铁道货车制动体系探究

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本文作者：朱迎春安鸿作者单位：南车眉山车辆有限公司

我国既有货车制动系统概况

我国铁路货车制动系统经历了仿制、改造、自主研制的发展过程。从建国初期的K1、K2、GK型三通阀到20世纪70年代研制的103型分配阀，车辆载重也发展到60t左右，运行速度提高到70～80km/h。20世纪90年代到21世纪初，车辆载重提高到70～80t，运行速度提高到120km/h。研制了以120型空气控制阀为代表的新一代货车制动系统，经过不断完善，逐步形成了目前我国铁路货车主型制动系统，包括120型空气控制阀、无级空重车自动调整装置、新高摩合成闸瓦、远心集尘器、球芯折角塞门、旋压密封式制动缸、闸瓦间隙自动调整器、新型组合式制动梁、不锈钢管系、嵌入式不锈钢风缸、NSW手制动机等。我国现有铁路货车制动系统在检修周期、运用可靠性等方面存在较大差距，主要体现在2个方面。（1）检修周期短、运用可靠性差。现有货车制动系统制造工艺水平不高、缺乏基础性工艺研究，检修水平参差不齐，橡胶密封件质量不稳定，运用可靠性不高，检修周期较国外先进水平有较大差距。（2）车轮擦伤较多、热负荷较高。随着车辆轴重、牵引吨位不断增加，其所需的制动力也不断增加，制动距离、运行速度、牵引吨位与轮瓦关系、纵向冲动的矛盾越来越突出，导致车轮擦伤比例增加和轮瓦热负荷过高。

重载货车制动距离的分析

1运用工况

制动系统的性能直接影响列车的运行速度、牵引吨位、制动距离，这些指标也直接影响铁路运输效率。根据铁路主要技术政策，对重载货车的运行速度、牵引吨位、制动距离的要求见表2。

2制动距离的分析

制动距离、列车阻力等均按TB/T1407—1998《列车牵引计算规程》之规定进行计算。考虑6%关门车，计算采取实算法。80t级通用车、100t级运煤专用车制动计算结果见表3。从表3可以看出，既有车辆都是按照紧急制动距离1400m设计的（干线车辆速度为120km/h、专线车辆速度为100km/h）。对于轴重27t通用货车和轴重32.5t专用货车来讲，制动功率的限制势必限制列车制动力的大小。车辆如要满足制动功率的要求，途径有二，其一是降低运行速度；其二是延长制动距离。考虑到运行速度的降低对运输效率的影响更加直接，应采用适当延长制动距离的途径。

重载货车制动系统应解决的关键问题

1轮瓦制动功率问题

对既有C80B运煤专用敞车和C70通用敞车进行校核。借鉴国外车轮热负荷试验研究结果及国内重载货车的运用经验，直径840mm车轮暂按轴制动功率限值180kW进行制动计算校核。2种代表车型的制动功率均在初步确定的制动功率上限。实际运用表明，C80B运煤专用敞车和C70通用敞车的车轮热负荷已经接近或超过极限。从国外的使用经验来看，制动距离与我国要求相近的西欧地区每瓦制动功率一般不超过85kW；俄罗斯高摩闸瓦每瓦制动功率一般不超过70kW。制动功率过高引起热负荷过大，造成车轮热损伤，试验表明C70车轮踏面平均温度为369.9℃，最高达到439.7℃（一般不超过400℃），车轮踏面明显发蓝。因此，需要解决降低轮瓦制动功率的问题。

2冲动问题

对于长大、重载列车，纵向动力是关键问题，主要反映为各车辆之间的车钩力加减速度。在各种列车作用工况，以低速紧急制动时产生的压钩力和低速缓解（调速制动）过程中产生的拉钩力为甚。

1）列车制动时产生纵向动作力的主要原因

（1）制动时列车各车辆的制动作用的不一致性，列车前部车辆的制动力产生早，上升快，后部车辆的制动力产生晚，上升慢。缓解时，缓解作用沿列车长度方向的不同时性，即缓解波速的大小，也是产生列车纵向动力作用的原因。（2）全列车各车辆的制动缸压力都达到与自动阀手柄所在位置对应的值以后，各车辆的单位制动力不相等。由于上述2种原因，列车中各车辆在制动过程中的每一瞬间都具有不同的单位制动力。因此在各车辆的车钩连接处，必然产生相应的纵向动作用力。根据国外资料的介绍，由于列车中各车辆制动作用的不一致性而产生的最大纵向力为R=5/12（K•ψK）max•ln2/（tZC•wZB）。上式中，R为列车纵向压缩力，kN；K为一辆车闸瓦压力总和，kN；ψK为闸瓦摩擦系数；（K•ψK）max相当于制动缸充气终了时最大闸瓦摩擦力，kN；l为一辆车的长度，m；n为列车编组辆数；tZC为制动缸充气时间，s；wZB为制动波速，m/s。

2）减轻纵向冲动的方法

（1）制动时的纵向作用力与制动波速wZB、制动缸充气时间tZC成反比，因此，提高制动波速、缓解波速和延长制动缸充气时间都可以减轻列车制动时的纵向冲击。制动波速越高，前后车辆产生制动作用的时间差越小，因此提高制动波速可以减小列车冲动，缩短制动距离。提高缓解波速的意义不亚于制动波速的提高，因为列车在运行中制动以后再缓解时，由于列车中各相邻车辆的缓解作用的不一致性，相连接的2个车钩将由压钩状态变为拉钩状态，由于种种原因，特别是在低速运行时施行缓解，列车的纵向拉伸动作用力更大，有可能使承拉能力较之承压能力为低的车钩拉断。因此应提高缓解波速。（2）纵向作用力与（K•ψK）max成正比，由于闸瓦的摩擦系数一般随列车运行速度的降低而增大，在闸瓦压力相同的条件下，低速时的紧急制动或调速制动后的低速缓解将会产生更大的冲击力。因此减小闸瓦压力，有利于减小列车的纵向冲动。

3漏泄问题

制动系统的漏泄对制动性能和列车运行具有重要影响。它主要影响缓解和再充气的时间，使列车前后形成压力梯度，导致列车尾部车辆制动力低下，作用迟缓，延长制动距离，也是制动机发生故障的根源之一。列车编组越长，问题越突出，严重时将使司机失去对制动管减压量的控制，也会由于在制动保压过程中的漏泄使列车中的制动力分布不均，因而也相应增加了列车的纵向冲动。漏泄问题包括制动部件本身的漏泄和制动管系的漏泄。制动部件的漏泄主要表现为控制阀滑阀面漏泄、紧急阀排风不止、膜板损坏、制动缸皮碗失效导致的漏泄等。主要原因有2个方面，一是密封件的性能和可靠性差；二是制动系统对灰砂、杂质的防护能力不强，造成控制阀和制动缸润滑状态的恶化，导致活动零部件的急剧磨耗，增加了制动系统的漏泄。管系漏泄主要体现为法兰接头漏泄、软管连接器漏泄及快装接头漏泄等。制动管系复杂、密封环节多是造成管系漏泄的主要原因之一。

重载货车制动系统的研究方向

1作用性能方面

（1）降低常用制动功率。降低制动功率可通过延长制动距离和降低列车运行速度2种方式，降低车辆制动倍率，减少车辆制动率，从而降低制动功率。但是，降低列车运行速度直接影响到运输效率；延长制动距离则对站线和信号带来影响。参考国外先进技术，结合我国货车运用实际情况以及今后的进一步发展，可以采取将紧急制动力和常用制动力加以区分的办法，在满足同样运行速度、紧急制动距离的前提下，适当降低车辆常用制动力，从而降低常用制动时的制动功率。由于在正常列车操纵时，施行常用制动的次数占制动总次数的95%以上，因此，能够有效的降低车轮热损伤。制动系统在常用全制动时制动缸压力为标准的恒定值，因此，要将紧急制动力和常用制动力进行区分，则应使紧急制动时的制动缸压力明显高于常用制动，也就是采用紧急制动增压功能。即：在紧急制动时采用更高的制动力来满足制动距离的要求；在常用制动时采用较小的制动力，从而降低常用制动功率。为了论证紧急制动力提高的车辆与现有车辆混编时可能造成的纵向冲动问题，中国铁道科学研究院机车车辆研究所进行了“增压对列车冲动影响的仿真计算”。结果表明：其一新旧车辆制动力的差别小于空重车混编时的差别，因此在常用全制动时产生的冲动也较空重车混编为低；其二新旧车辆由于二者的紧急制动力相同，因此只有常用制动冲动的差别；由于新旧车辆混编时闸瓦总压力减低的影响要大于新旧车辆制动力差别的影响不增加冲动。（2）减小列车常用制动时的纵向冲动。列车编组越长，越暴露出列车排气时间长、制动缸充气时间长、常用制动时纵向冲动大等问题。为此早在1975年美国在ABDW阀的设计中采用了加速常用制动作用。试验证明，装用ABDX阀的150辆编组列车，第150辆车制动缸压力上升到90%的时间较无加速常用制动的ABD阀缩短了45%左右。加速常用制动合并了制动管连续局部减压作用，从而减少了常用制动时制动管排气时间，加快了全列车制动缸上升速度，缩短了常用制动距离。因此应借鉴美国运用的成功经验，增设加速常用制动功能，以减少列车前后部制动缸升至最高压力的时间差，降低常用制动时的列车纵向冲动，同时提高大密度运行区间的运输效率。另在保证紧急制动距离1400m的前提下，采用可控制紧急制动增压功能，降低常用制动时的制动力即降低闸瓦压力，也可减小列车的纵向冲动。

2从结构改进上提高空气控制阀的可靠性

根据重技纪要〔2011〕008号《大轴重货车制动技术研究》专题会议精神，大轴重货车控制阀应在120阀成熟结构的基础上进行改进，提高阀的安定性、可靠性。为适应延长检修期的要求，即3年段修期，集中修，换件修，对阀防腐性及内部润滑等进行研究，同时提高外观质量。分体式阀座在阀上可作为一种方案进行研究论证试验。为此，滑阀结构大轴重货车控制阀可从以下方面进行结构改进。（1）膜板的可靠性。从阀的结构设计上，提高膜板的运用可靠性。（2）润滑。减少滑阀面拉伤，增加储油设计，改善润滑。（3）稳定性。提高作用部的稳定性，防止意外制动。（4）外形。对阀盖外形重新设计，以提高强度、运用可靠性。（5）防尘。改进主阀排气结构，加强滤尘功能，改善制动系统空气质量。（6）集成安装。将主阀与空重车限压阀有效集成安装，减少漏泄环节。（7）安定性。在保证紧急制动波速不低于250m/s的前提下进一步提高常用制动安定性，防止意外紧急。（8）换件修。对分体式阀座方案进行研究论证试验。

3基础制动方面

研究采用转向架单元制动技术。随着我国货车的多元化需求，全钢浴盆车、双层集装箱平车、漏斗车等车型，制动缸和制动拉杆的布局受到严重的限制，使其基础制动装置相当复杂，传统的制动缸和制动拉杆式基础制动在运用过程中经常出现卡位、缓解不良等现象。采用转向架单元制动装置具有以下5方面的优势：①传动环节简化，具有较高的传动效率，提高了车辆制动与缓解的可靠性；②减轻了基础制动装置的重量；③因取消了制动拉杆，消除了因制动杠杆卡位造成车辆抱轴的安全隐患；④闸瓦压力均匀；⑤安装方便，维修简单。

4列车操纵方面

重载货物列车采用列车同步操纵系统（Lo－cotrol），并研究采用电控空气制动系统（ECP），降低列车纵向冲动，满足3万t重载组合列车的制动需要。（1）重载货物列车采用Locotrol。Locotrol技术是专为重载组合列车设计的一种控制系统。该控制系统利用无线网络传输控制信号，可以实现多台机车的同步控制。通过将动力分散布置在列车中，相当于把一列长大列车变为数列短编组列车，而且，由于列车中多台机车同时向列车管充风，相当于存在多个风源。具有以下优势：①车钩力和纵向冲动力大为减小。②可以缩短空气制动波的传播距离，大大提高了制动与缓解速度。③可不对车辆的空气制动机作任何改变，有较好的经济性。但其存在不足：①沿用的空气制动系统，仍然具有较大的纵向冲动力存在。②Locotrol的信号处于绕射能力差、地面衰减大的直射波段，在起伏地形和多隧道线路可能会发生通信阻断，产生不安全因数。（2）重载货物列车研究采用ECP。货车现用的空气制动系统，因受空气波传递速度（制动波速：理论最大值为345m/s；世界上现波速最快的ABDX阀可做到280m/s）的限制，难以实现作用一致、充分利用时间的目的。而空气制动机的制动波速提高到一定值后（比如250m/s），要再提高已很困难，而且效果不大，只能以牺牲列车编组重量、运行速度或延长制动、缓解时间而保安全，这显然不利于提高运输效率，与我国的铁路技术政策不符。货运列车使用ECP，以电信号替代空气波信号传递制动系统操作指令，一是可以使纵向冲动力大为减小；二是可减少制动距离或制动功率。减小纵向冲动力、降低制动功率给重载货车带来的益处包括：①减轻有害影响因素，如冲击伤害、车轮损伤等；②放宽空气制动系统设计的受限因数，如轮瓦功率、制动距离等，带来的直接效益是提高车辆的使用寿命、降低安全隐患和运营成本。

结语

总体上我国铁路大轴重（包括27t轴重、32.5t轴重）货车制动机应该是一种（当然不排除对专线货车在配置上有一定差异）。同时，大轴重制动系统的成果应逐渐推广到所有货车，这样就可以保证今后在既有通用线、专用线、新建专用线上发展重载货物运输的制动技术需要。