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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(dòng)系統(tǒng)概況

我國鐵路貨車制動(dòng)系統(tǒng)經(jīng)歷了仿制、改造、自主研制的發(fā)展過程。從建國初期的K1、K2、GK型三通閥到20世紀(jì)70年代研制的103型分配閥，車輛載重也發(fā)展到60t左右，運(yùn)行速度提高到70～80km/h。20世紀(jì)90年代到21世紀(jì)初，車輛載重提高到70～80t，運(yùn)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(dòng)系統(tǒng)，經(jīng)過不斷完善，逐步形成了目前我國鐵路貨車主型制動(dòng)系統(tǒng)，包括120型空氣控制閥、無級(jí)空重車自動(dòng)調(diào)整裝置、新高摩合成閘瓦、遠(yuǎn)心集塵器、球芯折角塞門、旋壓密封式制動(dòng)缸、閘瓦間隙自動(dòng)調(diào)整器、新型組合式制動(dòng)梁、不銹鋼管系、嵌入式不銹鋼風(fēng)缸、NSW手制動(dòng)機(jī)等。我國現(xiàn)有鐵路貨車制動(dòng)系統(tǒng)在檢修周期、運(yùn)用可靠性等方面存在較大差距，主要體現(xiàn)在2個(gè)方面。（1）檢修周期短、運(yùn)用可靠性差?，F(xiàn)有貨車制動(dòng)系統(tǒng)制造工藝水平不高、缺乏基礎(chǔ)性工藝研究，檢修水平參差不齊，橡膠密封件質(zhì)量不穩(wěn)定，運(yùn)用可靠性不高，檢修周期較國外先進(jìn)水平有較大差距。（2）車輪擦傷較多、熱負(fù)荷較高。隨著車輛軸重、牽引噸位不斷增加，其所需的制動(dòng)力也不斷增加，制動(dòng)距離、運(yùn)行速度、牽引噸位與輪瓦關(guān)系、縱向沖動(dòng)的矛盾越來越突出，導(dǎo)致車輪擦傷比例增加和輪瓦熱負(fù)荷過高。

重載貨車制動(dòng)距離的分析

1運(yùn)用工況

制動(dòng)系統(tǒng)的性能直接影響列車的運(yùn)行速度、牽引噸位、制動(dòng)距離，這些指標(biāo)也直接影響鐵路運(yùn)輸效率。根據(jù)鐵路主要技術(shù)政策，對重載貨車的運(yùn)行速度、牽引噸位、制動(dòng)距離的要求見表2。

2制動(dòng)距離的分析

制動(dòng)距離、列車阻力等均按TB/T1407—1998《列車牽引計(jì)算規(guī)程》之規(guī)定進(jìn)行計(jì)算?？紤]6%關(guān)門車，計(jì)算采取實(shí)算法。80t級(jí)通用車、100t級(jí)運(yùn)煤專用車制動(dòng)計(jì)算結(jié)果見表3。從表3可以看出，既有車輛都是按照緊急制動(dòng)距離1400m設(shè)計(jì)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(dòng)功率的限制勢必限制列車制動(dòng)力的大小。車輛如要滿足制動(dòng)功率的要求，途徑有二，其一是降低運(yùn)行速度；其二是延長制動(dòng)距離?？紤]到運(yùn)行速度的降低對運(yùn)輸效率的影響更加直接，應(yīng)采用適當(dāng)延長制動(dòng)距離的途徑。

重載貨車制動(dòng)系統(tǒng)應(yīng)解決的關(guān)鍵問題

1輪瓦制動(dòng)功率問題

對既有C80B運(yùn)煤專用敞車和C70通用敞車進(jìn)行校核。借鑒國外車輪熱負(fù)荷試驗(yàn)研究結(jié)果及國內(nèi)重載貨車的運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)，直徑840mm車輪暫按軸制動(dòng)功率限值180kW進(jìn)行制動(dòng)計(jì)算校核。2種代表車型的制動(dòng)功率均在初步確定的制動(dòng)功率上限。實(shí)際運(yùn)用表明，C80B運(yùn)煤專用敞車和C70通用敞車的車輪熱負(fù)荷已經(jīng)接近或超過極限。從國外的使用經(jīng)驗(yàn)來看，制動(dòng)距離與我國要求相近的西歐地區(qū)每瓦制動(dòng)功率一般不超過85kW；俄羅斯高摩閘瓦每瓦制動(dòng)功率一般不超過70kW。制動(dòng)功率過高引起熱負(fù)荷過大，造成車輪熱損傷，試驗(yàn)表明C70車輪踏面平均溫度為369.9℃，最高達(dá)到439.7℃（一般不超過400℃），車輪踏面明顯發(fā)藍(lán)。因此，需要解決降低輪瓦制動(dòng)功率的問題。

2沖動(dòng)問題

對于長大、重載列車，縱向動(dòng)力是關(guān)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(dòng)時(shí)產(chǎn)生的壓鉤力和低速緩解（調(diào)速制動(dòng)）過程中產(chǎn)生的拉鉤力為甚。

1）列車制動(dòng)時(shí)產(chǎn)生縱向動(dòng)作力的主要原因

（1）制動(dòng)時(shí)列車各車輛的制動(dòng)作用的不一致性，列車前部車輛的制動(dòng)力產(chǎn)生早，上升快，后部車輛的制動(dòng)力產(chǎn)生晚，上升慢。緩解時(shí)，緩解作用沿列車長度方向的不同時(shí)性，即緩解波速的大小，也是產(chǎn)生列車縱向動(dòng)力作用的原因。（2）全列車各車輛的制動(dòng)缸壓力都達(dá)到與自動(dòng)閥手柄所在位置對應(yīng)的值以后，各車輛的單位制動(dòng)力不相等。由于上述2種原因，列車中各車輛在制動(dòng)過程中的每一瞬間都具有不同的單位制動(dòng)力。因此在各車輛的車鉤連接處，必然產(chǎn)生相應(yīng)的縱向動(dòng)作用力。根據(jù)國外資料的介紹，由于列車中各車輛制動(dòng)作用的不一致性而產(chǎn)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(shù)；（K•ψK）max相當(dāng)于制動(dòng)缸充氣終了時(shí)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(shù)；tZC為制動(dòng)缸充氣時(shí)間，s；wZB為制動(dòng)波速，m/s。

2）減輕縱向沖動(dòng)的方法

（1）制動(dòng)時(shí)的縱向作用力與制動(dòng)波速wZB、制動(dòng)缸充氣時(shí)間tZC成反比，因此，提高制動(dòng)波速、緩解波速和延長制動(dòng)缸充氣時(shí)間都可以減輕列車制動(dòng)時(shí)的縱向沖擊。制動(dòng)波速越高，前后車輛產(chǎn)生制動(dòng)作用的時(shí)間差越小，因此提高制動(dòng)波速可以減小列車沖動(dòng)，縮短制動(dòng)距離。提高緩解波速的意義不亞于制動(dòng)波速的提高，因?yàn)榱熊囋谶\(yùn)行中制動(dòng)以后再緩解時(shí)，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(gè)車鉤將由壓鉤狀態(tài)變?yōu)槔^狀態(tài)，由于種種原因，特別是在低速運(yùn)行時(shí)施行緩解，列車的縱向拉伸動(dòng)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(yīng)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(shù)一般隨列車運(yùn)行速度的降低而增大，在閘瓦壓力相同的條件下，低速時(shí)的緊急制動(dòng)或調(diào)速制動(dòng)后的低速緩解將會(huì)產(chǎn)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(dòng)。

3漏泄問題

制動(dòng)系統(tǒng)的漏泄對制動(dòng)性能和列車運(yùn)行具有重要影響。它主要影響緩解和再充氣的時(shí)間，使列車前后形成壓力梯度，導(dǎo)致列車尾部車輛制動(dòng)力低下，作用遲緩，延長制動(dòng)距離，也是制動(dòng)機(jī)發(fā)生故障的根源之一。列車編組越長，問題越突出，嚴(yán)重時(shí)將使司機(jī)失去對制動(dòng)管減壓量的控制，也會(huì)由于在制動(dòng)保壓過程中的漏泄使列車中的制動(dòng)力分布不均，因而也相應(yīng)增加了列車的縱向沖動(dòng)。漏泄問題包括制動(dòng)部件本身的漏泄和制動(dòng)管系的漏泄。制動(dòng)部件的漏泄主要表現(xiàn)為控制閥滑閥面漏泄、緊急閥排風(fēng)不止、膜板損壞、制動(dòng)缸皮碗失效導(dǎo)致的漏泄等。主要原因有2個(gè)方面，一是密封件的性能和可靠性差；二是制動(dòng)系統(tǒng)對灰砂、雜質(zhì)的防護(hù)能力不強(qiáng)，造成控制閥和制動(dòng)缸潤滑狀態(tài)的惡化，導(dǎo)致活動(dòng)零部件的急劇磨耗，增加了制動(dòng)系統(tǒng)的漏泄。管系漏泄主要體現(xiàn)為法蘭接頭漏泄、軟管連接器漏泄及快裝接頭漏泄等。制動(dòng)管系復(fù)雜、密封環(huán)節(jié)多是造成管系漏泄的主要原因之一。

重載貨車制動(dòng)系統(tǒng)的研究方向

1作用性能方面

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

2從結(jié)構(gòu)改進(jìn)上提高空氣控制閥的可靠性

根據(jù)重技紀(jì)要〔2011〕008號(hào)《大軸重貨車制動(dòng)技術(shù)研究》專題會(huì)議精神，大軸重貨車控制閥應(yīng)在120閥成熟結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，提高閥的安定性、可靠性。為適應(yīng)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(nèi)部潤滑等進(jìn)行研究，同時(shí)提高外觀質(zhì)量。分體式閥座在閥上可作為一種方案進(jìn)行研究論證試驗(yàn)。為此，滑閥結(jié)構(gòu)大軸重貨車控制閥可從以下方面進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)。（1）膜板的可靠性。從閥的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，提高膜板的運(yùn)用可靠性。（2）潤滑。減少滑閥面拉傷，增加儲(chǔ)油設(shè)計(jì)，改善潤滑。（3）穩(wěn)定性。提高作用部的穩(wěn)定性，防止意外制動(dòng)。（4）外形。對閥蓋外形重新設(shè)計(jì)，以提高強(qiáng)度、運(yùn)用可靠性。（5）防塵。改進(jìn)主閥排氣結(jié)構(gòu)，加強(qiáng)濾塵功能，改善制動(dòng)系統(tǒng)空氣質(zhì)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(huán)節(jié)。（7）安定性。在保證緊急制動(dòng)波速不低于250m/s的前提下進(jìn)一步提高常用制動(dòng)安定性，防止意外緊急。（8）換件修。對分體式閥座方案進(jìn)行研究論證試驗(yàn)。

3基礎(chǔ)制動(dòng)方面

研究采用轉(zhuǎn)向架單元制動(dòng)技術(shù)。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(dòng)缸和制動(dòng)拉桿的布局受到嚴(yán)重的限制，使其基礎(chǔ)制動(dòng)裝置相當(dāng)復(fù)雜，傳統(tǒng)的制動(dòng)缸和制動(dòng)拉桿式基礎(chǔ)制動(dòng)在運(yùn)用過程中經(jīng)常出現(xiàn)卡位、緩解不良等現(xiàn)象。采用轉(zhuǎn)向架單元制動(dòng)裝置具有以下5方面的優(yōu)勢：①傳動(dòng)環(huán)節(jié)簡化，具有較高的傳動(dòng)效率，提高了車輛制動(dòng)與緩解的可靠性；②減輕了基礎(chǔ)制動(dòng)裝置的重量；③因取消了制動(dòng)拉桿，消除了因制動(dòng)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(tǒng)（Lo－cotrol），并研究采用電控空氣制動(dòng)系統(tǒng)（ECP），降低列車縱向沖動(dòng)，滿足3萬t重載組合列車的制動(dòng)需要。（1）重載貨物列車采用Locotrol。Locotrol技術(shù)是專為重載組合列車設(shè)計(jì)的一種控制系統(tǒng)。該控制系統(tǒng)利用無線網(wǎng)絡(luò)傳輸控制信號(hào)，可以實(shí)現(xiàn)多臺(tái)機(jī)車的同步控制。通過將動(dòng)力分散布置在列車中，相當(dāng)于把一列長大列車變?yōu)閿?shù)列短編組列車，而且，由于列車中多臺(tái)機(jī)車同時(shí)向列車管充風(fēng)，相當(dāng)于存在多個(gè)風(fēng)源。具有以下優(yōu)勢：①車鉤力和縱向沖動(dòng)力大為減小。②可以縮短空氣制動(dòng)波的傳播距離，大大提高了制動(dòng)與緩解速度。③可不對車輛的空氣制動(dòng)機(jī)作任何改變，有較好的經(jīng)濟(jì)性。但其存在不足：①沿用的空氣制動(dòng)系統(tǒng)，仍然具有較大的縱向沖動(dòng)力存在。②Locotrol的信號(hào)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(huì)發(fā)生通信阻斷，產(chǎn)生不安全因數(shù)。（2）重載貨物列車研究采用ECP。貨車現(xiàn)用的空氣制動(dòng)系統(tǒng)，因受空氣波傳遞速度（制動(dòng)波速：理論最大值為345m/s；世界上現(xiàn)波速最快的ABDX閥可做到280m/s）的限制，難以實(shí)現(xiàn)作用一致、充分利用時(shí)間的目的。而空氣制動(dòng)機(jī)的制動(dòng)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(yùn)行速度或延長制動(dòng)、緩解時(shí)間而保安全，這顯然不利于提高運(yùn)輸效率，與我國的鐵路技術(shù)政策不符。貨運(yùn)列車使用ECP，以電信號(hào)替代空氣波信號(hào)傳遞制動(dòng)系統(tǒng)操作指令，一是可以使縱向沖動(dòng)力大為減??；二是可減少制動(dòng)距離或制動(dòng)功率。減小縱向沖動(dòng)力、降低制動(dòng)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(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的受限因數(shù)，如輪瓦功率、制動(dòng)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(yùn)營成本。

結(jié)語

總體上我國鐵路大軸重（包括27t軸重、32.5t軸重）貨車制動(dòng)機(jī)應(yīng)該是一種（當(dāng)然不排除對專線貨車在配置上有一定差異）。同時(shí)，大軸重制動(dòng)系統(tǒng)的成果應(yīng)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(fā)展重載貨物運(yùn)輸?shù)闹苿?dòng)技術(shù)需要。