机车动力制动

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机车动力制动是列车制动的一种方法,通常作为空气制动的辅助手段使用,有时也单独使用,如果用机车动力制动配合空气制动,就可以大大减少空气制动装置的使用,明显地减轻闸瓦和车轮踏面的磨耗。

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机车动力制动简介

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利用机车动力装置、机车传动装置或牵引电动机的逆动所产生的阻滞作用来限制或降低列车运行速度以至停车。机车动力制动是列车制动的一种方法,通常作为空气制动的辅助手段使用,有时也单独使用。列车停车一般用空气制动。列车在长大下坡道上运行时,如仅使用空气制动,由于制动时间长,闸瓦温度升高,摩擦系数降低,这样就会使制动力下降,闸瓦和车轮踏面磨耗加快。如果用机车动力制动配合空气制动,就可以大大减少空气制动装置的使用,明显地减轻闸瓦和车轮踏面的磨耗。动力制动在列车下长大坡道时可以按限制速度匀速运行,提高下坡的平均速,也适用于弯道、进站减速等制动。机车备有这两种制动系统可以提高列车运行速度和运行安全性。动力制动可分为逆汽制动、液力制动和电力制动三种。电力制动又有电阻制动、再生制动和反接制动之分。蒸汽机车采用逆汽制动;液力传动柴油机车采用液力制动;电传动内燃机车采用电阻制动;电力机车既可采用电阻制动,也可采用再生制动和反接制动。

机车动力制动分类

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逆汽制动
使蒸汽反向进入蒸汽机来阻止机车或列车运行直至停止。蒸汽机车前进或后退靠蒸汽机的阀动装置前进或后退位置的调定。进行逆汽制动,要先关闭蒸汽调整阀(蒸汽总阀),将阀动装置逐渐调到与机车运行相反的位置,然后缓缓开启蒸汽调整阀,就开始逆汽制动。制动力的大小取决于蒸汽调整阀和阀动装置的遮断比。机车或列车停止时,应立即关闭蒸汽调整阀,否则会反向运行。
液力制动
利用液力传动装置上的液力制动耦合器消耗列车运行中的动能,以降低或限制列车运行速度。液力制动是用机车传动装置上的液力耦合器作为制动元件。就制动系统来说,液力耦合器成为液力制动器。液力制动器的转子(泵轮轴)通过液力传动装置的输出轴等与机车车轮相连,定子(涡轮)则固定在液力传动装置的箱体上。液力制动器的工作液体是借用液力传动装置中的工作油。当传动装置的换向机构或工况机构不在中立位置时,转子始终随着车轮的转速旋转。送入液力制动器的工作油从转子的泵轮吸收能量,又转而在流经定子的叶轮时将此能量全部消耗掉。转子对工作油作功所产生的反扭矩对机车车轮起制动作用。不施加液力制动时,只须从制动器内排出工作油,转子就空转了。为了减少空转所造成的鼓风损失,可以闭合转子和定子之间的闸板,阻止空气循环流动。
液力制动的全部能量都用于加热工作油,使油温迅速增加。因此,工作油除了在制动器内循环工作外,还被大量送出制动器,通过热交换器降温后送回制动器。液力制动时柴油机近乎空转,所以可将柴油机的冷却能力用来消散液力制动产生的热量。
在低速范围,制动力随机车速度的平方而上升。为了避免传动部件的应力超过设计的最大容许值,在制动力上升到某一数值后(一般在机车最高速度的25~30%处),由于油压作用,制动器就会排去一部分工作油,抑制制动力继续增加。对于货运机车,通常要求在长大下坡道保持一定的速度(保速制动),最大制动功率大约保持与牵引功率相等,制动所产生的热量不超过机车的冷却能力。对于客运机车,有时也要求制动力在高速范围为一定值,制动功率随速度而升降,高速时制动功率很大,直到油温达到极限,安全阀开始作用,到自动降低制动力为止。这种制动只用于旅客列车进站减速(减速制动),大的制动功率仅延续若干秒,当列车速度因制动而降低后,制动功率也随而下降到安全值。制动能力的大小,也像机车牵引力一样,由司机用手把位来调节。液力制动也可同空气制动联合工作,如列车空气制动施行紧急制动时,液力制动自动接入。
在液力换向传动装置中是把变扭器作为制动器使用。当变扭器的涡轮旋向与泵轮相反时,涡轮轴即受到很大的制动扭矩。通过装置中泄流阀的作用使变扭器排去一部分工作油,机车制动力可调节成随速度的下降而上升,在速度等于零时最大,机车停车可不必辅以空气制动。
电力制动
利用电动机的可逆性原理,将惰行列车的动能变换成电能,把牵引电动机变为发电机,这时牵引电动机轴上作用着与电枢旋转方向相反的力矩,此力矩在机车动轮上产生制动力,使列车减速或停车。电力制动可分为电阻制动、再生制动和反接制动。这三类制动可以彼此组合,成为再生-电阻制动、再生-反接制动。
从节能观点来看,再生制动优于电阻制动。但电阻制动技术简单可靠、制动性能良好,所以在电传动机车上首先得到普遍应用。近年来,随着电子技术的迅速发展,再生制动应用日广。在直流斩波调速的直流机车(或电动车组)和采用交流牵引电动机的变频调速机车上应用再生制动系统尤为适宜。
制动时牵引电动机改为发电机运行,与电网或牵引发电机断开,电流接在制动电阻上,消耗的电能转变为热能散逸于大气,从而实现制动。电阻制动按发电机的励磁方式可分为他励式和串励式两种。串励式电阻制动多用于功率较小并带有起动电阻的直流电力机车,而现代大功率电传动机车则采用他励式电阻制动。
采用他励式电阻制动时,机车制动力B(千克)可用下式表示:
式中m为制动电动机的台数;R2为每台电动机的制动电阻(欧);v为机车速度(公里/小时);I2为每台电动机的制动电流(安)。制动电流的调节可通过司机手柄或闭环自动控制系统来实现。制动力的调节有一定的容许范围,如制动电流和他励电流分别受制动电阻和电动机励磁绕组容许温升的限制,其他还受轮轨之间粘着力、直流电动机换向时火花和列车最大容许速度的限制。
电力机车和电力动车组可进行再生制动,此时牵引电动机作为发电机运行,其电势克服电网电压,向电网反馈电能。对于直流电力机车来说,电网电压为直流,从牵引工况转换到再生工况,必须改变电流的方向,因此电动机的励磁绕组在再生时应改为反接,同时为了保证再生制动的稳定工作,还需要采用具有制动电流负反馈的辅助励磁系统。
再生制动时制动电流(I2)可用下式表示:
式中E为电动机电势;U为电源电压。调节励磁电流,可使电势发生变化,从而调节制动电流及其相应的制动力。在交-直流型电力机车上,如果不用单相全控整流线路,再生制动时还可以通过改变晶闸管的控制角来调节公式中电源电压U的大小,以调节制动电流。再生制动在技术上要比电阻制动复杂,功率系数低,对电网干扰较大,应用不广。
反接制动的工作原理与电阻制动相似,但联接方式不同。反接制动时励磁绕组反向与电枢绕组串联,通过制动电阻接在电源上。这时电动机电势和电源电压叠加产生制动电流,即 。机车在低速时,即电势E很小时,由于电源电压U的作用仍可获得足够大的制动电流或制动力,可制动列车直到停车。列车一停止,制动电路必须立即切断,否则会向反方向运行。由于在高速时制动电流过大,反接制动一般只用于低速。如果交-直流型电力机车采用全控整流线路,再生制动和反接制动可以结合使用,能使机车的制动性能大为改善。因为全控整流装置的平均输出电压 U可以通过改变控制角在正负两个方向上作平滑无级的调节,所以不必在制动电路内增设附加的制动电阻。