列車制動(dòng)技術(shù)及發(fā)展(1)

1、無第五章制動(dòng)技術(shù)5.1 概述5.1.15.1.1 制動(dòng)技術(shù)的發(fā)展概況制動(dòng)技術(shù)的發(fā)展概況制動(dòng)技術(shù)包括制動(dòng)控制技術(shù)和基礎(chǔ)制動(dòng)技術(shù)，是重載貨車提速的關(guān)鍵技術(shù)。制動(dòng)控制技術(shù)是與產(chǎn)生和輸出制動(dòng)動(dòng)力，控制、調(diào)節(jié)和保持車輛制動(dòng)力等有關(guān)的技術(shù)?；A(chǔ)制動(dòng)技術(shù)是與傳遞和放大制動(dòng)動(dòng)力，實(shí)現(xiàn)和保持制動(dòng)力，轉(zhuǎn)換和消耗車輛動(dòng)能等有關(guān)的技術(shù)。我國(guó)鐵路貨車以壓縮空氣作為制動(dòng)動(dòng)力源，控制系統(tǒng)采用空氣制動(dòng)機(jī)，包括制動(dòng)控制閥、空重車調(diào)整裝置、副風(fēng)缸等輔助風(fēng)缸和制動(dòng)缸等?；A(chǔ)制動(dòng)系統(tǒng)則由機(jī)械傳動(dòng)裝置、閘瓦間隙調(diào)整器和閘瓦等組成。我國(guó)鐵路貨車制動(dòng)技術(shù)的進(jìn)步經(jīng)歷了三個(gè)歷史階段。GK 型制動(dòng)機(jī)及其兩級(jí)手動(dòng)空重車調(diào)整裝置、中磷鑄鐵閘瓦是我國(guó)

2、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(dòng)機(jī)基礎(chǔ)上，按照我國(guó)軸重增大，速度提高的要求進(jìn)行改進(jìn)的 GK 制動(dòng)機(jī)不僅可與直徑 356mm 的大制動(dòng)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(dòng)率；制動(dòng)缸的三段變速升壓特性也有利于緩解較長(zhǎng)編組列車的縱向力。我國(guó)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(dòng)能力，又改善了制動(dòng)性能，不僅使貨車載重提高到 50t 級(jí)、60t 級(jí)，也使貨車速度提高到了 80km/h，基本滿足了牽引重量 3000t 級(jí)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、高摩擦系數(shù)

3、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(dòng)新技術(shù)通過鑒定，103 型制動(dòng)機(jī)（含手動(dòng)兩級(jí)空重車調(diào)整裝置）也已運(yùn)用成熟。103 型制動(dòng)機(jī)不僅從根本上解決了緊急制動(dòng)作用的可靠性問題，而且明顯提高了制動(dòng)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(dòng)能力，而且明顯降低了低速區(qū)制動(dòng)、緩解時(shí)的縱向沖動(dòng)，還縮短了列車的初充氣和再充氣時(shí)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(zhǎng)大坡道地區(qū)的安全性。無閘瓦間隙調(diào)整器及 103 閥的間接作用性能解決了因閘瓦磨耗、制動(dòng)缸活塞行程增加引起的制動(dòng)力衰減問題，提高了制動(dòng)作用的可靠性。我國(guó)自主研發(fā)的這些

4、制動(dòng)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(zhǎng)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(guó)第一代，即 5000t 級(jí)重載列車成套制動(dòng)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(dòng)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(dòng)梁等新技術(shù)全面推廣應(yīng)用，305 型密封式旋壓制動(dòng)缸研制成功，空氣控制閥進(jìn)一步發(fā)展到具備常用加

5、速制動(dòng)功能的 120-1 型空氣控制閥。我國(guó)自主研發(fā)的這些制動(dòng)新技術(shù)形成了我國(guó)新一代，即萬噸級(jí)重載列車成套制動(dòng)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(jí)長(zhǎng)編組重載列車制動(dòng)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?？v觀以上三個(gè)歷史階段，我國(guó)鐵路貨車制動(dòng)技術(shù)的進(jìn)步主要反映在以下 4 個(gè)方面：（1）制動(dòng)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(dòng)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(dòng)力因閘瓦磨耗、制動(dòng)缸活塞行程延長(zhǎng)而產(chǎn)生的衰減，提高了制

6、動(dòng)可靠性。（2）制動(dòng)能力不斷提高。大容量三通閥和制動(dòng)控制閥、空重車調(diào)整裝置和大直徑制動(dòng)缸為提高重車制動(dòng)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(dòng)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(dòng)控制閥、 KZW-A 型多級(jí)空重車自動(dòng)調(diào)整裝置、 HGM系列新一代高摩合成閘瓦、直徑 305mm 制動(dòng)缸等新技術(shù)的組合滿足了我國(guó)鐵路貨運(yùn)“速度高、軸重大、編組長(zhǎng)、制動(dòng)距離短”的特殊運(yùn)用要求，使我國(guó)鐵路貨車以制動(dòng)減速度表征的制動(dòng)能力達(dá)到了世界領(lǐng)先水平。無（3）長(zhǎng)編組列車制動(dòng)緩解的縱向沖動(dòng)不斷減少，安全性不斷提高。從 GK 型三通閥，到 103 型空氣分配

7、閥，再到 120 型制動(dòng)控制閥，空氣制動(dòng)機(jī)制動(dòng)、緩解波速不斷提高，制動(dòng)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(dòng)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(zhǎng)編組列車的縱向沖動(dòng)，改善了操縱性能。制動(dòng)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(jí)組合列車的技術(shù)基礎(chǔ)。（4）長(zhǎng)大坡道地區(qū)列車制動(dòng)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(dòng)火花減少，徹底消除了高坡地區(qū)磨閘瓦托和制動(dòng)火災(zāi)等事故。高摩合成閘瓦及配套小直徑制動(dòng)缸組合，減少了列

8、車“波浪式”反復(fù)制動(dòng)緩解引起的制動(dòng)力衰減。制動(dòng)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(dòng)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(zhǎng)時(shí)間持續(xù)制動(dòng)不會(huì)造成制動(dòng)力衰竭，因此，制動(dòng)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(dòng)緩解的操縱方式，也可以實(shí)現(xiàn)“一把閘”制動(dòng)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(dòng)技術(shù)以制動(dòng)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(dòng)力，堅(jiān)持自主創(chuàng)新的指導(dǎo)思想， 在吸收國(guó)外先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上， 形成了既滿足中國(guó)鐵路近乎苛刻的 “速度、密度、重量并重”及

9、網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)輸?shù)奶厥庖?，又具有?guó)際先進(jìn)水平，且具有完全自主知識(shí)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(guó)鐵路運(yùn)輸組織模式的變化，我國(guó)鐵路貨車制動(dòng)技術(shù)也會(huì)隨之向大軸重、高速度兩個(gè)方向發(fā)展。制動(dòng)系統(tǒng)及關(guān)鍵部件應(yīng)向高可靠性、長(zhǎng)檢修周期方向發(fā)展，制動(dòng)控制系統(tǒng)向電子化方向發(fā)展，基礎(chǔ)制動(dòng)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(dòng)功率的問題、防滑與黏著利用的問題。無5.1.25.1.2重載、提速制動(dòng)技術(shù)應(yīng)解決的主要問題重載、提速制動(dòng)技術(shù)應(yīng)解決的主要問題2006 年，中國(guó)鐵路的旅客周轉(zhuǎn)量、貨物發(fā)送量、換算周轉(zhuǎn)量和運(yùn)輸密度等 4 項(xiàng)指標(biāo)躍升至

10、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(guó)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(guó)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(zhǎng)的類似特點(diǎn)，又有歐洲鐵路速度高、制動(dòng)距離短的要求。因此，中國(guó)鐵路貨車的運(yùn)用條件比歐美發(fā)達(dá)國(guó)家苛刻得多，重載、提速貨車制動(dòng)系統(tǒng)的技術(shù)要求有其特殊性。5.1.2.15.1.2.1 與制動(dòng)距離有關(guān)的問題與制動(dòng)距離有關(guān)的

11、問題速度、密度、重量并重的運(yùn)輸組織模式形成了我國(guó)鐵路貨車速度高、軸重大、編組長(zhǎng)、制動(dòng)距離短的運(yùn)用條件。在速度提高，軸重增大的同時(shí)，減速度明顯提高，制動(dòng)功率明顯增大（表5-1） 。表 5-1 貨車提速后的制動(dòng)減速度制動(dòng)初速度kmh動(dòng)距離限值m80080011001400平均減速度ms-10.3090.3910.5050.397減速度之比1:11.27:11.63:11.28:1制動(dòng)功率之比1:11.42:12.1:112.1:121 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(dòng)能力制動(dòng)能力是指列車在規(guī)定的緊急制動(dòng)距離，即制動(dòng)距離限值

12、內(nèi)安全停車的能力，可用列車所能達(dá)到的制動(dòng)減速度表征。制動(dòng)距離包括空走距離和實(shí)制動(dòng)距離兩部分。提高實(shí)制動(dòng)減速度，無縮短實(shí)制動(dòng)距離，是提高制動(dòng)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(dòng)距離，提高制動(dòng)能力。在這一前提下，提高制動(dòng)率或者提高閘瓦摩擦系數(shù)，均可以進(jìn)一步提高制動(dòng)力。提高制動(dòng)率的手段是增大閘瓦壓力，即增大制動(dòng)倍率，或者增大制動(dòng)缸直徑。制動(dòng)控制系統(tǒng)容量應(yīng)能滿足制動(dòng)缸直徑增大的要求。美國(guó)是采用增大主管定壓的方法提高制動(dòng)能力，目前不適合我國(guó)國(guó)情。當(dāng)黏著利用接近或達(dá)到黏著允許限度時(shí)，或者當(dāng)車輪承受的制動(dòng)熱負(fù)荷達(dá)到極限時(shí)，提高制動(dòng)控制系

13、統(tǒng)的制動(dòng)波速，縮短空走時(shí)間和空走距離可進(jìn)一步縮短制動(dòng)距離，特別是長(zhǎng)編組重載列車的制動(dòng)距離。（2）減速度提高，輪軌黏著的可利用空間縮小提高制動(dòng)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(dòng)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(shí)，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。g（5-1）式中，制動(dòng)瞬時(shí)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。輪軌黏著系數(shù)，即輪軌黏著允許限度。g重力加速度，9.81 m/s2。（3）貨

14、車重空比增大，輪軌黏著的可利用空間進(jìn)一步縮小60t 級(jí)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)到 5:1。重空比的增加使得滿足制動(dòng)距離限值要求的重車最小制動(dòng)率與滿足黏著利用不超過允許限度的空車最大制動(dòng)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(cè)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(jí)變成兩級(jí)或多級(jí)，制動(dòng)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，因此，進(jìn)一步縮小了輪軌黏著的可利用空間。車體的振動(dòng)會(huì)使調(diào)整區(qū)的實(shí)際制動(dòng)率偏離設(shè)

15、計(jì)值，因此，空重?zé)o車調(diào)整裝置應(yīng)該具有相對(duì)穩(wěn)定且偏向安全的動(dòng)態(tài)特性。（4）制動(dòng)系統(tǒng)應(yīng)適應(yīng)兩種主管定壓的運(yùn)用條件，也使輪軌黏著的可利用空間縮小貨車制動(dòng)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(dòng)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(dòng)率與最大制動(dòng)率之間的可利用空間明顯縮小，甚至出現(xiàn)制動(dòng)率超過黏著允許限度的情況（圖 5-1） 。圖 5-1制動(dòng)率-車重函數(shù)關(guān)系（5）制動(dòng)功率的限制制動(dòng)停車過程中，貨車每軸承擔(dān)的平均制動(dòng)功率可按式（5-2）計(jì)算。0)1 (21VqrP（5-2）式中，P每軸平均制動(dòng)功率（kW） ；q 軸重（t） ；r 回轉(zhuǎn)慣量系數(shù)

16、；一般取 r=0.06。 制動(dòng)減速度（m/s2） ；0.000.050.100.150.200.25020406080100120車重（t）制動(dòng)率定壓500kPa定壓600kPa最大允許制動(dòng)率無V0制動(dòng)初速（m/s） ；式（5-2）表明，制動(dòng)功率的增加是貨車重載、提速的必然結(jié)果。制動(dòng)能力的提高又進(jìn)一步增大了制動(dòng)功率。在規(guī)定的制動(dòng)距離下，車輪和閘瓦承受的制動(dòng)功率與輪載重及速度的 3 次方成正比，如式（5-3）所示。（5-3）式中，wP每輪平均制動(dòng)功率（kW） ；qw輪載重（t） ；r 回轉(zhuǎn)慣量系數(shù)，一般取 r=0.06；V0制動(dòng)初速（m/s） ；S 制動(dòng)距離（m）根據(jù)表 5-1，當(dāng)貨車速度提高到

17、 120km/h 后，快運(yùn)貨車和通用貨車的制動(dòng)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(dòng)功率還會(huì)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(dòng)功率成為制動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)考慮的又一重要因素。長(zhǎng)大下坡道地區(qū)的制動(dòng)安全可靠性也與車輪和閘瓦的制動(dòng)功率極限有關(guān)。過去，坡道地區(qū)的列車限速是從制動(dòng)能力角度，按制動(dòng)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(dòng)功率對(duì)坡道限速的影響。坡道上，車輪和閘瓦承受的瞬時(shí)制動(dòng)功率可用式（5-4）表示。（5-4）式中，Pw每輪瞬時(shí)制動(dòng)功率（kW） ；qw輪載重（t） ；r 回轉(zhuǎn)慣量系數(shù)，一般取 r=0.06；i