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的大制动缸配套，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。

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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。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，φ305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系列新一代高摩合成闸瓦、直径305mm制动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。

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（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GK型三通阀，到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。

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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5000~6000t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-1 制动距离限值∕m 平均减速度∕m·s-1 减速度之比 制动功率之比

80 800 0.309 1:1 1:1

90 800 0.391 1.27:1 1.42:1

120 1100 0.505 1.63:1 2.1:1

[1]

120 1400 0.397 1.28:1 2.1:1

[2]

[1] 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，

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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27~63%（表5-1），按式（5-1），轮轨黏着的可利用空间相应缩小。

???g （5-1） 式中，β——制动瞬时速度（m/s）。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。

μ——轮轨黏着系数，即轮轨黏着允许限度。

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g ——重力加速度，9.81 m/s2。

（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到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，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

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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件，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（图5-1）。

0.25 0.20 率0.15动制0.10 定压500kPa定压600kPa最大允许制动率 0.05 0.00020406080100120 车重（t）

图5-1 制动率-车重函数关系

（5）制动功率的限制

制动停车过程中，货车每轴承担的平均制动功率可按式（5-2）计算。P?12(1?r)q?V0

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=0.06。 β ——制动减速度（m/s2

）；

5-2） 6

（ 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（5-3）所示。

(1?r)qwV03Pw?4S

（5-3）

式中，Pw——每轮平均制动功率（kW）； qw——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 ——制动距离（m）

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。

Pw?9.81(1?r)(i?w0)qwv （5-4）

式中，Pw——每轮瞬时制动功率（kW）； qw——轮载重（t）；

r ——回转惯量系数，一般取r=0.06； i ——下坡道的千分数；

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w0——货车单位基本阻力（N/kN） v ——列车下坡的瞬时速度（m/s）

“一把闸”匀速下坡的制动功率可按式（5-4）计算。

制动距离限值、轮轨黏着利用允许限度、制动功率极限已成为现代货车制动系统设计的三个基本限制条件。应重点研究制动功率限值及制动距离限值问题。同时，应研究、改进车轮和闸瓦的材质和性能，提高耐热性。

综上所述，制动距离的问题既涉及制动控制系统，也涉及基础制动系统。既要确定合理的制动距离限值，又要优化制动系统的参数和性能，提高可靠性，满足运用要求。

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