鐵道貨車制動體系探究

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本文作者：朱迎春安鴻作者單位：南車眉山車輛有限公司

我國既有貨車制動系統概況

我國鐵路貨車制動系統經歷了仿制、改造、自主研制的發展過程。從建國初期的K1、K2、GK型三通閥到20世紀70年代研制的103型分配閥，車輛載重也發展到60t左右，運行速度提高到70～80km/h。20世紀90年代到21世紀初，車輛載重提高到70～80t，運行速度提高到120km/h。研制了以120型空氣控制閥為代表的新一代貨車制動系統，經過不斷完善，逐步形成了目前我國鐵路貨車主型制動系統，包括120型空氣控制閥、無級空重車自動調整裝置、新高摩合成閘瓦、遠心集塵器、球芯折角塞門、旋壓密封式制動缸、閘瓦間隙自動調整器、新型組合式制動梁、不銹鋼管系、嵌入式不銹鋼風缸、NSW手制動機等。我國現有鐵路貨車制動系統在檢修周期、運用可靠性等方面存在較大差距，主要體現在2個方面。（1）檢修周期短、運用可靠性差。現有貨車制動系統制造工藝水平不高、缺乏基礎性工藝研究，檢修水平參差不齊，橡膠密封件質量不穩定，運用可靠性不高，檢修周期較國外先進水平有較大差距。（2）車輪擦傷較多、熱負荷較高。隨著車輛軸重、牽引噸位不斷增加，其所需的制動力也不斷增加，制動距離、運行速度、牽引噸位與輪瓦關系、縱向沖動的矛盾越來越突出，導致車輪擦傷比例增加和輪瓦熱負荷過高。

重載貨車制動距離的分析

1運用工況

制動系統的性能直接影響列車的運行速度、牽引噸位、制動距離，這些指標也直接影響鐵路運輸效率。根據鐵路主要技術政策，對重載貨車的運行速度、牽引噸位、制動距離的要求見表2。

2制動距離的分析

制動距離、列車阻力等均按TB/T1407—1998《列車牽引計算規程》之規定進行計算。考慮6%關門車，計算采取實算法。80t級通用車、100t級運煤專用車制動計算結果見表3。從表3可以看出，既有車輛都是按照緊急制動距離1400m設計的（干線車輛速度為120km/h、專線車輛速度為100km/h）。對于軸重27t通用貨車和軸重32.5t專用貨車來講，制動功率的限制勢必限制列車制動力的大小。車輛如要滿足制動功率的要求，途徑有二，其一是降低運行速度；其二是延長制動距離。考慮到運行速度的降低對運輸效率的影響更加直接，應采用適當延長制動距離的途徑。

重載貨車制動系統應解決的關鍵問題

1輪瓦制動功率問題

對既有C80B運煤專用敞車和C70通用敞車進行校核。借鑒國外車輪熱負荷試驗研究結果及國內重載貨車的運用經驗，直徑840mm車輪暫按軸制動功率限值180kW進行制動計算校核。2種代表車型的制動功率均在初步確定的制動功率上限。實際運用表明，C80B運煤專用敞車和C70通用敞車的車輪熱負荷已經接近或超過極限。從國外的使用經驗來看，制動距離與我國要求相近的西歐地區每瓦制動功率一般不超過85kW；俄羅斯高摩閘瓦每瓦制動功率一般不超過70kW。制動功率過高引起熱負荷過大，造成車輪熱損傷，試驗表明C70車輪踏面平均溫度為369.9℃，最高達到439.7℃（一般不超過400℃），車輪踏面明顯發藍。因此，需要解決降低輪瓦制動功率的問題。

2沖動問題

對于長大、重載列車，縱向動力是關鍵問題，主要反映為各車輛之間的車鉤力加減速度。在各種列車作用工況，以低速緊急制動時產生的壓鉤力和低速緩解（調速制動）過程中產生的拉鉤力為甚。

1）列車制動時產生縱向動作力的主要原因

（1）制動時列車各車輛的制動作用的不一致性，列車前部車輛的制動力產生早，上升快，后部車輛的制動力產生晚，上升慢。緩解時，緩解作用沿列車長度方向的不同時性，即緩解波速的大小，也是產生列車縱向動力作用的原因。（2）全列車各車輛的制動缸壓力都達到與自動閥手柄所在位置對應的值以后，各車輛的單位制動力不相等。由于上述2種原因，列車中各車輛在制動過程中的每一瞬間都具有不同的單位制動力。因此在各車輛的車鉤連接處，必然產生相應的縱向動作用力。根據國外資料的介紹，由于列車中各車輛制動作用的不一致性而產生的最大縱向力為R=5/12（K•ψK）max•ln2/（tZC•wZB）。上式中，R為列車縱向壓縮力，kN；K為一輛車閘瓦壓力總和，kN；ψK為閘瓦摩擦系數；（K•ψK）max相當于制動缸充氣終了時最大閘瓦摩擦力，kN；l為一輛車的長度，m；n為列車編組輛數；tZC為制動缸充氣時間，s；wZB為制動波速，m/s。

2）減輕縱向沖動的方法

（1）制動時的縱向作用力與制動波速wZB、制動缸充氣時間tZC成反比，因此，提高制動波速、緩解波速和延長制動缸充氣時間都可以減輕列車制動時的縱向沖擊。制動波速越高，前后車輛產生制動作用的時間差越小，因此提高制動波速可以減小列車沖動，縮短制動距離。提高緩解波速的意義不亞于制動波速的提高，因為列車在運行中制動以后再緩解時，由于列車中各相鄰車輛的緩解作用的不一致性，相連接的2個車鉤將由壓鉤狀態變為拉鉤狀態，由于種種原因，特別是在低速運行時施行緩解，列車的縱向拉伸動作用力更大，有可能使承拉能力較之承壓能力為低的車鉤拉斷。因此應提高緩解波速。（2）縱向作用力與（K•ψK）max成正比，由于閘瓦的摩擦系數一般隨列車運行速度的降低而增大，在閘瓦壓力相同的條件下，低速時的緊急制動或調速制動后的低速緩解將會產生更大的沖擊力。因此減小閘瓦壓力，有利于減小列車的縱向沖動。

3漏泄問題

制動系統的漏泄對制動性能和列車運行具有重要影響。它主要影響緩解和再充氣的時間，使列車前后形成壓力梯度，導致列車尾部車輛制動力低下，作用遲緩，延長制動距離，也是制動機發生故障的根源之一。列車編組越長，問題越突出，嚴重時將使司機失去對制動管減壓量的控制，也會由于在制動保壓過程中的漏泄使列車中的制動力分布不均，因而也相應增加了列車的縱向沖動。漏泄問題包括制動部件本身的漏泄和制動管系的漏泄。制動部件的漏泄主要表現為控制閥滑閥面漏泄、緊急閥排風不止、膜板損壞、制動缸皮碗失效導致的漏泄等。主要原因有2個方面，一是密封件的性能和可靠性差；二是制動系統對灰砂、雜質的防護能力不強，造成控制閥和制動缸潤滑狀態的惡化，導致活動零部件的急劇磨耗，增加了制動系統的漏泄。管系漏泄主要體現為法蘭接頭漏泄、軟管連接器漏泄及快裝接頭漏泄等。制動管系復雜、密封環節多是造成管系漏泄的主要原因之一。

重載貨車制動系統的研究方向

1作用性能方面

（1）降低常用制動功率。降低制動功率可通過延長制動距離和降低列車運行速度2種方式，降低車輛制動倍率，減少車輛制動率，從而降低制動功率。但是，降低列車運行速度直接影響到運輸效率；延長制動距離則對站線和信號帶來影響。參考國外先進技術，結合我國貨車運用實際情況以及今后的進一步發展，可以采取將緊急制動力和常用制動力加以區分的辦法，在滿足同樣運行速度、緊急制動距離的前提下，適當降低車輛常用制動力，從而降低常用制動時的制動功率。由于在正常列車操縱時，施行常用制動的次數占制動總次數的95%以上，因此，能夠有效的降低車輪熱損傷。制動系統在常用全制動時制動缸壓力為標準的恒定值，因此，要將緊急制動力和常用制動力進行區分，則應使緊急制動時的制動缸壓力明顯高于常用制動，也就是采用緊急制動增壓功能。即：在緊急制動時采用更高的制動力來滿足制動距離的要求；在常用制動時采用較小的制動力，從而降低常用制動功率。為了論證緊急制動力提高的車輛與現有車輛混編時可能造成的縱向沖動問題，中國鐵道科學研究院機車車輛研究所進行了“增壓對列車沖動影響的仿真計算”。結果表明：其一新舊車輛制動力的差別小于空重車混編時的差別，因此在常用全制動時產生的沖動也較空重車混編為低；其二新舊車輛由于二者的緊急制動力相同，因此只有常用制動沖動的差別；由于新舊車輛混編時閘瓦總壓力減低的影響要大于新舊車輛制動力差別的影響不增加沖動。（2）減小列車常用制動時的縱向沖動。列車編組越長，越暴露出列車排氣時間長、制動缸充氣時間長、常用制動時縱向沖動大等問題。為此早在1975年美國在ABDW閥的設計中采用了加速常用制動作用。試驗證明，裝用ABDX閥的150輛編組列車，第150輛車制動缸壓力上升到90%的時間較無加速常用制動的ABD閥縮短了45%左右。加速常用制動合并了制動管連續局部減壓作用，從而減少了常用制動時制動管排氣時間，加快了全列車制動缸上升速度，縮短了常用制動距離。因此應借鑒美國運用的成功經驗，增設加速常用制動功能，以減少列車前后部制動缸升至最高壓力的時間差，降低常用制動時的列車縱向沖動，同時提高大密度運行區間的運輸效率。另在保證緊急制動距離1400m的前提下，采用可控制緊急制動增壓功能，降低常用制動時的制動力即降低閘瓦壓力，也可減小列車的縱向沖動。

2從結構改進上提高空氣控制閥的可靠性

根據重技紀要〔2011〕008號《大軸重貨車制動技術研究》專題會議精神，大軸重貨車控制閥應在120閥成熟結構的基礎上進行改進，提高閥的安定性、可靠性。為適應延長檢修期的要求，即3年段修期，集中修，換件修，對閥防腐性及內部潤滑等進行研究，同時提高外觀質量。分體式閥座在閥上可作為一種方案進行研究論證試驗。為此，滑閥結構大軸重貨車控制閥可從以下方面進行結構改進。（1）膜板的可靠性。從閥的結構設計上，提高膜板的運用可靠性。（2）潤滑。減少滑閥面拉傷，增加儲油設計，改善潤滑。（3）穩定性。提高作用部的穩定性，防止意外制動。（4）外形。對閥蓋外形重新設計，以提高強度、運用可靠性。（5）防塵。改進主閥排氣結構，加強濾塵功能，改善制動系統空氣質量。（6）集成安裝。將主閥與空重車限壓閥有效集成安裝，減少漏泄環節。（7）安定性。在保證緊急制動波速不低于250m/s的前提下進一步提高常用制動安定性，防止意外緊急。（8）換件修。對分體式閥座方案進行研究論證試驗。

3基礎制動方面

研究采用轉向架單元制動技術。隨著我國貨車的多元化需求，全鋼浴盆車、雙層集裝箱平車、漏斗車等車型，制動缸和制動拉桿的布局受到嚴重的限制，使其基礎制動裝置相當復雜，傳統的制動缸和制動拉桿式基礎制動在運用過程中經常出現卡位、緩解不良等現象。采用轉向架單元制動裝置具有以下5方面的優勢：①傳動環節簡化，具有較高的傳動效率，提高了車輛制動與緩解的可靠性；②減輕了基礎制動裝置的重量；③因取消了制動拉桿，消除了因制動杠桿卡位造成車輛抱軸的安全隱患；④閘瓦壓力均勻；⑤安裝方便，維修簡單。

4列車操縱方面

重載貨物列車采用列車同步操縱系統（Lo－cotrol），并研究采用電控空氣制動系統（ECP），降低列車縱向沖動，滿足3萬t重載組合列車的制動需要。（1）重載貨物列車采用Locotrol。Locotrol技術是專為重載組合列車設計的一種控制系統。該控制系統利用無線網絡傳輸控制信號，可以實現多臺機車的同步控制。通過將動力分散布置在列車中，相當于把一列長大列車變為數列短編組列車，而且，由于列車中多臺機車同時向列車管充風，相當于存在多個風源。具有以下優勢：①車鉤力和縱向沖動力大為減小。②可以縮短空氣制動波的傳播距離，大大提高了制動與緩解速度。③可不對車輛的空氣制動機作任何改變，有較好的經濟性。但其存在不足：①沿用的空氣制動系統，仍然具有較大的縱向沖動力存在。②Locotrol的信號處于繞射能力差、地面衰減大的直射波段，在起伏地形和多隧道線路可能會發生通信阻斷，產生不安全因數。（2）重載貨物列車研究采用ECP。貨車現用的空氣制動系統，因受空氣波傳遞速度（制動波速：理論最大值為345m/s；世界上現波速最快的ABDX閥可做到280m/s）的限制，難以實現作用一致、充分利用時間的目的。而空氣制動機的制動波速提高到一定值后（比如250m/s），要再提高已很困難，而且效果不大，只能以犧牲列車編組重量、運行速度或延長制動、緩解時間而保安全，這顯然不利于提高運輸效率，與我國的鐵路技術政策不符。貨運列車使用ECP，以電信號替代空氣波信號傳遞制動系統操作指令，一是可以使縱向沖動力大為減小；二是可減少制動距離或制動功率。減小縱向沖動力、降低制動功率給重載貨車帶來的益處包括：①減輕有害影響因素，如沖擊傷害、車輪損傷等；②放寬空氣制動系統設計的受限因數，如輪瓦功率、制動距離等，帶來的直接效益是提高車輛的使用壽命、降低安全隱患和運營成本。

結語

總體上我國鐵路大軸重（包括27t軸重、32.5t軸重）貨車制動機應該是一種（當然不排除對專線貨車在配置上有一定差異）。同時，大軸重制動系統的成果應逐漸推廣到所有貨車，這樣就可以保證今后在既有通用線、專用線、新建專用線上發展重載貨物運輸的制動技術需要。