《制动机的操纵与维护》 高速及重载

第九章高速列车制动技术1.概述高速列车由动车和拖车编组而成（日本新干线的0系列高速列车例外，该高速列车由16辆动车组成，无拖车）。其编组辆数一般不会太多。高速列车的运行速度很高，其构造速度相当于我国现行的一般普通旅客列车（结构速度：100～140km/h）的2倍左右（200～300kmkm/h），故高速列车的动能很大。要在不太长的制动时间和距离内将此巨大的动能转移、消散，没有足够大的制动功率和更灵敏的制动操纵控制系统是不行的。高速列车制动有两个主要特点：①多种制动方式协调配合，而且普遍装有防滑器；②列车制动操纵控制普遍采用了电控、电磁直通或微机控制电气指令式等更为灵敏、迅速的系统。高速列车采用的制动方式共7种，可分为3类：①受粘着限制的摩擦制动－－闸瓦（踏面）制动、盘形制动（摩擦式圆盘制动）；②受粘着限制的动力制动－－电阻制动、再生制动、旋转涡流制动（涡流式圆盘制动）；③不受粘着限制的非粘着制动－－磁轨制动（摩擦式轨道电磁制动）、线性涡流制动（涡流式轨道电磁制动）。高速列车的动车一般是在前两类粘着制动中各取1～2种配合使用。例如法国的TGV－A高速列车的动车就是采用“闸瓦制动+电阻制动”；日本新干线的0系和100系高速列车的动车则采用“盘形制动+电阻制动”；日本的300系、德国的ICE高速列车的动车则采用“盘形制动+再生制动”。高速列车的拖车，因没有牵引动力装置，无法采用动力制动，故一般是在第一类和第三类中各取1种配合使用。例如日本新干线的100系和300系高速列车的拖车则采用“盘形制动+线性涡流制动”；德国的ICE高速列车的拖车则采用“盘形制动+磁轨制动”或“盘形制动+轨道涡流制动”。当然，也有些例外：法国的TGV－S高速列车的拖车采用“闸瓦制动+盘形制动”，全是第一类的；法国的TGV－A高速列车的拖车连闸瓦制动都不用，只用盘形制动。高速列车的制动有3个明显的发展趋势：①粘着制动始终是基础，盘形制动终究要替代闸瓦制动。因盘形制动的“摩擦副”在结构和材质上都可以双向选择，能承受较大的热负荷，车轮踏面的磨耗也可以减轻。②在动力制动中，电阻制动逐渐被再生制动所替代。因后者可以节能，经济性比较好。③非粘着制动是特别需要的一种制动方式。在非粘着制动中，摩擦式和涡流式基本匕平分秋色。前者要磨损电磁铁和钢轨，而后者虽无此磨损但耗电较多。由于粘着制动是基础，为了充分利用粘着，高速列车普遍装有防滑器。多种制动方式的协调配合和装有防滑器，只能缩短有效制动距离，为了缩短制动空走时间从而缩短空走距离，高速列车的主要控制方式已由空气压力控制普遍转变为电控，即由空气制动机转变为电空制动机，由自动式转变为电磁直通式，甚至转变为电气指令式（即采用微机控制）。高速列车制动的总目标是控制列车的制动距离，使它不至于随着列车速度的增大而增大得太多，但制动距离应随列车速度的提高而适当延长。否则制动时列车减速度就会太大，使旅客难以承受。2.高速列车新型制动技术（1）技术概述采用轨道涡流制动技术的德国ICE3高速列车于2000年秋天首次投入商业运营。轨道涡流制动利用线性电机的工作原理，通过安装在列车转向架上相互串联的感应电磁铁使轨道产生涡流，涡流在钢轨上生成了与列车转向架上的制动磁铁相互反作用的电磁力来对运行着的列车实施制动。悬挂在列车转向架上的制动电磁铁正对着轨道面。由于轨道涡流制动避免了列车高速运行时车轮与闸瓦或盘形制动装置中闸片与制动盘等部件的机械磨损，以及噪音、摩擦热应力和维修工作量，从而延长了其使用寿命。轨道涡流制动技术除了无摩擦的优点之外，另一个优点就是在列车高速运行时获得恒定的制动力，以进一步优化运行质量，改善乘车的舒适度。但轨道涡流制动技术的使用是有条件的，当列车以较低的速度运行时还需要配合使用常规的摩擦制动。人们发现，即使是高标准的高速铁路线，在频繁实施涡流制动的线路区段也会发生制动温度超过钢轨限制温度的现象。因此在实际应用中，需要一种车载或轨道线路专用设备来监测轨道的实际温度。（2）技术改进为了实现商业化应用，德国铁路制定了轨道涡流制动技术的开发战略，与相关公司结成合作伙伴，并得到了联邦铁路研究院的支持。通过研究开发，他们在车辆的基础设计上使用集合式的转向架，将每个转向架构架重量降至870kg，采用牵引电动机的再生功率技术，免去了备用电池。为了克服电磁场对轴计数器等装备的影响，德国铁路技术工人分别对两套方案进行了实验。首先是对在制动磁铁上加装作用天线的改造方案进行了实验，并取得成效。而后又直接对轴计数器进行改造，并重新设计了一个三块的多层涡流磁铁GRP箱体，摒弃了金属材质的轴计数器箱体，效果则更好。德国铁路将涡流制动机装置安装在编有8节拖车的ICE3高速列车的转向架上。每一节SGP500拖车的转向架上安装有两条1540mm长的带有8个线圈的磁铁，并由牵引变压器降压后经变流器提供励磁电流。正常情况下，该制动磁铁处于上部的位置，当实施制动时，制动磁场就会下降到距离轨道顶面7mm高的。当然，该制动磁铁的制动间隙必须要随着轮缘的磨耗而进行调整。当涡流制动磁铁被激活时，随着列车速度的降低，会产生一个很大的向上的吸力作用到轨道上，其结果是引起转向架的集合支撑构架向下发生一些弯曲。德国铁路规定涡流制动装置使用的速度范围最低点为50km/h，为此他们从设计上提高了转向架构架的刚度，另一方面，当列车速度降为100～50km/h之间时，相应地将涡流制动电流控制在常用值的65%左右。（3）轨道涡流制动技术使用条件主要包括：①在ICE3高速铁路上使用涡流制动技术要对线路基础设施进行相应的改造，更换轴计数器、磁铁接触器和速度检测等设备。②由于只有当轨道能够承受因频繁实施涡流制动，而轨道温升在其材料稳定的允许范围以内时才能使用该装置。因此，要对高速铁路的基础设施进行相应的改造，装备监视轨道实际温度的LzB列车感应控制装置和速度检测等设备。③装备涡流制动装置的ICE3高速列车将在两种模式的线路上运行，一种是容许使用涡流制动进行紧急制动的高速线路；另一种是装有LZB列车感应控制装置的线路，条件是：B70W型轨枕、UIC60型轨道、平直线路，轨道温度不超过75℃，石渣轨道线路，列车速度大于160km/h④实际应用中，ICE3型高速列车的涡流制动装置是与常规的动力制动和空气制动结合使用的。对于标定重量为465t，时速300km/h的ICE3高速列车而言，动能制动和涡流制动并用。在列车速度为230km/h以上时，涡流制动装置产生的制动力起主导作用，这种制动效应将一直持续到使列车速度降到50km/h。此后，安装在驱动轴和从动轴上的盘形空气制动装置再将列车进一步减速，直到列车停车为止。

第十章重载列车制动技术一、什么是重载运输？重载运输是除高速铁路以外，铁路现代化的又一个标志。重载运输是指在先进的铁路技术装备条件下，扩大列车编组，提高列车重量的运输方式。那么，拉多少才称得上重载呢？国际重载协会认为，重载铁路必须满足以下三条标准中的至少两条：经常、定期开行或准备开行总重至少为5000吨的单元列车或组合列车；在长度至少为150公里的线路区段上，年计费货运量至少达2000万吨；经常、正常开行或准备开行轴重25吨以上(含25吨)的列车。

世界上开展重载运输的国家还不是很多，只有澳大利亚、加拿大、中国、南非、美国、俄罗斯、巴西等国土幅员辽阔、资源丰富、铁路较为发达、大宗货物运输较多的国家。当然，更主要的原因还在于重载运输对铁路线路、机车车辆、行车组织等方方面面的要求比较高，一般国家目前还难以达到。正因为如此，重载运输才算得上未来铁路发展的方向之一。二、重载运输对线路和机车车辆的要求那么，重载运输对铁路线路有何特殊要求呢？由于重载运输的列车重量往往在5000吨以上，按目前每节车载重60吨计算，大约需要80多节，连接起来有1公里多长。所以停靠重载列车的车站站线有效长度基本要达到1050米，最好达到1700米。另外，重载列车拉得多，爬坡自然困难，因此线路的最大坡度不能超过8～9‰，也就是说每1000米的铁路线的上升幅度不得超过8～9米。因为载重量大，一般的轨道无法承载，必须铺设或更换每米重60公斤

重载运输的机车车辆最起码要拉得动、装得多、经得住折腾。拉得动是指牵引机车的功率要足够大，一台不够就用两台甚至三台。不过，使用的机车越多，协调越难，要求的行车技术越高。车辆要采用新材料、新结构和新工艺，尽可能减轻车辆本身的自重，增加货物的载重量。另外在车辆体积不超过一定的轮廓范围之内(即机车车辆限界)的同时，尽可能扩大车辆的容积。重载列车爬坡难，下坡也难。在长大下坡区段，只依靠机车的制动力很难将整个列车停住，这是因为数量众多的车辆下滑力大大超过机车的制动力。如果车辆仍按常规设计，列车在长大下坡地段就会发生颠覆事故。为此，重载列车中的部分车辆必须安装双管制动系统，使一部分车辆参与机车的制动，才能和其余的车辆下滑力相平衡，确保下坡地段的列车安全。开行重载列车的目的之一就是要降低运输成本，提高车辆的运用率。因此，重载列车一般均是固定编组循环往复运行。这种固定编组循环运行列车的车辆结构必须牢固可靠，无需经常修理。三、中国铁路重载运输的发展中国铁路重载运输的发展，大体上可归纳为：通过两种途径，经历了三个阶段和采用三种不同的运输组织模式。所谓两种途径就是新建大能力、高标准的重载列车运输专线和有计划地对既有线进行配套改造同时并举。经历三个阶段和采取三种运输组织模式，即第一阶段自1984年至1990年，主要为改造旧线，开行组合式重载列车。选择了晋煤外运通道的丰台—沙城—大同线和北京—秦皇岛线为试点，开行固定式组合式重载列车。采用内燃机车双机牵引7400吨，使用缩短型敞车和装有配套技术的新型车辆。根据货流的特点，采取了固定车底、固定机车、固定发到站、固定运行线，从大同西站出发直达秦皇岛东站，卸车后原列空车返回，进行循环拉运。在山海关至沈阳间试验开行“非固定”的7000吨组合式重载列车、在石家庄至德州和石家庄至济南间开行“非固定”式组合列车，以后又在平顶山至武汉间双机牵引6500吨、在徐州北至南京东间双机牵引7000吨～8000吨的组合列车。组合式重载列车对扩大晋煤外运数量，缓解沿海繁忙干线能力紧张，促进国民经济的发展作出了重要贡献。第二阶段自1990年至1992年，新建大同至秦皇岛铁路运煤专线，开行单元式重载列车。大秦铁路是借鉴加拿大、澳大利亚等国开行重载单元列车的经验，在国内新建的第一条双线电气化重载运煤专线，全长653公里。1988年试验开行了单机牵引6000吨，双机牵引10000吨单元式重载列车。1992年底正式开行列车重量为6000吨和万吨的单元列车。第三阶段为1992年以后，对沿海繁忙干线逐步进行改造，开行整列式重载列车。1992年8月6日在徐州北至南京东间，利用两台内燃机车牵引64辆货车，总重5134吨，8月12日在石家庄至郑州北间由两台北京型机车牵引65辆货车，总重5119吨，两线均试验成功。实践说明，只有因地制宜，不拘一格，综合采用不同重量级别，不同组织形式的重载列车，才能最大限度地提高列车平均牵引重量，取得最佳的经济效益。按重载列车的作业组织方法区分，铁路重载运输有以下三种模式：单元式重载列车——是把大功率机车双机或多机与一定编成辆数的同类专用货车固定组成一个运输“单元”，并以此作为运营计费的单位。机车操纵采用无线遥控同步运转系统，运送的货物品种单一，在装、卸站间往返循环运行，中途列车不拆散，不进行改编作业，机车车辆固定编挂位置，车底固定回空，两端车站装卸设备配套，是装、运、卸“一条龙”的运输组织形式。在路网规模大、行车密度小、货运比重大、运能较富裕的美国、加拿大、澳大利亚等国，组织开行从装车地到卸车地之间的重载单元列车，通过货物集中发送、快速装卸、加速机车车辆周转来降低成本，从而获得较大的效益，提高了与其他运输方式的竞争能力。美国的重载单元列车，牵引总重在10000吨以上，是名副其实的万吨列车，并曾创造总重达44066吨的世界最高纪录。组合式重载列车——是由两列及其以上同方向运行的普通货物列车首尾相接、合并组成的列车。机车分别挂于各自的货物列车首部，由最前方货物列车的机车担任本务机车，运行至前方某一技术站或终到站后，分解为普通货物列车。它实质上是在线路通过能力紧张的区段，利用一条运行线行驶两列及以上的普通货物列车的一种扩大运输能力的方式。前苏联铁路是客货混用，列车数量多、行车密度大，运能与运量的矛盾比较突出，为扩大运输能力、挖掘现有设备潜力，即组织开行超重、超长列车或组合式列车，并成功地试验开行了总重43047吨的重载列车。整列式重载列车——是由大功率单机或多机重联牵引，列车由不同型式和载重的货物车辆混合编组，达到规定重载标准（牵引重量达到5000吨及其以上）的列车。目前，中国繁忙干线上开行的重载列车主要为这种模式。四、重载列车制动新技术由第一章的讨论可知，空气制动机实施制动或缓解时所产生的空气波存在一个沿制动管由前向后扩散或传播的过程，列车越长，其前后部开始制动或缓解的时间差就越大，这种“制动或缓解作用的不同时性”是列车制动或缓解时发生强烈纵向动力作用的主要原因。对于重载（扩