第四节　基础制动装置

基础制动装置是指从制动缸活塞杆到闸瓦（或闸片）之间的一系列杠杆、拉杆、制动梁等各零部件所组成的机械装置。

基础制动装置是利用杠杆的原理，将压缩空气作用在制动缸活塞上的推力或人力制动机所产生的拉力，扩大适当倍数后，均匀地传给每块闸瓦或闸片，使其压紧车轮踏面或制动盘，阻止车轮转动而产生制动作用。

一、基础制动装置的形式及特点

（一）单闸瓦式

单闸瓦式基础制动装置，也称单侧制动，是一种只在车轮踏面的一侧配置一块闸瓦的制动方式，如图1-2所示。

我国目前铁路货车绝大部分采用单闸瓦式基础制动装置。单闸瓦式构造简单，节约材料，便于检修。但由于受到闸瓦面积和闸瓦承受的压力限制，制动力的提高也受到限制。若闸瓦单位面积承受的压力过大，容易造成温度高而使闸瓦融化，加速闸瓦的磨耗，甚至还可能会发生“磨托”现象，不仅会划伤车轮踏面，还会衰减制动力，影响行车安全，有时甚至会引起火灾，这种情况在长大下坡道区段尤其严重。为了减少这种情况的发生，目前普遍采用高摩擦系数的合成闸瓦，明显改善了制动效果，提高了货物列车的运输效率。

（二）双闸瓦式

双闸瓦式基础制动装置，也称双侧制动，是在每个车轮踏面附近相对应地配置两块闸瓦的制动方式，如图1-15所示。

目前我国普速铁路客车和部分特种货车采用双闸瓦式基础制动装置。这种制动装置闸瓦的摩擦面积比单闸瓦式增加一倍，闸瓦单位面积承受的压力较小，不但能提高闸瓦的摩擦系数，而且散热面积较大，可降低闸瓦与车轮踏面的温度，延长车轮的使用寿命，减少闸瓦的磨耗量，并可得到较大的制动力。同时，由于每个车轮两侧都有闸瓦，制动时两侧的闸瓦同时压紧车轮，改善了车轮与闸瓦的受力状况。但是这种形式的结构比较复杂，检修比较困难，尤其是一般侧架式货车转向架不宜安装使用。

（三）单元式

1.盘形制动单元

盘形制动单元是指制动时将闸片压紧制动盘而产生制动作用的制动方式。我国于1989年开始在硬座25型双层客车上试用，1999年9月开始，新造客车（25B、25G、25K、25T型）开始批量安装，在高速动车组上的空气制动系统，全部安装使用盘形制动单元。

（1）轴盘式制动单元

在每根车轴上安装两个制动盘（列车运行速度≤160km/h），或三个、四个制动盘（列车运行速度>200km/h）。每个制动盘对应一对闸片、一套杠杆机构（制动夹钳）、一个制动缸，构成一个盘形制动单元，以三个连接点悬挂在构架横梁上的制动缸吊座上。中间悬挂点是整个单元的重心，承受全部质量，两个闸片吊杆承受闸片切向力并传递到转向架构架上，如图1-16（a）所示。

（2）轮盘式制动单元

一般是因为车轴上安装了牵引齿轮箱或变速箱无法安装制动盘，而将摩擦盘分别安装在每个车轮辐板的内外两侧。普通车辆很少使用，大多数用于机车和动车组的动力轴车轮上，如图1-16（b）所示。

盘形制动装置具有结构紧凑质量轻、制动效率高、制动力较大、制动性能稳定等特点。但是其缺点也比较明显，如轮轨间黏着系数下降，车轮踏面裂纹、缺损较多。

2.集成梁形制动单元

在我国的三大件式货车转向架上因为安装盘形制动单元比较困难，因此，一直试验在制动梁上安装一套制动缸、推杆、闸调器等构成的一个集成梁形制动单元，如图1-17所示。这种制动装置构造虽然简单，但制动梁受力比较复杂，对强度要求较高，制动梁的安装定位比较困难。所以，目前只在少部分新造货车上安装使用，有待于继续改进和推广。

二、基础制动装置的构造和作用

（一）货车单闸瓦式

货车单闸瓦式基础制动装置的构造和零部件名称如图1-18所示。

制动机发生制动或缓解时，力的作用示意如图1-19所示，其作用过程如下：

1.制动作用

制动机在发生制动作用时，压缩空气进入制动缸，推动活塞、活塞杆，活塞推杆伸出，推动制动缸前杠杆动作。制动缸前杠杆一面以中部圆销为支点牵动一位上拉杆，同时又以与上拉杆连接的圆销为支点带动连接拉杆，连接拉杆则以制动缸后杠杆托（安装在制动缸后盖上或另外独立安装）为支点牵动二位上拉杆，因此一、二位上拉杆同时向车辆中部移动。上拉杆的移动，再将作用力传至两个转向架移动杠杆的上端，在移动杠杆下端，与下拉杆连接，下拉杆的另一端与固定杠杆下端连接，固定杠杆上端与固定支点连接。固定杠杆不能移动，只能转动。固定杠杆和移动杠杆的中部与制动梁支柱连接。当来自制动缸的作用力传至移动杠杆、固定杠杆时，带动制动梁、闸瓦压向车轮踏面，产生制动作用。

2.缓解作用

制动机在发生缓解作用时，制动缸内的压缩空气排出，制动缸活塞在其缓解弹簧的作用下恢复原位，带动活塞杆一起回到制动缸内。各个杠杆、拉杆、闸瓦、制动梁等则在闸瓦和制动梁重力的作用下，恢复到原位。闸瓦离开了车轮踏面，缓解了制动作用。

当使用手制动机时，在手制动机链条卷绕到制动轴上以后，手制动拉杆直接拉动制动缸前杠杆的端部，与活塞的推力方向完全一致，可以实现制动作用，只是手制动作用的拉力比制动缸活塞的推力要小的多。

（二）客车双闸瓦式

普速客车采用的双闸瓦式基础制动装置的构造和零部件名称如图1-20所示。

制动机发生制动或缓解作用时，各组成部件的动作类似单闸瓦式，力的作用示意如图1-21所示，具体作用过程如下：

1.制动作用

压缩空气进入制动缸，推动活塞、活塞杆及十字头导框伸出，推动制动缸前杠杆动作。制动缸前杠杆一面以中部圆销为支点牵动一位均衡杠杆拉杆，同时又以与均衡杠杆拉杆连接的圆销为支点带动连接拉杆，连接拉杆则以制动缸后杠杆托（与后盖上安装的闸调器组装在一起）为支点牵动二位均衡杠杆拉杆，因此一、二位均衡杠杆拉杆同时向车辆中部移动。

均衡杠杆拉杆的移动，再将作用力传至均衡杠杆、均衡拉杆，然后传至两个转向架的移动杠杆、移动杠杆拉杆、上拉杆，最后传到上端连接在构架端梁的固定杠杆（只能转动）；在移动杠杆下端、固定杠杆下端都与制动梁拉环连接并随杠杆移动；制动梁两端与闸瓦托吊下端销接，闸瓦托吊上端连接在构架上（只能转动），中间安装闸瓦，当作用力传至移动杠杆、固定杠杆时，带动制动梁、闸瓦靠近并压紧车轮踏面，产生制动作用。

2.缓解作用

制动缸内的压缩空气排出，制动缸活塞在其缓解弹簧的作用下恢复原位，活塞杆也沿十字头导框一起回到制动缸内。各个杠杆、拉杆、闸瓦、制动梁等则在制动梁重力和制动梁缓解弹簧的共同作用下，恢复到原位。闸瓦离开车轮踏面，达到缓解的目的。

三、基础制动装置的主要部件

（一）制动缸活塞杆和推杆

制动缸活塞杆和推杆是介于空气制动机和基础制动装置之间的两个配件。客车制动缸只有活塞杆，而货车制动缸两者都有。它们的主要用途是推动制动缸前杠杆并便于人力制动机的使用。

1.货车制动缸活塞杆和推杆

货车用制动缸活塞杆是由圆形钢管制成，用铆钉固定在制动缸活塞座上，中间插入推杆，两者间没有固定结合装置，推杆结构如图1-22所示。新造货车在推杆体上安装有“推杆复原弹簧装置”。

2.客车制动缸活塞杆

（1）普速客车用的制动缸活塞杆是圆钢实心结构，一端固定在制动缸活塞座上，另一端铆接一个十字头导框，以方便空气制动或手制动时制动缸活塞的推出制动和退回缓解。普速客车制动缸活塞杆等结构如图1-23所示。

（2）盘形制动单元中的制动缸活塞杆与闸调器已经组合在一起，不仅能完成正常的空气制动与缓解作用，还能够根据闸片与制动盘之间的间隙，自动调整活塞移动距离，保证制动力始终满足正常制动需要。制动缸及活塞杆的结构如图1-24所示。

（二）杠杆

杠杆是用于扩大和传递制动缸活塞推力的主要配件。客货车所采用的各种杠杆根据安装位置和作用的不同，其具体名称也不同，如制动缸前杠杆、制动缸后杠杆、移动杠杆、固定杠杆等。但形状基本相同，如图1-25所示。杠杆中部因受力较大，所以断面尺寸较大，两端稍窄，构成鱼腹形。

（三）制动梁

制动梁是制动时承受制动机各杠杆扩大后的负荷，将闸瓦压紧在车轮踏面上。

1.货车制动梁

我国货车制动梁种类较多，目前使用的主要是在滚轴式滑槽制动梁的基础上改进和发展的L-A型、L-B型和L-C型组合式制动梁等。组合式制动梁在梁体两端的闸瓦托外侧设有滑块，而在转向架的侧架上设有配套的滑槽，将滑块安放到滑槽内，以代替闸瓦托吊的作用。

L-A型、L-B型组合式制动梁（图1-26）是为提高制动梁的疲劳强度和使用可靠性，借鉴美国AAR技术标准开发的新型制动梁。可与之前大范围使用的滚轴式槽钢制动梁完全互换，其结构型式的主要特点如下：

（1）采用模块化的组合式结构，整个制动梁由三大部件组装在一起，无焊缝结构。

（2）制动梁架由异型钢材经过切分、拉制而形成弓形梁结构，其两端以压力装配方式装入闸瓦托的止孔内。

（3）闸瓦托与其外侧的滑块构成一个整体，滑块上套有非金属磨耗套。

（4）支柱前、后端通过U形接口和夹扣与梁体和弓形杆相连。

（5）锻造工艺制动梁为L-A型，轧制工艺制动梁为L-B型。

L-C型组合式制动梁（图1-27）是在吸收法国阿贝尔公司制动梁锻造端头和热压装工艺的基础上研制而成的，其主要结构特点如下：

（1）滑块与制动梁端头用优质钢模锻成一体。

（2）支柱为优质钢的模锻件，与弓形杆、梁体结合部改为定位卡装方式。

（3）弓形杆为圆钢轧制，梁体为轧制无缝钢管。

（4）滑块与制动梁端头锻成一体，制动梁端头与弓形杆采用了过盈套装结构。

（5）闸瓦托用折头螺栓和防松螺母连接在制动梁端头与滑块之间。

上述制动梁可用于转8A、转8G、转K1、转K2、转K6及2D轴控制型等常用各型转向架。

2.客车制动梁

我国普速铁路客车206型、209型转向架所采用的制动梁如图1-28所示。它是由制动梁体（20mm×100mm的扁钢）、制动梁端轴和拉环等组焊而成。

（四）闸瓦托和闸瓦托吊

在基础制动装置中，除了合理地确定各杠杆的尺寸外，还要合理地布置闸瓦的悬挂位置，这直接影响制动效果和列车的运行安全。闸瓦悬挂应当保证以下两点：

（1）在同一个车轮上，前后两块闸瓦的压力应尽量相等，而且同一块闸瓦在车轮回转方向不同时，其闸瓦压力（径向）应尽量保持不变。

（2）施行缓解作用时，闸瓦能以自身的质量而自动离开车轮。在运行中遇有振动时，闸瓦也不会碰靠车轮。

闸瓦托为安装闸瓦的支承件。闸瓦托用铸钢制成，与闸瓦背接触面的弧度为R451mm，以保证闸瓦背面与闸瓦托支承面接触良好。

货车的闸瓦托与制动梁端部已经制造或组装为一个整体，如图1-29所示。客车的闸瓦托，一般不直接安装在制动梁上，而是另安装在闸瓦托吊上，如图1-30所示。

客车闸瓦托吊有两种型式。一种为三孔结构，如图1-31（a）所示，主要用于202型转向架；一种为二孔结构，如图1-31（b）所示，多用于206型、209型转向架。

（五）闸瓦

闸瓦是制动时压紧在车轮踏面上以产生制动作用的制动摩擦块。常用的有铸铁闸瓦和合成闸瓦两大类。

在铸铁闸瓦中，有中磷铸铁闸瓦和高磷铸铁闸瓦两种。在合成闸瓦中，通常是按其摩擦系数高低，分为低摩合成闸瓦、高摩合成闸瓦和120K型高摩合成闸瓦。

中磷、高磷铸铁闸瓦和低摩合成闸瓦的摩擦系数非常接近，可以互换使用（不用改变基础制动装置的结构），所以这三种闸瓦也称为通用闸瓦，但每一个转向架上安装的闸瓦应该是同一种类型。

1.铸铁闸瓦

中磷铸铁闸瓦的含磷量为0.7％～1.0％，高磷铸铁闸瓦的含磷量为1.0％以上。运用实践表明，高磷闸瓦的耐磨性比中磷闸瓦高1倍左右，使用寿命约为中磷闸瓦的2.5倍以上。当含磷量超过1.0％时，闸瓦的脆性将大大增加，容易产生裂损，所以高磷闸瓦需采用钢背补强。

铸铁闸瓦的基本型式如图1-32所示。闸瓦的原型厚度为45mm，内圆弧半径为440mm，可同时满足客车、货车不同轮径的配套使用。

2.合成闸瓦

普通的低摩、高摩合成闸瓦是以树脂、金属粉末（铸铁粉、铜粉、铝粉或铅锌等氧化物）、减摩剂、稳定剂等材料在热压下塑合而成，具有以下特点：

（1）摩擦性能可按需要进行调整，以充分利用轮轨间的黏着系数。

（2）耐磨性能好，使用寿命长。一般为铸铁闸瓦的5～6倍。

（3）对车轮踏面的磨耗小，可延长车轮的使用寿命。

（4）质量轻，一般只为铸铁闸瓦的二分之一或三分之一。

（5）制动时可避免磨耗铁粉的污损及因喷射火星而引起的火灾事故。

（6）摩擦系数比较平稳并能保证有足够的制动力。

120K型高摩合成闸瓦是为120km/h快运货车研制的新型闸瓦，其性能指标符合提速货车用高摩合成闸瓦的要求，具有以下主要特点：

（1）闸瓦中不含石棉、铅、锌或其他化合物，符合环保要求。

（2）石墨含量小于5％，对轮轨黏着影响小，符合《铁路货车高摩擦系数合成闸瓦技术条件（暂行）》的规定。

（3）采用黏着机理提高摩擦系数，钢纤维含量低，对车轮磨损小。

（4）对车轮的热影响小。

（5）抗冲击强度高。

（6）摩擦系数比现有其他高摩合成闸瓦提高约25％。

合成闸瓦由于其材料本身强度较小，必须用钢背来增加抗压强度，如图1-33所示。

（六）制动盘和闸片

目前与206KP型、209PK型、209HS型和CW-2型等转向架配套安装的轴盘式盘形制动装置由H300型制动盘、SP2型盘形制动单元、高摩擦系数合成闸片、杠杆夹钳等构成。闸片托上设有锁铁，闸片托为铸钢制成，分为左右件。闸片托装上闸片后将锁铁锁紧，即可防止闸片脱落。

1.制动盘的结构形式

按照制动盘安装的位置，可分为轴盘式和轮盘式；按照制动盘本身的结构，可分为整体式和半环式；按照摩擦面的配置，可分为单摩擦面和双摩擦面两类。

由于制动盘是一个既受力又受摩擦热的零部件，不宜用过盈配合直接安装到车轴上，所以轴盘式通常要采用锻钢盘毂作为车轴与制动盘之间的过渡零件，而且在制动盘螺栓连接处要加装弹性销套，减少螺栓受力，提高散热能力，如图1-34所示。

2.合成闸片

各国闸片的形状均呈月牙形或扇形，但具体尺寸各有不同。闸片也有对称分成两半的，其优点是容易拆卸，特别适用于闸片与轨面空间很小的条件。闸片上的散热槽有各种不同形式，横向槽、竖直槽或斜槽等，其作用都是增加摩擦面的贴合性、便于排除磨屑和散热。图1-35所示为我国普速铁路客车常用的合成闸片，它由合成摩擦材料和带有燕尾的钢背热压而成。

合成闸片的原型厚度为28mm，允许磨耗至5mm，只要有一块闸片磨耗到限，就应该将两块同时更换。

在基础制动装置中，各杆件等的圆销连接孔内，都安装有圆销衬套，这种衬套均采用自润滑的氟塑料金属耐磨材料制成，在运用中不需另加润滑油。

四、制动倍率、制动效率

（一）制动倍率

制动倍率是指制动缸活塞推力经杠杆系统转换为闸瓦压力时所扩大的倍数，即

式中　β——制动倍率；

∑K——车辆按理论计算的闸瓦总压力，N；

Pr——制动缸活塞推力，N，其值为

其中　Pz——制动缸空气压力，Pa，

d——制动缸内径，m。

制动倍率还可以通过基础制动装置中各杠杆的尺寸，按比例进行计算。通常为使各制动梁闸瓦压力分配均匀，制动缸前杠杆与制动缸后杠杆圆销孔距的比值设置相等，即l1∶l2=l5∶l6，而转向架各杠杆的对应尺寸设置也相等，如图1-36所示。

根据图1-36中的杠杆受力分析图，对各轴制动倍率进行分析计算。

1.第Ⅱ轴制动倍率（β2）

制动缸活塞推力传递到第Ⅱ轴闸瓦，是经过制动缸前杠杆和一位转向架的移动杠杆完成的，其制动倍率可以分析计算如下：

以制动缸前杠杆的a点为支点，由于

Pr·l1=P1·l2

再以移动杠杆的b点为支点，得

P1（l3+l4）=K2·l4

可得，作用于第Ⅱ位制动梁的闸瓦压力

K2=Pr·β2

上述分析计算说明，从制动缸到第Ⅱ轴闸瓦的制动倍率等于作用力传递经过的各杠杆的主动力臂乘积与从动力臂乘积的比值。因此，同理可以分析计算出其他各轴的制动倍率。

K1、K2、K3和K4分别为Ⅰ位、Ⅱ位、Ⅲ位和Ⅳ位制动梁两块闸瓦的压力。

2.第Ⅰ轴制动倍率（β1）

制动缸活塞推力传递到第Ⅰ位轴瓦，需要经过制动缸前杠杆、一位转向架的移动杠杆和固定杠杆，其制动倍率为

可得，作用于第Ⅰ位制动梁的闸瓦压力

K1=Pr·β1

同理，可以推算出第Ⅲ轴制动倍率β3和第Ⅳ轴制动倍率β4，及其对应于制动梁的闸瓦压力K3、K4。

从上述分析计算的结果可知，各轴的制动倍率相等，即

3.全车制动倍率（β）

如果不计闸瓦悬挂的影响，则一辆车的制动倍率为

制动倍率是基础制动装置的重要特性，其大小与制动缸活塞行程及闸瓦与车轮之间的间隙（闸瓦间隙）大小无关，仅与基础制动装置各杠杆的孔距尺寸有关。

选择制动倍率应适中，制动倍率过小时，要保证足够的闸瓦压力，就必须考虑提高列车管定压或增大制动缸直径，但这样会造成空气制动系统耐压强度及漏泄严重的问题，或者增大制动缸直径带来不便安装布置的困难；制动倍率过大，又会带来闸瓦磨耗严重，引起制动缸活塞行程显著伸长，影响制动效果等问题。

我国普速客车的制动倍率在7～9之间，货车制动倍率在8～10之间。

（二）制动效率

在制动过程中，由于基础制动装置中的各杠杆、拉杆圆销连接孔的磨损，制动缸缓解弹簧和制动梁缓解弹簧的抵抗作用，制动缸活塞与制动缸壁的摩擦等，使作用在各闸瓦上的实际压力值总是小于理论计算出来的闸瓦压力值。实际闸瓦压力值与理论闸瓦压力值的比值称为制动效率，一般用字母η表示，即

制动效率的大小与各杠杆、拉杆的结构型式、圆销连接的多少、制动缸直径的大小，以及基础制动装置保养的好坏，气候条件等都有直接的关系。同时，在车辆处于静止和运转的不同状态时，对制动效率η值也有较大的影响。

目前，根据我国的实际情况，在简单计算闸瓦压力时，制动效率的取值如下：

（1）在列车运行时，紧急制动状态，客车取0.85，货车取0.90。

（2）在列车停车时，制动效率大为降低，只有0.70左右。

（3）常用制动时，由于减压量不同，制动缸的压力随之不同，但机械传动阻力（包括缓解弹簧反拨力）却变化不大。因此，其制动效率便随着减压量不同而发生规律性变化。常用制动货车列车管减压量与制动效率曲线如图1-37所示。

在计算闸瓦压力时，应把制动倍率和制动效率都计算进去，即

K=Pr·β·η

式中　K——全车闸瓦压力，N；

Pr——制动缸活塞推力，N；

β——制动倍率；

η——制动效率。

其他类型的基础制动装置和人力制动机，都可以按上述方法计算制动倍率和车辆的闸瓦压力，若是使用人力制动机时的手力，货车按500N计算，客车按300N计算，人力制动机制动倍率应从着力点算起。

【例1-1】　C70型敞车，制动缸直径是254mm，常用全制动时制动缸内空气压力为360kPa，制动缸前杠杆l1=365mm，l2=512mm；转向架移动杠杆l3=380mm，l4=190mm。试计算全车制动倍率和实际闸瓦压力。

解：制动缸活塞推力Pr为制动缸空气压力与制动缸活塞面积的乘积

货物列车在常用全制动状态下，列车管最大有效减压量为140kPa，查图1-37，制动效率约为90％，则全车实际闸瓦压力

K=Pr·β·η=18.23×8.55×90％=140.28（kN）

所以全车制动倍率为8.55，实际闸瓦压力为140.28kN。