一种高速列车的空气动力制动装置

摘要

本发明公开了一种高速列车的空气动力制动装置，包括：轴盘、摩擦轮、转轴、轴承、叶轮、紧固环、钳杆及驱动机构；所述轴盘装在列车的车轴上；叶轮装在转轴的一端，摩擦轮装在转轴的另一端；两个轴承处在转轴的中段，轴承被箍在两个紧固环内；制动时，驱动机构操纵钳杆将叶轮及其组件从裙板上放下，与轴盘的圆锥摩擦面接触并挤紧，因摩擦传动使叶轮高速旋转对空气做功，产生向前的风力，同时与迎面的空气剧烈碰撞，将列车的动能耗散于空气中，从而达到制动目的；制动结束后，摩擦轮从轴盘脱离，钳杆上升，叶轮及其组件被提升至裙板上。本装置利用空气动力原理制动，制动力大、可显著缩短制动所需时间，维修方便，寿命长。

说明书

技术领域

本发明属于铁路车辆的制动技术领域，涉及一种高速列车的空气动力制动装置。

背景技术

高速列车的可靠制动是行车安全的基本要求，列车的制动方式按动能消耗方式分为摩擦制动（又称空气制动）与动力制动；摩擦制动包括闸瓦制动（踏面制动）、盘形制动、磁轨制动；动力制动包括电阻制动、再生制动、旋转涡流制动、轨道涡流制动等。按制动力形成方式又可分为粘着制动与非粘着制动，其中，闸瓦制动、盘形制动、电阻制动、再生制动、旋转涡流制动属粘性制动，磁轨制动与轨道涡流制动属非粘性制动。

目前高速列车普遍采用复合制动模式，即空气制动与动力制动结合，再加上不受电气故障影响的磁轨制动作为紧急制动的备用手段。磁轨制动是通过使列车转向架上的磁铁放下，利用磁铁与轨道之间的吸引力来产生较大的摩擦力，从而使列车减速。磁轨制动属于非黏着制动，制动力不受轮轨黏着系数的影响，制动力较稳定，但目前磁轨制动技术只能提供总制动力的10%多一点，而且磁轨制动直接与轨道摩擦，产生很大的热能，导致轨道升温，同时它对钢轨磨损较大，因此磁轨制动被更多地运用于紧急制动。表1为我国高速试验列车300km/h紧急制动时各种制动方式制动力的分配比例，表2为不同初速下各种制动方式的制动距离。

表1紧急制动时各制动方式制动力占比分配（%）。

制动方式盘形制动运行阻力动力制动磁轨制动纯空气制动937——空气制动与磁轨制动复合826—12空气制动与动力制动复合≥546≤40—空气制动、动力制动与磁轨制动复合≥48.55.4≤3610.1

表2高速列车的制动装置和紧急制动距离。

列车型号最高速度 /(km^.h^-1)制动方式拖车根 轴制盘 数/个标准距离 /m不良状态 距离/m300系(日本)300动力+盘形24 960—ICE(德国)300动力、盘形+磁轨43 450—TGV-A(法国)300动力、盘形43 5004 500TGV-PSE(法国)270动力、盘形、踏面43 200—京沪300 km/h300动力、盘形+磁轨43 7004 500京沪200 km/h200动力、盘形31 8002 000

在正常情况下高速列车以动力制动为主，不足部分以空气制动作为补偿。在该制动模式中，动力制动能力主要取决于动车的数量和各动车的动力制动功率。在动力分散式高速列车中，动力制动的能量占50%以上。对于动力集中式高速列车，在调速制动时，动力制动也占有较大的比例。

在常用全制动和紧急制动时，空气制动则占有较大的比例，此时动力制动力已达到最大值，可调的是空气制动力，而且在低速及停车时必须依靠空气制动作用。

目前的空气制动普遍采用盘形摩擦制动的方式,在其他制动方式失效的情况下,可以保证高速列车能够在规定的距离之内停车,以确保列车运行的安全。但是盘形制动方式随着列车运行速度的提高,动能的增加,制动时产生的热能也大大增加,巨大的制动热负荷使制动盘容易产生热疲劳破坏，主要表现在交变温度和交变热应力同时作用下的机械损伤、组织蜕变和氧化腐蚀，严重时会在制动盘摩擦面上产生径向裂纹,容易导致制动盘的脆性断裂,影响行车安全，此外制动盘表面发生高温蠕变、高温氧化及摩擦热造成材料软化等问题，另外，制动盘使簧下重量及其引起的冲击振动增大；运行中还要消耗牵引功率，速度愈高，这种功率损失也越大。

动力制动虽然效率较高，在常规制动中大量使用，但由于该制动装置设计复杂，安装精度高，管线多，在意外情况下，列车可能发生电气故障而导致失电，所以在紧急制动中只能作为备选手段而不能作为终极的制动手段。

从表2可以看出，目前的制动方式普遍存在制动距离过长的问题，随着我国铁路不断向高速、超高速化发展，现有的制动方式从装置的材质、制动能量及舒适性方面考虑已经越来越难以满足300km/h以上时速的高速列车的营运要求。

针对这种情况，本发明设计了一种空气动力制动的装置，其原理是利用高速运动的车轴作为动力源，驱动专门设计的叶轮高速旋转，对空气做功，同时叶片与迎面的空气剧烈碰撞，从而将列车的动能消散于空气达到制动的目的；与传统制动装置相比，该空气动力制动装置具有结构简单，制动效率高、维护保养方便的优点。

发明内容

本发明的目的是提供一种空气动力制动装置，以解决高速列车现有制动技术中存在的不足。

所述的一种高速列车的空气动力制动装置，包括以下几部分：轴盘、摩擦轮、转轴、轴承、叶轮、紧固环、钳杆及驱动机构。

所述轴盘装在列车的车轴上；叶轮装在转轴的一端，转轴与轴承过盈配合装配在一起；转轴的另一端与一只摩擦轮相接，轴承被箍在两个紧固环内；制动时，驱动机构启动，操纵钳杆将叶轮及其组件从裙板内放下与轴盘的圆锥摩擦面接触并挤紧，因摩擦传动使叶轮高速旋转对空气做功，产生向前的风力，同时与迎面的空气剧烈碰撞，将列车的动能耗散于空气中，从而达到制动目的；制动结束后，摩擦轮从轴盘脱离，钳杆将叶轮及其组件提升至裙板内。本空气制动装置可装在动车上也可装在拖车上，同一根车轴可以安装一个或多个带摩擦面的轴盘，与之相应，安装一套或多套匹配的叶轮及其组件。

所述的轴盘为环形圆盘，圆盘的外缘为圆锥形摩擦面，轴盘以过盈配合装在车轴上。

所述的摩擦轮为圆锥形摩擦轮，由耐磨的金属或合金材料制成，也可进行表面处理或覆膜以增加耐磨性；摩擦轮与转轴以过盈配合装在转轴尾端。

所述的转轴由高强度合金钢制成，摩擦轮及叶轮均分别装在转轴的两端；所述的叶轮由轴套与叶片组成，均由高强度合金钢制成；所述的轴套为圆筒结构；所述的叶片焊接在轴套上或是与轴套一起整体铸造；叶片为轴流式叶片，转动时产生的风向为列车前进方向；轴套过盈配合装在转轴上。

所述的轴承为滚动轴承，由高强度耐磨合金钢制成，其内圈与转轴过盈配合组装在一起。

所述的紧固环由不锈钢或其它金属材质的制成，紧固环箍在滚动轴承的外圈；紧固环上设有与钳杆连接的挂环。

所述的叶轮及其组件平时置于列车裙板上，制动时，驱动机构操纵钳杆放下叶轮并使摩擦轮与轴盘摩擦接触，驱动叶轮高速旋转对空气做功并与迎面空气剧烈碰撞产生制动力；制动结束后，驱动机构操纵摩擦轮与轴盘脱离，钳杆上升使叶轮及其组件升至裙板上。

所述的驱动机构采用气动与液压驱动相结合。

本发明的有益效果在于：(1)结构简单，制动力大，显著缩短制动所需的时间，明显降低列车发生意外的几率；(2)机械磨损少，维修保养方便，寿命长；（3）控制容易，对现有列车的车体结构改动很小。

附图说明

图1为空气动力制动装置示意图。

图2为轴盘示意图。

图3为摩擦轮示意图。

具体实施方式

以下结合附图详细描述本发明的实施过程

如图1~3所示，本发明装置包括轴盘1、摩擦轮2、转轴3、轴承4、叶轮5、紧固环6、钳杆7及驱动机构8；

1）将轴盘1的外缘切削加工成圆锥摩擦面；

2）将轴盘1过盈配合装在车轴上；

3）将两个滚动轴承4的内圈过盈配合装配在转轴3的中段位置；

4）将叶轮5过盈配合装在转轴3的一端；

5）将摩擦轮2过盈配合装在转轴3的另一端；

6）将紧固环6箍在轴承4的外圈上；

7）将紧固环6与钳杆7连接；

8）将钳杆7与驱动机构8连接。

按以上方法，拖车的每根轴配备两套这样的制动装置，对应于前轴的两套叶轮5朝列车前进方向，对应于后轴的两套叶轮5逆着列车前进方向，但叶轮5产生的风力均向着列车的前进方向。

列车正常行驶时，叶轮5及其组件在列车裙板上；当列车发出制动指令时，驱动机构8启动，操纵钳杆7下降，使摩擦轮2的高度接近车轴的高度，然后摩擦轮2与轴盘1的摩擦面接触并挤紧，靠摩擦传动驱动叶轮5高速旋转对空气做功并与迎面空气剧烈碰撞产生制动力；制动结束后，驱动机构8操纵摩擦轮2与轴盘1脱离，钳杆7上升使叶轮5及其组件升至裙板上；所述的驱动机构8采用气动与液压驱动相结合。

以上所述是本发明的优选实施方式，应该指出，对于本领域的普通技术人员，在不脱离本发明构思的前提下，可以做出若干改进或调整，这些改进或调整方案理应落在本发明的保护范围内。