列车制动技术及发展(1)

1、列车制动技术及发展（1）第五章制动技术5.1 概述5.1.1 制动技术的发展概况制动技术包括制动控制技术和基础制动技术， 是重载货车提速的关键技术。制动控制技术是与产 生和输出制动动力，控制、调节和保持车辆制动力 等有关的技术。基础制动技术是与传递和放大制动 动力，实现和保持制动力，转换和消耗车辆动能等 有关的技术。我国铁路货车以压缩空气作为制动动 力源，控制系统采用空气制动机，包括制动控制阀、 空重车调整装置、副风缸等辅助风缸和制动缸等。 基础制动系统则由机械传动装置、闸瓦间隙调整器 和闸瓦等组成。我国铁路货车制动技术的进步经历了三个历 史阶段。GK型制动机及其两级手动空重车调整装置、 中磷

2、铸铁闸瓦是我国铁路货车最早的重载、 提速技 术，其影响一直持续了近40年。在K型制动机基 础上，按照我国轴重增大，速度提高的要求进行改 进的GK制动机不仅可与直径356mm勺大制动缸配 套，而且实现了空重车调整，因此，提高了重车的 制动率；制动缸的三段变速升压特性也有利于缓解 较长编组列车的纵向力。我国自主研发的中磷铸铁 闸瓦不仅提高了耐磨性，也提高了高速区的摩擦系 数。这些技术既提高了制动能力，又改善了制动性 能，不仅使货车载重提高到50t级、60t级，也使 货车速度提高到了 80km/h,基本满足了牵引重量 3000t级货物列车的运用要求。上世纪80年代，407G型高摩擦系数合成闸瓦、 高

3、摩擦系数合成闸瓦在重载货车上的应用技术、 ST1-600型双向闸瓦间隙调整器等货车制动新技 术通过鉴定，103型制动机（含手动两级空重车调 整装置）也已运用成熟。103型制动机不仅从根本 上解决了紧急制动作用的可靠性问题，而且明显提 高了制动波速。高摩合成闸瓦的摩擦系数稳定，耐 磨性更好，不仅提高了制动能力，而且明显降低了 低速区制动、缓解时的纵向冲动，还缩短了列车的 初充气和再充气时间；这些优良的性能不仅改善了 重载列车的操纵性能，而且提高了列车在长大坡道 地区的安全性。闸瓦间隙调整器及103阀的间接作 用性能解决了因闸瓦磨耗、制动缸活塞行程增加引 起的制动力衰减问题，提高了制动作用的可靠性

4、。 我国自主研发的 这些制动新技术不仅符合铁路主 要技术政策确定的发展目标：“货物列车的重量， 近期在不增加机车车辆轴重的情况下，充分利用 850m车站股道有效长度，一般货物列车的最大重量由3500t逐步提高到4000t,固定车底的煤炭、 矿石专列可提高到5000t ”，也标志着我国第一代， 即5000t级重载列车成套制动技术的形成。进入21世纪，具备压力保持功能的120型空 气控制阀和 KZW-A型空重车自动调整装置技术上 日趋成熟，HGM-A HGM-B型高摩擦系数合成闸瓦 及L-A、L-B型组合式制动梁等新技术全面推广应 用，。305型密封式旋压制动缸研制成功，空气控 制阀进一步发展到具

5、备常用加速制动功能的 120-1型空气控制阀。我国自主研发的 这些制动新 技术形成了我国新一代，即万吨级重载列车成套制 动技术，不仅满足了货车提速到 120km/h的需要， 也更好地满足了万吨及以上等级长编组重载列车 制动和同步操纵的要求，不仅满足了速度、密度、 重量并重的运输组织需要，也符合货运向快捷化、 重载化发展的要求。纵观以上三个历史阶段，我国铁路货车制动技 术的进步主要反映在以下4个方面：(1)制动作用的可靠性不断提高。从三通阀发展到空气分配阀起，彻底杜绝了货 物列车不起紧急的安全隐患。闸瓦间隙自动调整器 则克服了铸铁闸瓦磨耗快的不良影响，避免了制动 力因闸瓦磨耗、制动缸活塞行程延长

6、而产生的衰 减，提高了制动可靠性。(2)制动能力不断提高。大容量三通阀和制动控制阀、空重车调整装置 和大直径制动缸为提高重车制动率创造了条件， 闸 瓦摩擦性能的改进则提高了高速区黏着利用的效 果。因此，货车的制动能力随着货车速度的提高、 载重的增加逐步提高。120-1型制动控制阀、KZW-A 型多级空重车自动调整装置、HGM(列新一代高摩 合成闸瓦、直径305m啼恸缸等新技术的组合 满足 了我国铁路货运“速度高、轴重大、编组长、制动 距离短”的特殊运用要求，使我国铁路货车以制动 减速度表征的制动能力达到了世界领先水平。(3)长编组列车制动缓解的纵向冲动不断减 少，安全性不断提高。从G侬三通K到

7、103型空气分配阀，再到 120型制动控制阀，空气制动机制动、缓解波速不 断提高，制动充风、排气性能不断改进，有效地提 高了列车前后部制动缓解的一致性。而高摩合成闸 瓦的推广应用，进一步降低了长编组列车的纵向冲 动，改善了操纵性能。制动控制阀与高摩合成闸瓦 的组合，不仅使列车缓解的最低允许速度降低， 扩 大了列车的可控速度范围，而且使重载列车的最大 编组达到120辆，牵引重量达到1万吨，成为万吨 以上等级组合列车的技术基础。(4)长大坡道地区列车制动的安全可靠性不 断提高。铸铁闸瓦材质不断改进，耐磨性增加，耐热性 提高，制动火花减少，彻底消除了高坡地区磨闸瓦 托和制动火灾等事故。高摩合成闸瓦及

8、配套小直径 制动缸组合，减少了列车“波浪式”反复制动缓解 引起的制动力衰减。制动控制阀的压力保持功能可 以避免空气系统漏泄引起的制动力衰减。高摩合成 闸瓦具有耐磨性高和耐热性好的特点，长时间持续 制动不会造成制动力衰竭，因此，制动控制阀与高 摩合成闸瓦组合，既适用于列车“波浪式”反复制 动缓解的操纵方式，也可以实现“一把闸”制动下 坡，进一步提高坡道地区列车的安全性。综上所述，货车制动技术以制动控制阀（包括 三通阀和分配阀）、空重车调整装置和闸瓦等关键 部件的技术进步为发展主线，以提高能力为发展主 题，以货车重载、提速为发展动力，坚持自主创新 的指导思想，在吸收国外先进经验的基础上，形成 了既

9、满足中国铁路近乎苛刻的“速度、密度、重量 并重”及网络化运输的特殊要求，又具有国际先进 水平，且具有完全自主知识产权的独特的技术体 系，为铁路货车向重载、提速方向发展提供了技术 基础。随着铁路货车重载化、快捷化的不断发展以及 我国铁路运输组织模式的变化，我国铁路货车制动 技术也会随之向大轴重、高速度两个方向发展。制 动系统及关键部件应向高可靠性、长检修周期方向 发展，制动控制系统向电子化方向发展， 基础制动系统向单元化方向发展。还应进一步深入研究制动 功率的问题、防滑与黏着利用的问题。5.1.2重载、提速制动技术应解决的主要问题2006年，中国铁路的旅客周转量、货物发送 量、换算周转量和运输密

10、度等4项指标跃升至世界 第一位。旺盛的客货需求、运能与运量的突出矛盾 决定了中国铁路必须采用速度、密度、重量并重的 运输组织模式，形成了高速度、高密度、客货混行 的运输组织特点。在繁忙干线上不仅要开行速度 160km/h客运列车，也要开行 50006000t的重载 列车。在客货混行线路上高速度、高密度行车的需 求超过了日本及欧洲的发达国家。反映在货运上， 就是重载与提速并重。货物列车既有北美铁路轴重 大、编组长的类似特点，又有欧洲铁路速度高、制 动距离短的要求。因此，中国铁路货车的运用条件 比欧美发达国家苛刻得多，重载、提速货车制动系 统的技术要求有其特殊性。5.1.2.1 与制动距离有关的问

11、题速度、密度、重量并重的运输组织模式形成了 我国铁路货车速度高、轴重大、编组长、制动距离 短的运用条件。在速度提高，轴重增大的同时，减 速度明显提高，制动功率明显增大（表5-1 ）。表5-1货车提速后的制动减速度制动初速度/ km-h动距离限值/ m80080011001400平均减速度/ m- s-10.3090.3910.5050.397减速度之比1:11.27:11.63:11.28:1制动功率之比1:11.42:12.1:1 12.1:1 21轴重按18t计算2轴重按23t计算。(1)减速度提高，需进一步提高制动能力制动能力是指列车在规定的紧急制动距离，即 制

12、动距离限值内安全停车的能力，可用列车所能达 到的制动减速度表征。制动距离包括空走距离和实 制动距离两部分。提高实制动减速度，缩短实制动 距离，是提高制动能力的主要手段。采用高摩擦系 数合成闸瓦不仅可以提高闸瓦的耐热性， 还可以充 分利用高速区的轮轨黏着力，缩短实制动距离，提 高制动能力。在这一前提下，提高制动率或者提高 闸瓦摩擦系数，均可以进一步提高制动力。提高制 动率的手段是增大闸瓦压力，即增大制动倍率，或 者增大制动缸直径。制动控制系统容量应能满足制 动缸直径增大的要求。美国是采用增大主管定压的 方法提高制动能力，目前不适合我国国情。当黏着利用接近或达到黏着允许限度时，或者 当车轮承受的制

13、动热负荷达到极限时，提高制动控 制系统的制动波速，缩短空走时间和空走距离可进一步缩短制动距离，特别是长编组重载列车的制动 距离。（2）减速度提高，轮轨黏着的可利用空间缩 小提高制动能力本质上是提高轮轨黏着利用率， 故受轮轨黏着允许限度制约。制动减速度与轮轨黏 着允许限度的关系可用式（5-1 ）表示。当货车速 度从80km/h分别提高到90km/h和120km/h时， 减速度增加了 2763% （表5-1 ），按式（5-1 ）,轮 轨黏着的可利用空间相应缩小。（5-1）式中，B制动瞬时速度（m/s2）。黏着利 用是瞬态的，故不能用平均减速度校核黏着利用是 否超过限度。N轮轨黏着系数，即轮轨黏着允

14、许限度。g 重力加速度，9.81 m/s 2o（3）货车重空比增大，轮轨黏着的可利用空 间进一步缩小60t级货车的重空比约为 3.5:1 , 70t货车的 重空比约为4:1 ,而80t载重运煤敞车的重空比达 至IJ 5:1。重空比的增加使得满足制动距离限值要求 的重车最小制动率与满足黏着利用不超过允许限 度的空车最大制动率之间的可利用空间明显缩小。重空比增大，要求增加空重车调整装置的作用 范围。以转向架弹簧挠度变化量作为测重依据的空 重车调整装置尚不能根据载重的变化全程调整， 且 由于转向架弹簧刚度从单级变成两级或多级， 制动 率-车重的函数曲线(图 5-1 )不是直线，也不是 单调变化的曲线

15、，因此，进一步缩小了轮轨黏着的 可利用空间。车体的振动会使调整区的实际制动率 偏离设计值，因此，空重车调整装置应该具有相对 稳定且偏向安全的动态特性。(4)制动系统应适应两种主管定压的运用条 也使轮轨黏着的可利用空间缩小货车制动系统适应两种主管定压的运用条件， 在500kPa定压条件下应满足制动距离的要求，在 600kPa定压条件下应满足黏着利用限度的要求， 最小制动率与最大制动率之间的可利用空间明显 缩小，甚至出现制动率超过黏着允许限度的情况0.050.00020406080100120车重（t）O05 O 1 1 率动制（图 5-1 ）图5-1 制动率-车重函数关系（5）制动功率的限制制动

16、停车过程中，货车每轴承担的平均制动功 率可按式（5-2）计算。-iP 21 r）q Vo（5-2）式中，P 每轴平均制动功率（kW;q轴重（t）；r回转惯量系数；一般取r=0.06B 制动减速度（m/s2）;V0 制动初速（m/s）;式（5-2）表明，制动功率的增加是货车重载、 提速的必然结果。制动能力的提高又进一步增大了制动功率。在规定的制动距离下，车轮和闸瓦承受的制动功率与轮载重及速度的3次方成正比）如式13(5-3)（5-3）所示。(1 r)qwVo3P w4s式中，P每轮平均制动功率（kW;q w 轮载重（t）；r回转惯量系数，一般取r=0.06 ;V0 制动初速（m/s）;S 制动距

17、离（mm根据表5-1 ,当货车速度提高到120km/h后， 快运货车和通用货车的制动功率达到提速前的 2.1倍。随着轴重的进一步增加，制动功率还会继 续提高。因此，随着货车速度的提高、载重的增加、 重空比的扩大、减速度要求的提高，制动功率成为 制动系统设计应考虑的又一重要因素。长大下坡道地区的制动安全可靠性也与车轮 和闸瓦的制动功率极限有关。过去，坡道地区的列 车限速是从制动能力角度，按制动距离的要求确定 的。但是随着列车牵引重量的增加、编组的扩大、 速度的提高、操纵方式的变化，应校核制动功率对 坡道限速的影响。坡道上，车轮和闸瓦承受的瞬时制动功率可用 式（5-4）表示。一 ”、Pw 9.81（1 r）（i wo）qwV（5-4）式中，Pw每轮瞬时制动功率（kWI；