閥下蓋、緩解閥體、緊急閥上蓋、緊急閥下蓋) 已開始批量裝車。這8種鋁合金壓鑄件對(duì)改善120 型制動(dòng)機(jī)的制動(dòng)性能及制動(dòng)部件輕量化起到了積極的促進(jìn)作用,但在長時(shí)間的運(yùn)用中也發(fā)現(xiàn)了一些問題。120 閥主閥體、緊急閥體、中間體三大件的鋁合金化2003年下半年已通過部級(jí)審查,2004 年上半年開始小批量裝車。 120 閥的8種壓鑄件屬于壓力鑄造,材質(zhì)為YZAlSi8Cu3;120 主閥體、緊急閥體、中間體三大件屬于重力鑄造,材質(zhì)為ZAlSi9Cu2Mg。隨著120閥的鋁合金化及其他鋁合金化制動(dòng)部件在鐵路上的逐漸推廣運(yùn)用,有必要對(duì)上述鋁合金表面處理問題進(jìn)行專門研究。
3.1.7 ECP 制動(dòng)技術(shù)
ECP是電控空氣制動(dòng)系統(tǒng)的縮寫，是用微機(jī)系統(tǒng)直接控制副風(fēng)缸向制動(dòng)缸充風(fēng)制動(dòng)及制動(dòng)缸緩解，空氣是制動(dòng)力產(chǎn)生的來源，但空氣不作為制動(dòng)指令傳遞的介質(zhì)。采用ECP 制動(dòng)系統(tǒng)能很好地解決重載貨物列車的一系列制動(dòng)技術(shù)難題, 它具有如下基本功能: (1) 階段制動(dòng)和階段緩解; (2) 向副風(fēng)缸連續(xù)充風(fēng); (3) 根據(jù)車輛載荷調(diào)整車輛制動(dòng)力; (4) 連續(xù)故障檢測(cè)和設(shè)備狀態(tài)監(jiān)視; (5) 空氣制動(dòng)作備用。
為使我國盡快開行20000t重載貨物列車,可先引進(jìn)國外成熟的ECP制動(dòng)技術(shù),并運(yùn)用到重載列車上。在此基礎(chǔ)上,消化吸收,自行研制,爭取早日研制出具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的ECP 制動(dòng)系統(tǒng),使我國貨車制動(dòng)技術(shù)邁上一個(gè)新臺(tái)階
3.2 主要方式
早期貨車轉(zhuǎn)向架的基礎(chǔ)制動(dòng)裝置基本上采用單側(cè)踏面制動(dòng)。隨著車輛速度和載重量的提高，對(duì)轉(zhuǎn)向架的基礎(chǔ)制動(dòng)裝置也提出了新的要求。由于不同國家對(duì)制動(dòng)距離的要求不盡相同，所以高速貨車轉(zhuǎn)向架的制動(dòng)方式有較大差異，雙側(cè)踏面制動(dòng)和盤形制動(dòng)得到廣泛應(yīng)用。歐洲鐵路對(duì)制動(dòng)距離要求較高，120km/h以下的貨車采用單側(cè)或雙側(cè)踏面制動(dòng)，當(dāng)速度為120km/h以上時(shí)，普遍采用盤形制動(dòng)加防滑器的方式。北美鐵路對(duì)制動(dòng)距離的要求不高，且受三大件轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)的制約，難以實(shí)現(xiàn)雙側(cè)踏面制動(dòng)和盤形制動(dòng)，故仍采用單側(cè)踏面制動(dòng)。采用何種方式的基礎(chǔ)制動(dòng)裝置,可通過其軸制動(dòng)功率來確定：式中q0為軸重；V0為制動(dòng)初速；FB為制動(dòng)力； 為平均減速度。
最大軸制動(dòng)功率取決于基礎(chǔ)制動(dòng)裝置所能承受的熱負(fù)荷性能。計(jì)算機(jī)模擬計(jì)算和試驗(yàn)表明，840mm直徑的車輪,軸重為21噸，相應(yīng)的赫茲接觸應(yīng)力為850N/mm2左右,其允許的最大熱應(yīng)力約300N/mm2。對(duì)于采用鑄鐵閘瓦踏面制動(dòng)，其最大極限軸制動(dòng)功率為240KW，采用合成閘瓦為340KW，若采用盤形制動(dòng)則可達(dá)到760KW，目前歐洲國家運(yùn)用的時(shí)速為160km/h的高速貨車轉(zhuǎn)向架，其緊急制動(dòng)時(shí)的軸制動(dòng)功率已超過踏面制動(dòng)的最大極限軸制動(dòng)功率，達(dá)到350KW左右，故高速貨車必須采用盤形制動(dòng)。因中國新頒布的《鐵路主要技術(shù)政策》對(duì)制動(dòng)距離的規(guī)定同歐洲鐵路基本相近，故可吸取歐洲國家高速貨車轉(zhuǎn)向架采用盤形制動(dòng)的方式。采用盤形制動(dòng)的方式不僅能大大提高最大的軸制動(dòng)功率，而且由于制動(dòng)盤與閘片間的摩擦系數(shù)相對(duì)于閘瓦與踏面間的摩擦系數(shù)來說要穩(wěn)定得多，故還可降低制動(dòng)時(shí)的縱向沖動(dòng)。
制動(dòng)方式是指制動(dòng)時(shí)列車動(dòng)能的轉(zhuǎn)移方式或制動(dòng)力獲取的方式。從作用力與列車的關(guān)系來看，驅(qū)動(dòng)或制動(dòng)都需要列車作用以外力。從能量的觀點(diǎn)看，驅(qū)動(dòng)是機(jī)車將燃料所具有的能量或電廠所發(fā)出的電能轉(zhuǎn)變成列車的動(dòng)能；制動(dòng)就是設(shè)法將此動(dòng)能從列車上轉(zhuǎn)移出去，使列車減速或停止。采取什么制動(dòng)方式使列車的動(dòng)能轉(zhuǎn)移出去，采取什么制動(dòng)方式獲取這種外力—制動(dòng)力，是制動(dòng)的基本問題。因此，制動(dòng)方式的研究是制動(dòng)研究的基礎(chǔ)。
3.2.1 列車動(dòng)能轉(zhuǎn)移方式
分兩類：“熱逸散”和可用能。
（1）熱逸散
動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，然后消散于大氣中。摩擦制?dòng)：把列車動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)槟Σ翢崮堋ＤΣ林苿?dòng)分固體摩擦制動(dòng)和液體摩擦制動(dòng)；動(dòng)力制動(dòng)：制動(dòng)時(shí)將牽引電動(dòng)機(jī)變成發(fā)電機(jī)，通過它將列車動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能。動(dòng)力制動(dòng)分電阻制動(dòng)、旋轉(zhuǎn)渦流制動(dòng)和軌道渦流(線性渦流)制動(dòng)：
1）固體摩擦制動(dòng)：
① 閘瓦制動(dòng)(踏面制動(dòng))：用鑄鐵
或合成材料制成的閘瓦壓緊滾動(dòng)
的車輪，使輪瓦間發(fā)生摩擦，列車
動(dòng)能極大部分變成熱能，最終消散
于大氣中。是目前鐵路使用最廣泛
的一種制動(dòng)方式。（見右圖）
② 盤型制動(dòng)；用制動(dòng)夾鉗使閘片(一般用
合成材料制成)夾緊裝固在車軸或車輪輻
板上的制動(dòng)圓盤(一般為鑄鐵盤)，上閘片
與制動(dòng)圓盤間產(chǎn)生摩擦，把動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)闊?
能，消散于大氣中。
③ 軌道電磁制動(dòng)(磁軌制動(dòng))；制動(dòng)時(shí)，安裝
在轉(zhuǎn)向架構(gòu)架側(cè)梁下的下方，電磁鐵勵(lì)磁，
與鋼軌產(chǎn)生吸力。列車的動(dòng)能通過電磁鐵下
的磨耗板與鋼軌的摩擦轉(zhuǎn)化為熱能，經(jīng)鋼軌
和磨耗板，最終散于大氣。
（2）列車動(dòng)能轉(zhuǎn)變成可用能
1）再生制動(dòng)：
與電阻制動(dòng)相似，也是將牽引電動(dòng)機(jī)變?yōu)榘l(fā)電機(jī)。不同的是將電能反饋回電網(wǎng)，而不是變成熱能消散掉。很明顯，再生制動(dòng)方式既節(jié)約能源又減少制動(dòng)時(shí)對(duì)環(huán)境的污染，并且基本上無磨耗，因此是一種非常理想的動(dòng)力制動(dòng)方式。但只能用于由電網(wǎng)供電的電力機(jī)車和電動(dòng)車組，反饋回電網(wǎng)的電能要馬上由正在牽引運(yùn)行的電力機(jī)車或電動(dòng)車組接受和利用。
在各種制動(dòng)方式中，唯有再生制動(dòng)方式幾乎不需要在列車上增加任何部件，因此它已成為高速列車極為重要的一種制動(dòng)方式。列車的再生制動(dòng)能力不但取決于電機(jī)的功率，更受制于線路供電網(wǎng)的網(wǎng)壓。
4.中國鐵路貨車制動(dòng)系統(tǒng)下一步的重點(diǎn)研究方向
4.1制動(dòng)能力提升與輪瓦關(guān)系問題的研究
重載列車主要是編組輛數(shù)遠(yuǎn)多于一般貨物列車的超長列車，此外還具有一個(gè)重要特點(diǎn)是使用大軸重的貨車車輛。貨車提高軸的重不僅能增加牽引重量，還能減少列車編組輛數(shù)，從而有利于司機(jī)操縱和縮短站線有效長度，對(duì)運(yùn)輸生產(chǎn)有重大的經(jīng)濟(jì)效益。因此，提高軸重增加列車編組輛數(shù)是國際重載列車的兩個(gè)重要發(fā)展方向。
軸重增加必然會(huì)同時(shí)導(dǎo)致車輪載荷條件的惡化，進(jìn)而影響車輪和鋼軌的使用壽命。為此，當(dāng)前北美鐵路協(xié)會(huì)（AAR）要求根據(jù)S—660標(biāo)準(zhǔn)對(duì)新車輪進(jìn)行有限元仿真計(jì)算，以檢驗(yàn)其應(yīng)力水平，主要考慮機(jī)械載荷（垂向載荷和橫向載荷）及制動(dòng)熱負(fù)荷的作用。按照AARS—660規(guī)范，100噸載荷條件相當(dāng)于軸重30t貨車車輪的使用條件，最大軸重32.5t的重載貨車則比標(biāo)準(zhǔn)車輪載重增加9%以上，故而需要采用直徑915mm的車輪。我國貨車車軸近年來已確定新造貨車以23t軸重為設(shè)計(jì)便準(zhǔn)，對(duì)大秦線這樣的重載專線則以25t軸重的貨車為標(biāo)準(zhǔn)，特別是已經(jīng)正式開行的2萬噸級(jí)重載列車基本上使用C80等25噸軸重的貨車。隨著貨運(yùn)通道的發(fā)展，鐵道通用貨車軸重將達(dá)到27t，專用貨車軸重達(dá)到30t以上。隨著鐵路貨運(yùn)車輛的載重（總重）、列車編組長度不斷增加，其所需要的制動(dòng)力也相應(yīng)增加，形成目前困擾車輛制動(dòng)距離、運(yùn)行速度、牽引噸位與輪瓦關(guān)系、縱向沖動(dòng)等相互制約、相互矛盾的問題越來越突出。
另外，重載列車的車輪制動(dòng)熱負(fù)載問題需要深入的研究。制動(dòng)熱負(fù)荷可能導(dǎo)致3種類型的車輪問題，即車輪踏面的裂紋、熱失效和熱機(jī)剝離。國內(nèi)外對(duì)重載車輪制動(dòng)熱負(fù)荷問題的大量試驗(yàn)研究結(jié)果標(biāo)明，坡道制動(dòng)產(chǎn)生的熱效應(yīng)最為嚴(yán)重，是影響閘瓦更換和車輪維修的主要原因。因此，應(yīng)重視制動(dòng)熱負(fù)荷問題，作為改善輪瓦磨耗、延長重載車輛車輪使用壽命的重要研究方向。
5 結(jié)論
隨著機(jī)車制動(dòng)系統(tǒng)的不斷發(fā)展，不僅需要專門的制動(dòng)行業(yè)的工程技術(shù)人員的參入，而且在不久的將來將會(huì)有多學(xué)科、多專業(yè)的交溶發(fā)展。制動(dòng)系統(tǒng)將涉及到電氣控制、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、微機(jī)技術(shù)、信號(hào)通訊等不同的專業(yè)領(lǐng)域。因此，需要多方面合作，盡早出現(xiàn)具有中國特色的知名的制動(dòng)機(jī)公司，在國際制動(dòng)領(lǐng)域內(nèi)占有一席之地。
綜上所述，需要解決目前鐵路貨車制動(dòng)系統(tǒng)存在的問題，加以進(jìn)一步完善。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合中國鐵路貨車的發(fā)展，積極吸收國內(nèi)外先進(jìn)制造機(jī)技術(shù)，研制作用性能優(yōu)良、適應(yīng)性強(qiáng)與模塊化集成的新一代貨車制動(dòng)機(jī)，形成具有世界一流水平的中國鐵路貨車制動(dòng)系統(tǒng)。
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畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)（論 文）開 題 報(bào) 告
２．開題報(bào)告：一、課題的目的與意義；二、課題發(fā)展現(xiàn)狀和前景展望；三、課題主要內(nèi)容和要求；四、研究方法、步驟和措施
機(jī)車機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及有限元分析
一．課題的目的與意義
本課題是針對(duì)礦工電機(jī)車機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及其關(guān)鍵部件的有限元分析。在科技高速發(fā)展的今天，不管是客運(yùn)列車還是貨運(yùn)列車都有了很大的變化，高速、重載。機(jī)車車輛的技術(shù)裝備水平根據(jù)更好更高的要求 ,通過技貿(mào)合作 ,不斷采用高新技術(shù) ,快速提高 ,促進(jìn)了鐵路運(yùn)輸能力的快速增長 ,適應(yīng)了國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要。正由于機(jī)車的高速、重載，使得制動(dòng)系統(tǒng)成了機(jī)車車輛最重要的系統(tǒng)之一，其直接涉及到列車的運(yùn)行性能和安全。制動(dòng)系統(tǒng)的好壞，關(guān)系到列車運(yùn)行速度的提高，運(yùn)能的增長。因此，課題的目的在于設(shè)計(jì)合理的制動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，以滿足機(jī)車制動(dòng)距離及制動(dòng)時(shí)間的要求，并且分析其關(guān)鍵部件的應(yīng)力及應(yīng)變等，了解閘瓦磨損的原因。
課題研究的制動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、操作便捷、制動(dòng)安全、經(jīng)濟(jì)。通過制動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、零件的有限元分析，建立虛擬裝配模型?？梢院喕苿?dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，降低了成本，縮短了產(chǎn)品的開發(fā)周期。同時(shí)，通過課題的設(shè)計(jì)培養(yǎng)了我們改善結(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)新產(chǎn)品的能力，使我們更熟練地運(yùn)用UG做三維建模及設(shè)計(jì)仿真。
二．課題發(fā)展現(xiàn)狀和前景展望
機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)目前多用在窄軌電機(jī)機(jī)車駐車制動(dòng)系統(tǒng)中，駐車制動(dòng)系統(tǒng)中要求用機(jī)械鎖止方法保證機(jī)車在原地停止不動(dòng)，在任何情況下不至于滑動(dòng)。機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)原理簡單、操作輕便、安全、成本較低。
隨著貨運(yùn)列車的發(fā)展，高速、重載已經(jīng)成為主要的發(fā)展方向，但是安全問題不容忽視，為了能使機(jī)車能在規(guī)定的距離范圍內(nèi)減速或停車，制動(dòng)系統(tǒng)是必不可少的系統(tǒng)。對(duì)礦運(yùn)機(jī)車來說，機(jī)械制動(dòng)已成為其主流的發(fā)展方向?？紤]到貨運(yùn)機(jī)車屬于窄軌機(jī)車，所需的制動(dòng)力相對(duì)小，因此，采取手輪式的機(jī)械制動(dòng)方式。由于該系統(tǒng)是由人力來操作的，因此要求杠桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)要使手輪操作力不大于160N力。
即便目前機(jī)車的制動(dòng)方式多用電氣制動(dòng)及空氣制動(dòng)，但機(jī)械制動(dòng)操作方便，司機(jī)帶動(dòng)強(qiáng)度低，制動(dòng)系統(tǒng)工作敏捷、迅速、空行程短等特點(diǎn)，使得機(jī)械制動(dòng)在未來制動(dòng)系統(tǒng)的發(fā)展中仍然占有比較大的比重。特別是礦運(yùn)窄軌機(jī)車，對(duì)機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)有很好的發(fā)展前景。
三．課題主要內(nèi)容和要求
1.總體方案設(shè)計(jì)計(jì)算
2.設(shè)計(jì)機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)并對(duì)主要零件進(jìn)行計(jì)算分析
3.建立制動(dòng)系統(tǒng)三維模型，裝配模型
4.建立制動(dòng)系統(tǒng)虛擬樣機(jī)
5.進(jìn)行制動(dòng)系統(tǒng)主要零件有限元分析，并進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，分析失效形式和原因
6.工程圖設(shè)計(jì)
7.撰寫畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書，字?jǐn)?shù)15000以上
8.指導(dǎo)老師評(píng)閱、學(xué)生修改及打印說明書
9.畢業(yè)答辯
四．研究方法、步驟和措施
1.研究方法
查閱機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及有限元分析的相關(guān)資料與手冊(cè)，進(jìn)行總體機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)。按照機(jī)車粘重及制動(dòng)距離對(duì)制動(dòng)系統(tǒng)相關(guān)部件進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，并對(duì)關(guān)鍵部件進(jìn)行有限元分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化。
2.步驟和措施
（1）確定制動(dòng)系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)
（2）按要求對(duì)制動(dòng)系統(tǒng)主要零件進(jìn)行計(jì)算分析
（3）利用UG對(duì)制動(dòng)系統(tǒng)各個(gè)部件三維建模，并進(jìn)行裝配
（4）利用UG對(duì)關(guān)鍵部件進(jìn)行有限元分析，分析其應(yīng)力、應(yīng)變等
（5）分析關(guān)鍵部件的失效形式和原因，并進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化
（6）建立制動(dòng)系統(tǒng)的虛擬樣機(jī)
畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)（論 文）開 題 報(bào) 告
指導(dǎo)教師意見：
1．對(duì)“文獻(xiàn)綜述”的評(píng)語：
2．對(duì)本課題的深度、廣度及工作量的意見和對(duì)設(shè)計(jì)（論文）結(jié)果的預(yù)測(cè)：
指導(dǎo)教師：
年 月 日
所在專業(yè)審查意見：
負(fù)責(zé)人：
年 月 日
畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)
題 目：機(jī)車機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及有限元分析
學(xué)院：
專業(yè)：
班級(jí)：機(jī)設(shè)學(xué)號(hào)：
學(xué)生姓名：
導(dǎo)師姓名：
完成日期：
誠 信 聲 明
本人聲明：
1、本人所呈交的畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）是在老師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究
工作及取得的研究成果；
2、據(jù)查證，除了文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，畢業(yè)設(shè)計(jì)
（論文）中不包含其他人已經(jīng)公開發(fā)表過的研究成果，也不包含為獲
得其他教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位而使用過的材料；
3、我承諾，本人提交的畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）中的所有內(nèi)容均真實(shí)、
可信。
作者簽名： 日期： 年 月 日
1
畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書
題目：
機(jī)車機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及有限元分析
姓名
學(xué)院 應(yīng)用技術(shù)學(xué)院
專業(yè) 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 班級(jí) 學(xué)號(hào)
指導(dǎo)老師
職稱
教研室主任
一、基本任務(wù)及要求：
1. 查閱機(jī)車制動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及有限元文獻(xiàn) 15 篇以上，分析機(jī)車制動(dòng)系統(tǒng)的現(xiàn)狀，并寫出文獻(xiàn)綜
述，開題報(bào)告
2、分析制動(dòng)系統(tǒng)工作特點(diǎn)和方式
3、設(shè)計(jì)機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)并對(duì)主要零件進(jìn)行計(jì)算分析
4、建立制動(dòng)系統(tǒng)三維模型，裝配模型
5、建立制動(dòng)系統(tǒng)虛擬樣機(jī)
6、進(jìn)行制動(dòng)系統(tǒng)主要零件有限元分析，并進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，分析失效形式和原因
7..撰寫畢業(yè)論文，字?jǐn)?shù) 15000 以上。
二、進(jìn)度安排及完成時(shí)間：
1. 查閱資料、撰寫文獻(xiàn)綜述、撰寫開題報(bào)告（2.5 周）；
2. 畢業(yè)調(diào)研及撰寫畢業(yè)調(diào)研報(bào)告（1.5 周）；
3. 畢業(yè)設(shè)計(jì)（9 周），其中：總體方案設(shè)計(jì)計(jì)算（1.5 周），設(shè)計(jì)機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)并對(duì)主要零件進(jìn)行計(jì)算分析（2 周），建立制動(dòng)系統(tǒng)三維模型，裝配模型（1 周），建立制動(dòng)系統(tǒng)虛擬樣機(jī)模型（0.5
周）進(jìn)行制動(dòng)系統(tǒng)主要零件有限元分析，并進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，分析失效形式和原因（2 周）工程圖設(shè)計(jì)（2 周）；
4. 撰寫畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書并將初稿交導(dǎo)師評(píng)閱（1.5 周）；
5. 指導(dǎo)老師評(píng)閱、學(xué)生修改及打印說明書（0.5 周）；
6. 評(píng)閱老師評(píng)閱設(shè)計(jì)說明書、學(xué)生準(zhǔn)備答辯（0.5 周）；
7. 畢業(yè)答辯（0.5 周）。
2
目錄
摘要···························································································································I
abstract·····················································································································II
第 1 章 緒 論······································································································· 1
1.1 引言············································································································· 1
1.2 機(jī)車制動(dòng)力的獲取方式················································································· 1
1.3 課題研究的目的和意義················································································· 2
1.4 課題研究的內(nèi)容與思路················································································· 3
1.4.1 課題研究的內(nèi)容·················································································· 3
1.4.2 課題研究的思路·················································································· 3
第 2 章 總體方案設(shè)計(jì)·····························································································5
2.1 機(jī)車的主要參數(shù)及制動(dòng)系統(tǒng)簡介····································································5
2.1.1 機(jī)車的主要參數(shù)·················································································· 5
2.1.2 機(jī)車制動(dòng)系統(tǒng)簡介···············································································5
2.2 制動(dòng)系統(tǒng)的方案確定及工作原理····································································6
2.2.1 制動(dòng)系統(tǒng)的方案確定··········································································· 6
2.2.2 制動(dòng)系統(tǒng)的工作原理··········································································· 7
第 3 章 機(jī)車機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)································································· 8
3.1 制動(dòng)系統(tǒng)的制動(dòng)能力計(jì)算·············································································· 8
3.2 桿件結(jié)構(gòu)的受力分析與力學(xué)計(jì)算····································································9
3.2.1 桿件結(jié)構(gòu)的受力分析··········································································· 9
3.2.2 桿件結(jié)構(gòu)的力學(xué)計(jì)算··········································································10
3.3 制動(dòng)系統(tǒng)主要零件的尺寸計(jì)算與確定··························································· 11
3.4 標(biāo)準(zhǔn)件及外購件的選用················································································ 17
第 4 章 三維建模與虛擬樣機(jī)·················································································20
4.1 UG NX10.0 軟件簡介······················································································ 20
4.2 零件實(shí)體建模舉例·······················································································21
4.3 零件裝配·····································································································22
4.4 虛擬樣機(jī)·····································································································23
4.4.1 虛擬樣機(jī)技術(shù)···················································································· 23
4.4.2 虛擬樣機(jī)技術(shù)的發(fā)展··········································································23
1
4.4.1 建立虛擬樣機(jī)···················································································· 24
5 章 有限元分析·······························································································25
5.1 有限元分析概述·························································································· 25
5.1.1 基本簡介··························································································· 25
5.1.2 基本特點(diǎn)··························································································· 26
5.1.3 有限元分析常用軟件··········································································26
5.4 主要零件的有限元分析結(jié)果········································································· 27
5.4.1 閘瓦的分析結(jié)果·················································································28
5.4.2 閘瓦拖的分析結(jié)果············································································· 30
5.4.3 制動(dòng)桿的分析結(jié)果············································································· 32
5.4.4 連桿的分析結(jié)果·················································································34
第 6 章 零件的結(jié)構(gòu)優(yōu)化························································································36
6.1 閘瓦托的結(jié)構(gòu)優(yōu)化·······················································································36
6.2 制動(dòng)桿的結(jié)構(gòu)優(yōu)化·······················································································38
第 7 章 閘瓦的失效與改善措施············································································· 39
7.1 閘瓦的失效形式·························································································· 39
7.2 閘瓦的失效原因·························································································· 39
7.2.1 閘瓦偏磨原因···················································································· 39
7.2.2 閘瓦斷裂的原因·················································································39
7.2.3 閘瓦磨粒磨損和粘著磨損的原因························································ 40
7.3 改善措施·····································································································40
總結(jié)·························································································································42
參考文獻(xiàn)··················································································································43
致謝·························································································································45
2
機(jī)車機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及有限元分析
摘要：本文主要對(duì) 8t 礦用電機(jī)車機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，利用力學(xué)分析，分析構(gòu)件的受力情況并對(duì)主要零件進(jìn)行受力計(jì)算；建立系統(tǒng)的三維模型及虛擬樣機(jī)；對(duì)主要零件進(jìn)行有限元分析并結(jié)構(gòu)優(yōu)化；分析閘瓦的失效形式、原因及改進(jìn)措施。
通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，增大了制動(dòng)倍率和制動(dòng)力，減少了溜車現(xiàn)象，縮短了制動(dòng)距離，減小了閘瓦磨損，提高了制動(dòng)的可靠性。
關(guān)鍵詞：窄軌電機(jī)車，機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，有限元分析
I
The locomotive brake system mechanical structure design and finite element analysis
abstract: This paper mainly carries on the structural design of 8t locomotive brake system, By using the dynamic analysis, stress analysis component and stress calculation of main parts; The 3D model and virtual prototype system; Finite element analysis of the main parts and structure optimization; Improvement measures of failure modes, causes and analysis of brake shoe.
Through the structure design, Increasing the braking power and braking force, Reduce the slipping phenomenon, Shorten braking distance, Reduced brake wear, To improve the reliability of the brake.
keyword: Mine electric locomotive, mechanical braking sytem , configuration design , finite element analysis
II
第 1 章 緒 論
1.1 引言
受礦山巷道窄小空間環(huán)境的限制，需要這些礦山井下運(yùn)輸?shù)V石、物料、人員的電機(jī)車的軌距比干線機(jī)車 1435mm 軌距窄了許多，因此人們一般把這些電機(jī)車稱之為窄軌電機(jī)車。窄軌電機(jī)車是一個(gè)分類標(biāo)準(zhǔn)多樣，門類繁多，規(guī)格復(fù)雜的機(jī)車。按產(chǎn)品軌距大小之分有 475mm、600mm、762mm、900mm，若按機(jī)車的粘著重量分有: 1.5t 、2.5t、3t、5t、6t、7t、8t、10t、12t、14t、15t、18t、20t。若按電機(jī)車的安全程度分有隔爆型、礦用一般型、增安型、防爆特殊型，若按電壓等級(jí)分有：100V、25V 、550V（架線式）
48V、88V、90V、110V、120V、132V、140V、144V、196V、256V 等電壓等級(jí)的電機(jī)車，若按駕駛室的方位和數(shù)量分，又可分為一端司機(jī)室或兩端司機(jī)室的電機(jī)車和司機(jī)室居中的電機(jī)車。但使用得最廣泛的是以下三種分類，即按粘著質(zhì)量的噸位大小分，按電機(jī)車得到的電源方式分為：蓄電池電機(jī)車和架線式電機(jī)車，按是否防爆分為普通型電機(jī)車和
防爆電機(jī)車。[1]
窄軌工礦電機(jī)車作為一種節(jié)能環(huán)保的牽引動(dòng)力，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于煤礦礦山的生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)。其制動(dòng)裝置是關(guān)鍵部件，機(jī)車制動(dòng)性能直接影響到工礦電機(jī)車的安全運(yùn)行。其基礎(chǔ)制動(dòng)裝置是從手輪施力到閘瓦動(dòng)作之間的一套杠桿機(jī)構(gòu)，將手輪的轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)化為閘瓦正壓力直接作用在車輪踏面上產(chǎn)生制動(dòng)力，使得運(yùn)行的列車減速或停止。基礎(chǔ)制動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)
性能的優(yōu)劣直接決定著電機(jī)車的制動(dòng)效果。[2]
為了降低機(jī)車的速度,必須在車輪轉(zhuǎn)動(dòng)的相反方向施加制動(dòng)力。眾所周知,閘瓦制動(dòng)所采用的制動(dòng)力是摩擦力。必須放大作用在手輪上的力，并且均勻地分布到閘瓦上。為達(dá)到目的,必須設(shè)有制動(dòng)桿。根據(jù)杠桿原理來放大制動(dòng)力。也就是說,在長杠桿臂上作用著較小的力,必須在短臂上產(chǎn)生較大的力，制動(dòng)距離與制動(dòng)力成反比。
施加愈大的制動(dòng)力,其制動(dòng)的效果也愈強(qiáng)。對(duì)于一定結(jié)構(gòu)類型的制動(dòng)裝置,在對(duì)車輪施加制動(dòng)力時(shí),其制動(dòng)力是不能任提高的。制動(dòng)力的極限值受到輪/軌之間的粘著系數(shù)與粘重所限制。如果踏面上的作用力小于輪/軌間的粘著力,則車輪尚在滾動(dòng);如果作用力大于粘著力,則車輪將被抱死,車輪將在鋼軌上滑行。當(dāng)車輪剛好還處于滾動(dòng)狀態(tài)時(shí),就
達(dá)到最大的制動(dòng)效果。車輪剛發(fā)生一次滑行時(shí),則車輪與鋼軌之間的摩擦大大減小,因而制動(dòng)距離延長;同時(shí),車輪的踏面因擦傷而破損。[3]
1.2 機(jī)車制動(dòng)力的獲取方式
1
礦用電機(jī)車機(jī)械制動(dòng)屬于粘著制動(dòng)，在制動(dòng)方式中，閘瓦制動(dòng)、盤形制動(dòng)、再生制動(dòng)、電阻制動(dòng)和圓盤渦流制動(dòng)均屬于粘著制動(dòng)方式，本設(shè)計(jì)屬于閘瓦制動(dòng)。制動(dòng)時(shí)，車輪與鋼軌之間有三種可能的狀態(tài)。
(1) 純滾動(dòng)狀態(tài)
車輪與鋼軌的接觸點(diǎn)無相對(duì)滑動(dòng)，車輪在鋼軌上作純滾動(dòng)。這時(shí)車輪與鋼軌之間為靜摩擦，車輪與鋼軌之間可能實(shí)現(xiàn)的最大制動(dòng)力是輪軌之間的最大靜摩擦力。這是一種難以實(shí)現(xiàn)的理想狀態(tài)。
(2) 滑行狀態(tài)
車輪在鋼軌上滑行，這時(shí)車輪與鋼軌之間的制動(dòng)力為二者的動(dòng)摩擦力。由于動(dòng)摩擦系數(shù)遠(yuǎn)小于靜摩擦系數(shù)，因此一旦發(fā)生這種工況，制動(dòng)力將大大減小，制動(dòng)距離就會(huì)延長；同時(shí)，車輪在鋼軌上長距離滑行，將導(dǎo)致車輪踏面的擦傷，危及行車安全。這是一種必須避免的事故狀態(tài)。
(3)粘著狀態(tài)
列車制動(dòng)時(shí)車輪在鋼軌上滾動(dòng)，由于車輛重力的作用，車輛與鋼軌的接觸處為一橢網(wǎng)形的小面積，此時(shí)輪軌接觸處既不是靜止?fàn)顟B(tài)也不是滑動(dòng)狀態(tài)，在鐵路術(shù)語中稱這種狀態(tài)為粘著狀態(tài)。由于正壓力而保持動(dòng)輪與鋼軌接觸處相對(duì)靜止的現(xiàn)象稱為“粘著”。
粘著狀態(tài)下的靜摩力又稱為粘著力。依靠粘著滾動(dòng)的車輪與鋼軌粘著點(diǎn)之間的粘著力來實(shí)現(xiàn)車輛的制動(dòng)，稱為粘著制動(dòng)。列車采用粘著制動(dòng)時(shí)，能夠獲得的最大制動(dòng)力不會(huì)大于粘著力。
粘著制動(dòng)是目前主要的一種制動(dòng)方式。根據(jù)輪軌間的靜摩擦系數(shù)μ、粘著系數(shù)ψ、
動(dòng)摩擦系數(shù)φ這三者中μ>ψ>φ的關(guān)系，在上述三種情況中：可能實(shí)現(xiàn)的制動(dòng)力的最大值以第一種狀態(tài)時(shí)為最大，但實(shí)際上這是達(dá)不到的；第二種最小，這不但會(huì)延長制動(dòng)距離，而且會(huì)擦傷車輪；第三種介于這兩者之間，它隨氣候與速度等條件的不同可以有相當(dāng)?shù)淖兓?。所以，采用粘著制?dòng)，必須對(duì)那些可以利用的粘著條件加以研究，以獲取可能的最大的制動(dòng)力。
粘著系數(shù)是表示列車車輪與軌道間粘著狀態(tài)的指標(biāo)，具體說就是粘著力與輪軌間垂直載荷的比值的最大值。粘著系數(shù)受列車運(yùn)行速度、氣候條件、輪軌表面狀態(tài)以及是否采取增粘措施等諸多因素的影響，是一個(gè)有很大離散性的參數(shù)，所以目前尚未有粘著系
數(shù)的理論公式。[4]各國都分別采用大量的試驗(yàn)來得到經(jīng)驗(yàn)數(shù)值，如湘潭電機(jī)廠制動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)的粘著系數(shù)一般取 0.25。
2
1.3 課題研究的目的和意義
本課題是針對(duì)礦運(yùn)列車機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及其關(guān)鍵部件的有限元分析。在科
技高速發(fā)展的今天，不管是客運(yùn)列車還是貨運(yùn)列車都有了很大的變化，高速、重載。機(jī)車車輛的技術(shù)裝備水平根據(jù)更好更高的要求 ,通過技貿(mào)合作 ,不斷采用高新技術(shù) ,快
速提高 ,促進(jìn)了鐵路運(yùn)輸能力的快速增長 ,適應(yīng)了國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要。正由于機(jī)車的高速、重載，使得制動(dòng)系統(tǒng)成了機(jī)車車輛最重要的系統(tǒng)之一，其直接涉及到列車的運(yùn)行性能和安全。制動(dòng)系統(tǒng)的好壞，關(guān)系到列車運(yùn)行速度的提高，運(yùn)能的增長。因此，課題的目的在于設(shè)計(jì)合理的制動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，以滿足機(jī)車制動(dòng)距離及制動(dòng)時(shí)間的要求，并且分析其關(guān)鍵部件的應(yīng)力及應(yīng)變等，了解閘瓦磨損的原因。
課題研究的制動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、操作便捷、制動(dòng)安全、經(jīng)濟(jì)。通過制動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、零件的有限元分析，建立虛擬裝配模型?？梢院喕苿?dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，降低了成本，縮短了產(chǎn)品的開發(fā)周期。同時(shí)，通過課題的設(shè)計(jì)培養(yǎng)了我們改善結(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)新產(chǎn)品的能力，使我們更熟練地運(yùn)用 UG 做三維建模及設(shè)計(jì)仿真。
1.4 課題研究的內(nèi)容與思路
1.4.1 課題研究的內(nèi)容
（1）機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)的總體方案設(shè)計(jì)總體方案設(shè)計(jì)是本設(shè)計(jì)的主體，應(yīng)用理論力學(xué)的桿件結(jié)構(gòu)，初步規(guī)劃其基本架構(gòu)。
結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，符合基本功能要求。閘瓦與車輪之間有 2～3mm 的間隙，閘瓦裝在車輪水平中心線以下,使閘瓦壓力中心線同車輪水平線成約 8°～10°夾角。當(dāng)緩解時(shí),閘瓦能可靠地返回原位，這種制動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)簡單能產(chǎn)生足夠的制動(dòng)力。
（2）機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)主要零件設(shè)計(jì)根據(jù)桿件的受力情況，利用杠桿原理以及材料力學(xué)相關(guān)公式計(jì)算桿件的長度及橫截
面積，根據(jù)具體情況取值，已得到較合理的構(gòu)件尺寸。（3）分析閘瓦的失效原因
由于閘瓦與車輪踏面的摩擦，導(dǎo)致閘瓦磨損；安裝不當(dāng)，導(dǎo)致閘瓦偏磨；閘瓦表面點(diǎn)蝕、斷裂等。
（4）結(jié)構(gòu)優(yōu)化
3
通過分析制動(dòng)系統(tǒng)存在的問題，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，使得設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)更實(shí)用，更能滿足制動(dòng)的各方面要求。
1.4.2 課題研究的思路
（1）首先根據(jù)礦用機(jī)車的粘重 8t、單機(jī)制動(dòng)距離 12m、最大速度 17.5Km/h 和千分之五直線下坡道等已知條件，計(jì)算出閘瓦的制動(dòng)力；然后通過閘瓦與車輪踏面的摩擦系數(shù)，計(jì)算出閘瓦受到的正壓力；再通過杠桿原理、合力矩和制動(dòng)倍率等計(jì)算桿件的長度尺寸；通過應(yīng)力分析，計(jì)算桿件橫截面積，從而得到基本架構(gòu)。至于閘瓦，按照車輪滾動(dòng)圓直徑 680mm，選擇標(biāo)準(zhǔn)件，扎瓦托根據(jù)閘瓦尺寸鑄造。
（2）通過對(duì)制動(dòng)系統(tǒng)三維建模、虛擬樣機(jī)、有限元分析等分析閘瓦失效形式及原因，采取措施，進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。
4
第 2 章 總體方案設(shè)計(jì)
2.1 機(jī)車的主要參數(shù)及制動(dòng)系統(tǒng)簡介
2.1.1 機(jī)車的主要參數(shù)
本文研究的機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)來源于 8t 礦用窄軌電機(jī)車，其外形如圖 2.1 所示：
圖 2.1 8t 礦用窄軌電機(jī)車
其主要參數(shù)如下：
外形尺寸（長×寬×高）：4360×1050×1550
機(jī)車粘重：8t
軌距：600mm
固定軸距：1150mm
車輪滾動(dòng)圓直徑：680mm
最小轉(zhuǎn)彎半徑：7m
調(diào)速方式：斬波調(diào)速制動(dòng)方式：電氣、機(jī)械制動(dòng)
結(jié)構(gòu)速度（最大速度）：17.5Km/h
2.1.2 機(jī)車制動(dòng)系統(tǒng)簡介
機(jī)車制動(dòng)就是人為地制止機(jī)車的運(yùn)動(dòng)，包括減速和駐車，駐車也就是平時(shí)說的停車。機(jī)車解除或削弱其制動(dòng)作用的成為“緩解”。為施行制動(dòng)和緩解而在機(jī)車上安裝的整套設(shè)備稱為機(jī)車的“制動(dòng)裝置”。 “制動(dòng)”與“制動(dòng)裝置”均簡稱為“閘”，施行制動(dòng)既
5
可簡稱為“上閘”亦可簡稱為“下閘”,使制動(dòng)得到緩解則簡稱為“松閘”。[4]
由制動(dòng)裝置產(chǎn)生的與列車運(yùn)行方向相反的外力,稱為“制動(dòng)力”。這是人為的阻力,
它比在列車運(yùn)行中由于各種原因自然產(chǎn)生的阻力一般要大得多。所以,盡管在制動(dòng)減速過程中,列車運(yùn)行阻力(自然阻力)也在起作用,但起主要作用的還是列車制動(dòng)力(人為阻力)。
從司機(jī)施行制動(dòng)(將手輪轉(zhuǎn)動(dòng))的瞬間起,到列車速度降為零的瞬間止,列車所駛過的距離,稱為列車“制動(dòng)距離”。這是綜合反映列車制動(dòng)裝置的性能和實(shí)際制動(dòng)效果的主要技術(shù)指標(biāo)。有的國家使用的是平均減速度作為其主要技術(shù)指標(biāo)。為了確保行車安全,
世界各國都要根據(jù)本國鐵路情況 (主要是列車速度、牽引重量、信號(hào)和制動(dòng)技術(shù)等)制
訂出自己的制動(dòng)距離(或減速度)標(biāo)準(zhǔn))緊急制動(dòng)距離最大允許值,又稱“計(jì)算制動(dòng)距離”。
[4]比如 8t 礦用電力機(jī)車的單機(jī)制動(dòng)距離≤12m。
目前，鐵路機(jī)車車輛采用的制動(dòng)方式最普遍的是閘瓦制動(dòng)。用鑄鐵或其他材料制成的瓦狀制動(dòng)塊，在制動(dòng)時(shí)抱緊車輪踏面，通過摩擦使車輪停止轉(zhuǎn)動(dòng)。在這一過程中，制動(dòng)裝置要將巨大的動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮芟⒂诖髿庵?。而這種制動(dòng)效果的好壞，卻主要取決于摩擦熱能的消散能力。使用閘瓦制動(dòng)方式時(shí)，閘瓦摩擦面積小，大部分熱負(fù)荷有車輪來承擔(dān)。機(jī)車的速度越高，制動(dòng)時(shí)車輪的熱負(fù)荷也越大。當(dāng)車輪踏面溫度增高到一定程
度時(shí)，就會(huì)使踏面磨損、裂紋或剝離，既影響使用壽命也影響行車安全。[5]但由于礦用電機(jī)車最大速度只有 17.5Km/h，速度不高，采用中磷鑄鐵閘瓦，溫度可在 150℃以內(nèi)，不至于使閘瓦熔化。
鐵路機(jī)車制動(dòng)機(jī)按制動(dòng)原動(dòng)力和操縱控制方式的不同，可分為手制動(dòng)機(jī)、空氣制動(dòng)機(jī)、電空制動(dòng)機(jī)、電磁制動(dòng)機(jī)和真空制動(dòng)機(jī)。
手制動(dòng)機(jī)是以人力為制動(dòng)原動(dòng)力，以手輪的轉(zhuǎn)動(dòng)方向和手力大小來操縱控制。構(gòu)造
簡單，費(fèi)用低廉，是鐵路史上使用最久遠(yuǎn)，生命力最頑強(qiáng)的制動(dòng)機(jī)。[5]本文中研究的是機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)，即為手制動(dòng)機(jī)制動(dòng)系統(tǒng)。
2.2 制動(dòng)系統(tǒng)的方案確定及工作原理
2.2.1 制動(dòng)系統(tǒng)的方案確定
本文的制動(dòng)系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)屬于五桿的桿件結(jié)構(gòu)。根據(jù)規(guī)定，在制動(dòng)過程中，對(duì)手輪施加的力不能大于 160N。鑒于此規(guī)定，制動(dòng)桿的動(dòng)力臂與阻力臂之比大約為 6:1,即制動(dòng)倍
6
率為 6 倍。雙司機(jī)室控制的制動(dòng)系統(tǒng)便于往返時(shí)控制，手輪產(chǎn)生扭矩通過扭力桿和齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)兩端司機(jī)室的控制。該制動(dòng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)車輪成對(duì)制動(dòng)，調(diào)節(jié)器作為二力桿，產(chǎn)生大小相等方向相反的作用力，使得制動(dòng)更可靠。輪對(duì)制動(dòng)，減小了閘瓦正壓力，縮短了制動(dòng)距離。制動(dòng)裝置是保證電機(jī)車安全運(yùn)行、滿足運(yùn)輸要求的必備結(jié)構(gòu)，其手動(dòng)機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)示意圖如下圖：
圖 2.2 機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)示意圖
1—手輪；2—橫臂總車；3—特殊螺母；4—制動(dòng)絲桿；5—制動(dòng)桿構(gòu)件；6—輪對(duì)；7—調(diào)節(jié)器；8—閘瓦；9—圓錐滾子軸承；10—傳動(dòng)齒輪。
2.2.2 制動(dòng)系統(tǒng)的工作原理
進(jìn)行制動(dòng)操作時(shí)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)手輪，其絲桿螺母傳動(dòng)副 3、4 帶動(dòng)橫臂 2 水平移動(dòng)，與 2 相連的拉桿機(jī)構(gòu) 5 帶動(dòng)閘瓦 8 貼緊車輪 6 踏面，對(duì)車輪施加阻力距使電機(jī)車減速直至停止。調(diào)節(jié)器 7 是個(gè)二力桿，使得兩個(gè)閘瓦所受到的力大小基本相等，調(diào)節(jié)器還起到調(diào)節(jié)閘瓦與踏面間隙的作用。緩解時(shí)，只要逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)手輪即可，裝置會(huì)使得閘瓦自動(dòng)復(fù)位。若是在右邊手輪控制時(shí)，同樣是順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)手輪制動(dòng)，通過齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和扭力桿傳遞運(yùn)動(dòng)和扭矩，使得兩個(gè)手輪同步。由于該系統(tǒng)是由人力來操作的，因此要求杠桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)要使手輪操作力不大于 160N 力，否則要改用氣動(dòng)操作的制動(dòng)系統(tǒng)。
制動(dòng)時(shí)，由于制動(dòng)桿 5 的力臂大約是阻力臂的 6 倍，所以手輪所承受的扭矩不會(huì)太大，因此作用在手輪上的力也不會(huì)很大。
7
第 3 章 機(jī)車機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)
3.1 制動(dòng)系統(tǒng)的制動(dòng)能力計(jì)算
根據(jù)已經(jīng)條件：機(jī)車粘重 8t，最大速度 17.5Km/h，制動(dòng)距離不大于 12m，軌道坡度千分之五。根據(jù)《列車牽引計(jì)算規(guī)程》中的制動(dòng)理論[3-4]，其制動(dòng)能力計(jì)算如下。
（1）制動(dòng)距離
制動(dòng)距離由兩部分組成，空走距離 Sm 和有效制動(dòng)距離 Sn 之和，即
S mn = S m + S n = v0tk + 4.17(v0 - v末） （m） 3.6 Fb + w0 + i j
式中，v0 為制動(dòng)時(shí)的速度；tk 為機(jī)車空走時(shí)間；v末 為制動(dòng)后的速度，即為 0；Fb 為單位制動(dòng)力；w0 為列車單位基本阻力；i j 為制動(dòng)地段的線路坡度千分?jǐn)?shù)，上坡取正，下坡取負(fù)，水平軌道取 0。
制動(dòng)初速度 v0 取機(jī)車的最大運(yùn)行速度，即 v0 =17.5Km/h，空走時(shí)間 tk 取 1.4s，即 tk =1.4s。則空走距離：
S m = v0tk = 17.5 ′1.4 =6.8（m） 3.6 3.6
由于 S mn ≤12m，所以 S n ≤S mn - S m =12-6.8=5.2(m)，即
4.17(v
0
- v ）
末
≤5.2
①
Fb + w0 + i j
F b =1000j jJ
②
式中，j j 為閘瓦的車輪踏面的摩擦系數(shù)；J 為制動(dòng)率。
w0
￠
P
￠
w0
=
=w0
③
P
式中，w0￠ 為機(jī)車單位基本阻力；P 為機(jī)車粘著質(zhì)量。
w0￠=2.26+0.024v+0.00025 v2
機(jī)車在平直軌道上試驗(yàn)。i j =0 ④
由上述式子得：F b =1000j jJ ≥242.83 （N） ⑤
（2）制動(dòng)力
制動(dòng)力等于閘瓦總壓力與摩擦系數(shù)的乘積，而摩擦系數(shù)與制動(dòng)初速度 v0 和瞬時(shí)速
8
度 v 有關(guān)。故摩擦系數(shù)采用了以下簡化公式（中磷鑄鐵閘瓦）：
j j =0.356′
0.4v + 100
⑥
4v + 100
式中，v 為機(jī)車的運(yùn)行速度。閘瓦的摩擦系數(shù)隨著速度的增大而減小，故為了保證機(jī)車制動(dòng)的安全性，v 取機(jī)車最大運(yùn)行速度。V=17.5Km/h，故制動(dòng)力為：
F 制 = ?（Kj j ) ⑦
在（1）中，F(xiàn) b 取 245N，即 F b =1000j jJ =245N ⑧
由⑥、⑧式代入數(shù)據(jù)得：J =1.11
（3）制動(dòng)率
J =
? K
⑨
1000Pg
式中，? K 為閘瓦總壓力；g=9.81N/Kg。
由⑨式代入數(shù)據(jù)得：? K =87112.8 （N）
（4）制動(dòng)防抱死條件由⑦式代入數(shù)據(jù)得：F 制 =19164.82 （N）
由湘潭電機(jī)廠提供的粘著系數(shù)y = 0.25 可以求得車輪與軌道的粘著力，粘著力等于
粘重與粘著系數(shù)的乘積，即
B=1000Pgy =1000′ 8′ 9.81′ .025=19620 （N）
制動(dòng)力受到粘著條件的限制，最大制動(dòng)力必須不大于粘著力。如果制動(dòng)力超過最大制動(dòng)力，粘著條件被破壞，機(jī)車車輪被“抱死”，從而產(chǎn)生“打滑” 現(xiàn)象。而從上述的
計(jì)算來看，制動(dòng)力 F 制 ≤B，所以制動(dòng)時(shí)不會(huì)出現(xiàn)打滑現(xiàn)象。（5）制動(dòng)倍率閘瓦的傳動(dòng)率hz =0.85，所以每個(gè)閘瓦受到的反作用力為：
N=
? K
=
87112.8
=25621.41
（N）
0.85 ′ 4
0.85 ′ 4
傳動(dòng)倍率：g
z
=
N
FA
3.2 桿件結(jié)構(gòu)的受力分析與力學(xué)計(jì)算
3.2.1 桿件結(jié)構(gòu)的受力分析
9
制動(dòng)桿與拉桿銷釘連接，制動(dòng)時(shí)制動(dòng)桿受到水平方向的拉力；制動(dòng)桿與閘瓦托也是銷釘連接，制動(dòng)時(shí)此處受到閘瓦托的反作用力，大小等于閘瓦對(duì)車輪踏面的正壓力；制動(dòng)桿與調(diào)節(jié)器也是銷釘連接，受到調(diào)節(jié)器給它水平方向的推力。右邊連桿的受力與制動(dòng)桿差不多，這里不再贅述。機(jī)構(gòu)受力分析如下圖：
圖 3.1 機(jī)構(gòu)受力分析
3.2.2 桿件結(jié)構(gòu)的力學(xué)計(jì)算
如圖 3.1，現(xiàn)對(duì)前制動(dòng)裝置（左邊部分）進(jìn)行力學(xué)計(jì)算。閘瓦的安裝位置與水平線成10° 夾角，即 N1 與水平線成10° 夾角。由圖設(shè)計(jì)尺寸可得：L1 = 672mm ，L2 = 562mm ，
L3 = L1 - L2 = 110mm ，L4 = 112mm ，L5 = 9mm ，L6 = 305mm ，L7 = 406mm 。
豎直方向上合力為零，即
? Fy = 0 ，F(xiàn)C cos15° = N1 sin10° ⑴
10
B 點(diǎn)合力偶矩為零，即
? M B = 0 ，F(xiàn)A × L1 = N1 × L4 + FC × L5 ⑵
C 點(diǎn)合力偶矩為零，即
? M C = 0 ，F(xiàn)A × L2 = FB × L3 ⑶
由（1）式代入數(shù)據(jù)得：FC = 4490.35 (N)
由（2）式代入數(shù)據(jù)得：FA = 4330.37 (N)
由（3）式代入數(shù)據(jù)得：FB = 22124.25 (N)
絲桿受到的拉力：
Fa = 2FA = 2 ′ 4330.37 = 8660.74 (N)
手輪直徑：
取絲桿的公稱直徑為f36 mm，由圖 3.1 可知，拉桿需要沿水平方向運(yùn)動(dòng) 25.6mm，閘瓦才開始接觸車輪踏面，根據(jù) GB5796.3—86，選用螺距 I=10mm，也即手輪轉(zhuǎn)動(dòng)兩圈半閘瓦開始對(duì)車輪施加壓力制動(dòng)。手輪轉(zhuǎn)矩為：
Ta =
Fa × I
2
′ 3.14 × n1
式中，n1 為進(jìn)給絲桿的效率，取n1 =0.94。代入數(shù)據(jù)得：Ta =14671.26 N·mm
因?yàn)?Ta = F × d F 為施加在手輪上的力，d 為手輪直徑。且 F≤160N
所以 d 3
Ta
=
14671.26
= 91.70 mm ，
取 d=300mm。
160
F
對(duì)后制動(dòng)裝置進(jìn)行力學(xué)計(jì)算。同理，閘瓦對(duì)車輪的正壓力方向與水平方向成10° 的
夾角，即 N2 與水平線成10° 夾角。
E 點(diǎn)合力偶矩為零，即
? M E = 0 , FG × L7 = N2 × L6 (4)
因?yàn)?BG 屬于二力桿，則有 FG = FB = 22124.25 (N)，由（4）式代入數(shù)據(jù)得：
N2 = 29450.64 (N)
對(duì)連桿在豎直方向合力為零，即
? F
= 0 ，F(xiàn)
cos15 = N
sin10
（5）
y
F
2
由（5）式代入數(shù)據(jù)得：FF =5161.45 (N)
3.3 制動(dòng)系統(tǒng)主要零件的尺寸計(jì)算與確定
11
以下涉及力學(xué)計(jì)算的公式均來自《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》表 1—64,桿件計(jì)算的基本公式[10]。
（1）制動(dòng)桿的尺寸計(jì)算與確定
在制動(dòng)過程中，制動(dòng)桿主要受到彎曲應(yīng)力，因此，現(xiàn)對(duì)制動(dòng)桿危險(xiǎn)截面進(jìn)行彎曲應(yīng)
力計(jì)算。制動(dòng)桿選用 Q235 材料，根據(jù) GB/T700，材料的彎曲許用應(yīng)力[s ] =158～235Mpa，
取[s ] =160Mpa，制動(dòng)桿的受力分析簡圖如下圖：
圖 3.2 制動(dòng)桿受力分析
制動(dòng)桿的彎矩圖如下圖：
圖 3.3 制動(dòng)桿彎矩圖
由彎矩圖知，C 截面為危險(xiǎn)截面，設(shè)計(jì)時(shí)取制動(dòng)桿寬度為 20mm，即 b=20mm。則
s = M max
Wz
式中，M max 為危險(xiǎn)截面彎矩；Wz 為抗彎截面系數(shù)。
M
max
= F × L
，W
=
bh
2
。
B3
z
6
危險(xiǎn)截面彎曲應(yīng)力不能大于許用彎曲應(yīng)力，即s = M max ≤[s ]
Wz
由上述式子代入數(shù)據(jù)得：h≥67.55mm，取 h=97mm。
制動(dòng)桿零件圖如下圖：
12
圖 3.4 制動(dòng)桿零件圖
（2）銷釘?shù)募羟袘?yīng)力
銷釘選用 Q235 材料，其剪切許用應(yīng)力[t ] = 100MPa ，則
t = FAs ≤[t ]，F(xiàn)s = N21 ， A = p ( d2 )2
由上述式子代入數(shù)據(jù)得：d≥12.77mm。取 d=23.5mm。
其他銷釘?shù)挠?jì)算方法一樣，具體尺寸見總裝圖。
（3）拉桿的抗拉強(qiáng)度
拉桿選用 Q235 材料，由《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》2008，碳素結(jié)構(gòu)鋼的力學(xué)性能得，Q235
鋼的抗拉強(qiáng)度為[s ] =375～500Mpa，取[s ] =375Mpa。由《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》桿件計(jì)算的基
本公式[10]得，
s = PA ≤[s ] ，P 為拉桿承受的拉力，P=F A =4330.37 N；A 為拉桿橫截面積，A = a2 。
由此解得：a ≥3.4mm。由于制動(dòng)桿的厚度為 20mm，為了與之配合協(xié)調(diào)，取a =20mm。
拉桿的長度根據(jù)結(jié)構(gòu)的需要以及在機(jī)車安裝的位置定，取長度為 1090mm。拉桿零件圖如下圖：
圖 3.5 拉桿零件圖
（4）扭力桿在扭矩作用下的剪切應(yīng)力和最大扭轉(zhuǎn)角扭力桿選用 Q235 材料，其在扭矩作用下的許用剪切應(yīng)力為[t ] = 98MPa 。由《機(jī)械
設(shè)計(jì)手冊(cè)》桿件計(jì)算的基本公式[10]得，
M
t max = W K ≤[t ]
K
式中，M K 為扭力桿所受扭矩；WK 為抗扭截面模數(shù)。
13
M K =14671.26 N·mm，WK = J K = pd 3 。由上述式子代入數(shù)據(jù)得： r 16
d≥9.14mm，取 d=38mm。
在扭矩作用下的最大扭轉(zhuǎn)角j ：
j =
M K l
×
180
(°/m)
GJ K
p
式中，l 為桿長；G 為材料剪切彈性模數(shù)； J K 為抗扭慣性矩。
G =
E
2(1 + m)
式中，E 為彈性模量，m 為泊松比。Q235 的剪切彈性模數(shù) G=79GPa。
J K = pd 4
32
材料的許用扭轉(zhuǎn)角[j] = 1.5 / m
由此解得：l ≤28819.59mm 。取l =2188mm。
扭力桿零件圖如下圖：
圖 3.6 扭力桿零件圖
（5）連桿的抗拉強(qiáng)度及彎曲應(yīng)力由圖 3.1 受力分析可知，后制動(dòng)裝置中連桿受到FF = 5161.45 （N）拉力，受到FG
和 N2 共同作用的彎矩。連桿的零件圖如下圖：
14
圖 3.7 連桿零件圖
對(duì)連桿受力分析如下圖：
圖 3.8 連桿受力分析
連桿的彎矩圖如下圖：
圖 3.9 連桿彎矩圖
15
將 FG 分解為水平和豎直兩個(gè)方向（相對(duì)于圖 3.8 ）的力，其中
FGy = FG cos10 =21788.13 (N)。F 截面為最大彎矩截面處，則
M max =112×21788.13=2440270.56 （N·mm）
連桿選用 Q235 材料，根據(jù) GB/T700，材料的彎曲許用應(yīng)力[s ] =158～235Mpa。設(shè)計(jì)時(shí)取連桿厚度為 20mm，即 b=20mm，最大彎曲應(yīng)力截面處高度為 95mm，即 h=95mm。則此處的彎曲應(yīng)力為：
s = M max
Wz
bh2
式中，M max 為危險(xiǎn)截面彎矩；Wz 為抗彎截面系數(shù)。Wz = 6 。
由此解得：s =81.12 Mpa＜[s ] ，因此所設(shè)計(jì)尺寸符合要求。
(6) 絲桿的抗拉強(qiáng)度及抗扭強(qiáng)度
在機(jī)車制動(dòng)過程中，絲桿受到軸向拉力及絲桿螺母副產(chǎn)生的扭矩。絲桿零件圖如下
圖：
圖 3.10 絲桿零件圖
絲桿選用 Q235 材料，由《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》2008，碳素結(jié)構(gòu)鋼的力學(xué)性能得，Q235
鋼的抗拉強(qiáng)度為[s ] =375～500Mpa，取[s ] =375Mpa。由《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》桿件計(jì)算的
基本公式[10]得，
s = PA ≤[s ]
式中，P 為拉桿承受的拉力，P= Fa =8660.74 N；A 為拉桿橫截面積， A = p ( d2 )2 。
由此解得：d≥5.42mm。
絲桿在扭矩作用下的許用剪切應(yīng)力為[t ] = 98MPa 。由《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》桿件計(jì)算
的基本公式[10]得，
M
t max = W K ≤[t ]
K
式中，M K 為扭力桿所受扭矩；WK 為抗扭截面模數(shù)。
16
M K =14671.26 N·mm，WK = J K = pd 3 。由上述式子代入數(shù)據(jù)得： r 16
d≥9.14mm，綜合拉力與剪切應(yīng)力計(jì)算的直徑，絲桿最小截面處直徑取 d=25mm。
絲桿在扭矩作用下的最大扭轉(zhuǎn)角j ：
j =
M K l
×
180
(°/m)
GJ K
p
式中，l 為桿長；G 為材料剪切彈性模數(shù)； J K 為抗扭慣性矩。
G =
E
2(1 + m)
式中，E 為彈性模量，m 為泊松比。Q235 的剪切彈性模數(shù) G=79GPa。
J K = pd 4
32
材料的許用扭轉(zhuǎn)角[j] = 1.5 / m
由此可解得：l ≤4587.04mm，根據(jù)機(jī)構(gòu)的需要取l =458mm。
3.4 標(biāo)準(zhǔn)件及外購件的選用
（1）閘瓦的選用
根據(jù)窄軌工礦電機(jī)車用閘瓦 JB/T3267——1991 以及機(jī)車車輪滾動(dòng)圓直徑f680 mm，
選用標(biāo)準(zhǔn)閘瓦，閘瓦材料為中磷鑄鐵（HT150）。閘瓦零件圖如下圖：
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