列車制動技術(shù)及發(fā)展(1)

1、列車制動技術(shù)及發(fā)展（1）第五章制動技術(shù)5.1 概述5.1.1 制動技術(shù)的發(fā)展概況制動技術(shù)包括制動控制技術(shù)和基礎(chǔ)制動技術(shù)， 是重載貨車提速的關(guān)鍵技術(shù)。制動控制技術(shù)是與產(chǎn) 生和輸出制動動力，控制、調(diào)節(jié)和保持車輛制動力 等有關(guān)的技術(shù)?；A(chǔ)制動技術(shù)是與傳遞和放大制動 動力，實(shí)現(xiàn)和保持制動力，轉(zhuǎn)換和消耗車輛動能等 有關(guān)的技術(shù)。我國鐵路貨車以壓縮空氣作為制動動 力源，控制系統(tǒng)采用空氣制動機(jī)，包括制動控制閥、 空重車調(diào)整裝置、副風(fēng)缸等輔助風(fēng)缸和制動缸等。 基礎(chǔ)制動系統(tǒng)則由機(jī)械傳動裝置、閘瓦間隙調(diào)整器 和閘瓦等組成。我國鐵路貨車制動技術(shù)的進(jìn)步經(jīng)歷了三個歷 史階段。GK型制動機(jī)及其兩級手動空重車調(diào)整裝置、 中磷

2、鑄鐵閘瓦是我國鐵路貨車最早的重載、 提速技 術(shù)，其影響一直持續(xù)了近40年。在K型制動機(jī)基 礎(chǔ)上，按照我國軸重增大，速度提高的要求進(jìn)行改 進(jìn)的GK制動機(jī)不僅可與直徑356mm勺大制動缸配 套，而且實(shí)現(xiàn)了空重車調(diào)整，因此，提高了重車的 制動率；制動缸的三段變速升壓特性也有利于緩解 較長編組列車的縱向力。我國自主研發(fā)的中磷鑄鐵 閘瓦不僅提高了耐磨性，也提高了高速區(qū)的摩擦系 數(shù)。這些技術(shù)既提高了制動能力，又改善了制動性 能，不僅使貨車載重提高到50t級、60t級，也使 貨車速度提高到了 80km/h,基本滿足了牽引重量 3000t級貨物列車的運(yùn)用要求。上世紀(jì)80年代，407G型高摩擦系數(shù)合成閘瓦、 高

3、摩擦系數(shù)合成閘瓦在重載貨車上的應(yīng)用技術(shù)、 ST1-600型雙向閘瓦間隙調(diào)整器等貨車制動新技 術(shù)通過鑒定，103型制動機(jī)（含手動兩級空重車調(diào) 整裝置）也已運(yùn)用成熟。103型制動機(jī)不僅從根本 上解決了緊急制動作用的可靠性問題，而且明顯提 高了制動波速。高摩合成閘瓦的摩擦系數(shù)穩(wěn)定，耐 磨性更好，不僅提高了制動能力，而且明顯降低了 低速區(qū)制動、緩解時的縱向沖動，還縮短了列車的 初充氣和再充氣時間；這些優(yōu)良的性能不僅改善了 重載列車的操縱性能，而且提高了列車在長大坡道 地區(qū)的安全性。閘瓦間隙調(diào)整器及103閥的間接作 用性能解決了因閘瓦磨耗、制動缸活塞行程增加引 起的制動力衰減問題，提高了制動作用的可靠性

4、。 我國自主研發(fā)的 這些制動新技術(shù)不僅符合鐵路主 要技術(shù)政策確定的發(fā)展目標(biāo)：“貨物列車的重量， 近期在不增加機(jī)車車輛軸重的情況下，充分利用 850m車站股道有效長度，一般貨物列車的最大重量由3500t逐步提高到4000t,固定車底的煤炭、 礦石專列可提高到5000t ”，也標(biāo)志著我國第一代， 即5000t級重載列車成套制動技術(shù)的形成。進(jìn)入21世紀(jì)，具備壓力保持功能的120型空 氣控制閥和 KZW-A型空重車自動調(diào)整裝置技術(shù)上 日趨成熟，HGM-A HGM-B型高摩擦系數(shù)合成閘瓦 及L-A、L-B型組合式制動梁等新技術(shù)全面推廣應(yīng) 用，。305型密封式旋壓制動缸研制成功，空氣控 制閥進(jìn)一步發(fā)展到具

5、備常用加速制動功能的 120-1型空氣控制閥。我國自主研發(fā)的 這些制動新 技術(shù)形成了我國新一代，即萬噸級重載列車成套制 動技術(shù)，不僅滿足了貨車提速到 120km/h的需要， 也更好地滿足了萬噸及以上等級長編組重載列車 制動和同步操縱的要求，不僅滿足了速度、密度、 重量并重的運(yùn)輸組織需要，也符合貨運(yùn)向快捷化、 重載化發(fā)展的要求。縱觀以上三個歷史階段，我國鐵路貨車制動技 術(shù)的進(jìn)步主要反映在以下4個方面：(1)制動作用的可靠性不斷提高。從三通閥發(fā)展到空氣分配閥起，徹底杜絕了貨 物列車不起緊急的安全隱患。閘瓦間隙自動調(diào)整器 則克服了鑄鐵閘瓦磨耗快的不良影響，避免了制動 力因閘瓦磨耗、制動缸活塞行程延長

6、而產(chǎn)生的衰 減，提高了制動可靠性。(2)制動能力不斷提高。大容量三通閥和制動控制閥、空重車調(diào)整裝置 和大直徑制動缸為提高重車制動率創(chuàng)造了條件， 閘 瓦摩擦性能的改進(jìn)則提高了高速區(qū)黏著利用的效 果。因此，貨車的制動能力隨著貨車速度的提高、 載重的增加逐步提高。120-1型制動控制閥、KZW-A 型多級空重車自動調(diào)整裝置、HGM(列新一代高摩 合成閘瓦、直徑305m啼慟缸等新技術(shù)的組合 滿足 了我國鐵路貨運(yùn)“速度高、軸重大、編組長、制動 距離短”的特殊運(yùn)用要求，使我國鐵路貨車以制動 減速度表征的制動能力達(dá)到了世界領(lǐng)先水平。(3)長編組列車制動緩解的縱向沖動不斷減 少，安全性不斷提高。從G儂三通K到

7、103型空氣分配閥，再到 120型制動控制閥，空氣制動機(jī)制動、緩解波速不 斷提高，制動充風(fēng)、排氣性能不斷改進(jìn)，有效地提 高了列車前后部制動緩解的一致性。而高摩合成閘 瓦的推廣應(yīng)用，進(jìn)一步降低了長編組列車的縱向沖 動，改善了操縱性能。制動控制閥與高摩合成閘瓦 的組合，不僅使列車緩解的最低允許速度降低， 擴(kuò) 大了列車的可控速度范圍，而且使重載列車的最大 編組達(dá)到120輛，牽引重量達(dá)到1萬噸，成為萬噸 以上等級組合列車的技術(shù)基礎(chǔ)。(4)長大坡道地區(qū)列車制動的安全可靠性不 斷提高。鑄鐵閘瓦材質(zhì)不斷改進(jìn)，耐磨性增加，耐熱性 提高，制動火花減少，徹底消除了高坡地區(qū)磨閘瓦 托和制動火災(zāi)等事故。高摩合成閘瓦及

8、配套小直徑 制動缸組合，減少了列車“波浪式”反復(fù)制動緩解 引起的制動力衰減。制動控制閥的壓力保持功能可 以避免空氣系統(tǒng)漏泄引起的制動力衰減。高摩合成 閘瓦具有耐磨性高和耐熱性好的特點(diǎn)，長時間持續(xù) 制動不會造成制動力衰竭，因此，制動控制閥與高 摩合成閘瓦組合，既適用于列車“波浪式”反復(fù)制 動緩解的操縱方式，也可以實(shí)現(xiàn)“一把閘”制動下 坡，進(jìn)一步提高坡道地區(qū)列車的安全性。綜上所述，貨車制動技術(shù)以制動控制閥（包括 三通閥和分配閥）、空重車調(diào)整裝置和閘瓦等關(guān)鍵 部件的技術(shù)進(jìn)步為發(fā)展主線，以提高能力為發(fā)展主 題，以貨車重載、提速為發(fā)展動力，堅(jiān)持自主創(chuàng)新 的指導(dǎo)思想，在吸收國外先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，形成 了既

9、滿足中國鐵路近乎苛刻的“速度、密度、重量 并重”及網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)輸?shù)奶厥庖螅志哂袊H先進(jìn) 水平，且具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的獨(dú)特的技術(shù)體 系，為鐵路貨車向重載、提速方向發(fā)展提供了技術(shù) 基礎(chǔ)。隨著鐵路貨車重載化、快捷化的不斷發(fā)展以及 我國鐵路運(yùn)輸組織模式的變化，我國鐵路貨車制動 技術(shù)也會隨之向大軸重、高速度兩個方向發(fā)展。制 動系統(tǒng)及關(guān)鍵部件應(yīng)向高可靠性、長檢修周期方向 發(fā)展，制動控制系統(tǒng)向電子化方向發(fā)展， 基礎(chǔ)制動系統(tǒng)向單元化方向發(fā)展。還應(yīng)進(jìn)一步深入研究制動 功率的問題、防滑與黏著利用的問題。5.1.2重載、提速制動技術(shù)應(yīng)解決的主要問題2006年，中國鐵路的旅客周轉(zhuǎn)量、貨物發(fā)送 量、換算周轉(zhuǎn)量和運(yùn)輸密

10、度等4項(xiàng)指標(biāo)躍升至世界 第一位。旺盛的客貨需求、運(yùn)能與運(yùn)量的突出矛盾 決定了中國鐵路必須采用速度、密度、重量并重的 運(yùn)輸組織模式，形成了高速度、高密度、客貨混行 的運(yùn)輸組織特點(diǎn)。在繁忙干線上不僅要開行速度 160km/h客運(yùn)列車，也要開行 50006000t的重載 列車。在客貨混行線路上高速度、高密度行車的需 求超過了日本及歐洲的發(fā)達(dá)國家。反映在貨運(yùn)上， 就是重載與提速并重。貨物列車既有北美鐵路軸重 大、編組長的類似特點(diǎn)，又有歐洲鐵路速度高、制 動距離短的要求。因此，中國鐵路貨車的運(yùn)用條件 比歐美發(fā)達(dá)國家苛刻得多，重載、提速貨車制動系 統(tǒng)的技術(shù)要求有其特殊性。5.1.2.1 與制動距離有關(guān)的問

11、題速度、密度、重量并重的運(yùn)輸組織模式形成了 我國鐵路貨車速度高、軸重大、編組長、制動距離 短的運(yùn)用條件。在速度提高，軸重增大的同時，減 速度明顯提高，制動功率明顯增大（表5-1 ）。表5-1貨車提速后的制動減速度制動初速度/ km-h動距離限值/ m80080011001400平均減速度/ m- s-10.3090.3910.5050.397減速度之比1:11.27:11.63:11.28:1制動功率之比1:11.42:12.1:1 12.1:1 21軸重按18t計(jì)算2軸重按23t計(jì)算。(1)減速度提高，需進(jìn)一步提高制動能力制動能力是指列車在規(guī)定的緊急制動距離，即 制

12、動距離限值內(nèi)安全停車的能力，可用列車所能達(dá) 到的制動減速度表征。制動距離包括空走距離和實(shí) 制動距離兩部分。提高實(shí)制動減速度，縮短實(shí)制動 距離，是提高制動能力的主要手段。采用高摩擦系 數(shù)合成閘瓦不僅可以提高閘瓦的耐熱性， 還可以充 分利用高速區(qū)的輪軌黏著力，縮短實(shí)制動距離，提 高制動能力。在這一前提下，提高制動率或者提高 閘瓦摩擦系數(shù)，均可以進(jìn)一步提高制動力。提高制 動率的手段是增大閘瓦壓力，即增大制動倍率，或 者增大制動缸直徑。制動控制系統(tǒng)容量應(yīng)能滿足制 動缸直徑增大的要求。美國是采用增大主管定壓的 方法提高制動能力，目前不適合我國國情。當(dāng)黏著利用接近或達(dá)到黏著允許限度時，或者 當(dāng)車輪承受的制

13、動熱負(fù)荷達(dá)到極限時，提高制動控 制系統(tǒng)的制動波速，縮短空走時間和空走距離可進(jìn)一步縮短制動距離，特別是長編組重載列車的制動 距離。（2）減速度提高，輪軌黏著的可利用空間縮 小提高制動能力本質(zhì)上是提高輪軌黏著利用率， 故受輪軌黏著允許限度制約。制動減速度與輪軌黏 著允許限度的關(guān)系可用式（5-1 ）表示。當(dāng)貨車速 度從80km/h分別提高到90km/h和120km/h時， 減速度增加了 2763% （表5-1 ），按式（5-1 ）,輪 軌黏著的可利用空間相應(yīng)縮小。（5-1）式中，B制動瞬時速度（m/s2）。黏著利 用是瞬態(tài)的，故不能用平均減速度校核黏著利用是 否超過限度。N輪軌黏著系數(shù)，即輪軌黏著允

14、許限度。g 重力加速度，9.81 m/s 2o（3）貨車重空比增大，輪軌黏著的可利用空 間進(jìn)一步縮小60t級貨車的重空比約為 3.5:1 , 70t貨車的 重空比約為4:1 ,而80t載重運(yùn)煤敞車的重空比達(dá) 至IJ 5:1。重空比的增加使得滿足制動距離限值要求 的重車最小制動率與滿足黏著利用不超過允許限 度的空車最大制動率之間的可利用空間明顯縮小。重空比增大，要求增加空重車調(diào)整裝置的作用 范圍。以轉(zhuǎn)向架彈簧撓度變化量作為測重依據(jù)的空 重車調(diào)整裝置尚不能根據(jù)載重的變化全程調(diào)整， 且 由于轉(zhuǎn)向架彈簧剛度從單級變成兩級或多級， 制動 率-車重的函數(shù)曲線(圖 5-1 )不是直線，也不是 單調(diào)變化的曲線

15、，因此，進(jìn)一步縮小了輪軌黏著的 可利用空間。車體的振動會使調(diào)整區(qū)的實(shí)際制動率 偏離設(shè)計(jì)值，因此，空重車調(diào)整裝置應(yīng)該具有相對 穩(wěn)定且偏向安全的動態(tài)特性。(4)制動系統(tǒng)應(yīng)適應(yīng)兩種主管定壓的運(yùn)用條 也使輪軌黏著的可利用空間縮小貨車制動系統(tǒng)適應(yīng)兩種主管定壓的運(yùn)用條件， 在500kPa定壓條件下應(yīng)滿足制動距離的要求，在 600kPa定壓條件下應(yīng)滿足黏著利用限度的要求， 最小制動率與最大制動率之間的可利用空間明顯 縮小，甚至出現(xiàn)制動率超過黏著允許限度的情況0.050.00020406080100120車重（t）O05 O 1 1 率動制（圖 5-1 ）圖5-1 制動率-車重函數(shù)關(guān)系（5）制動功率的限制制動

16、停車過程中，貨車每軸承擔(dān)的平均制動功 率可按式（5-2）計(jì)算。-iP 21 r）q Vo（5-2）式中，P 每軸平均制動功率（kW;q軸重（t）；r回轉(zhuǎn)慣量系數(shù)；一般取r=0.06B 制動減速度（m/s2）;V0 制動初速（m/s）;式（5-2）表明，制動功率的增加是貨車重載、 提速的必然結(jié)果。制動能力的提高又進(jìn)一步增大了制動功率。在規(guī)定的制動距離下，車輪和閘瓦承受的制動功率與輪載重及速度的3次方成正比）如式13(5-3)（5-3）所示。(1 r)qwVo3P w4s式中，P每輪平均制動功率（kW;q w 輪載重（t）；r回轉(zhuǎn)慣量系數(shù)，一般取r=0.06 ;V0 制動初速（m/s）;S 制動距

17、離（mm根據(jù)表5-1 ,當(dāng)貨車速度提高到120km/h后， 快運(yùn)貨車和通用貨車的制動功率達(dá)到提速前的 2.1倍。隨著軸重的進(jìn)一步增加，制動功率還會繼 續(xù)提高。因此，隨著貨車速度的提高、載重的增加、 重空比的擴(kuò)大、減速度要求的提高，制動功率成為 制動系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)考慮的又一重要因素。長大下坡道地區(qū)的制動安全可靠性也與車輪 和閘瓦的制動功率極限有關(guān)。過去，坡道地區(qū)的列 車限速是從制動能力角度，按制動距離的要求確定 的。但是隨著列車牽引重量的增加、編組的擴(kuò)大、 速度的提高、操縱方式的變化，應(yīng)校核制動功率對 坡道限速的影響。坡道上，車輪和閘瓦承受的瞬時制動功率可用 式（5-4）表示。一 ”、Pw 9.81（1 r）（i wo）qwV（5-4）式中，Pw每輪瞬時制動功率（kWI；