鐵路貨車制動系統輕量化分析與思考

張俊林

摘 要：重載和快捷是當今世界鐵路貨車發展的兩大主要方向，輕量化是重載和快捷鐵路貨a車的關鍵技術。通過對鐵路貨車制動系統的現狀分析，提出了制動系統輕量化的思路和途徑，有助于提高鐵路貨車的輕量化水平。

關鍵詞：鐵路貨車；制動系統；輕量化

中圖分類號：U272 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2015）14-0118-01

重載和快捷是當今世界鐵路貨車發展的兩大主要方向，也是提高鐵路貨物運輸能力和綜合經濟效益的有效途徑，我國目前正在研發27 t、30 t軸重等大軸重鐵路貨車，同時隨著電商物流的興起和快速發展，也在積極研發時速160～220 km/h的快捷貨車。無論重載還是快捷，對車輛輕量化都提出了更高的要求。輕量化是減輕車輛自重、提高載重的關鍵技術，開展貨車輕量化設計，降低車輛自重系數，提高列車運輸能力，實現更大的運輸經濟效益。

鐵路貨車一般由車體、轉向架、鉤緩裝置、制動系統等組成，車輛輕量化可以在上述各個方面進行，關于車體、轉向架等結構的輕量化論述已較多，本文主要從制動系統方面探討輕量化的相關問題。

1 鐵路貨車制動系統輕量化的意義

制動系統作為鐵路貨車的附屬裝置，本身并不承擔車輛運行載荷，雖為車輛正常運行不可缺少的裝置，但其自重實屬車輛“無效重量”。以C80B型運煤敞車為例，其制動系統風制動裝置重量為470 kg，相當于車輛常年背負近500 kg的無效質量循環運行。對制動系統進行輕量化設計，不但可以將無效重量轉化為有效貨物載重，提高車輛運輸經濟效益，而且可以減少列車空車運行能耗，達到節能減排的環保效果。仍以C80B型運煤敞車為例，假定其年運行里程為10萬 km，按煤炭噸公里運價0.1元計算，如果制動系統中有300 kg的自重轉化為有效載重貨物，每年可增加運輸收入0.3萬元，以車輛使用壽命25 a計算，一輛C80B型運煤敞車在其壽命周期內可以增收7.5萬元，輕量化經濟效益可觀。

2 制動系統的鋁合金輕量化

鋁合金材料的密度約為鋼材的1/3，具有比許多合金鋼材料更高的比強度，以鋁代鋼是實現制動系統配件輕量化的一個重要途徑。制動系統是貨車上起制動作用的零部件組成的一整套機構，主要由控制閥、副風缸、加速緩解風缸、制動缸、制動杠桿、制動管和管接頭等組成。制動系統配件非車輛主要承載構件，對使用材料力學性能指標要求不是很高，可采用鋁合金材料替代既有的鋼質材料，實現制動配件的鋁合金輕量化。

2.1 控制閥

控制閥是制動系統的主要部件，是制動系統壓力空氣交換和分配的樞紐。以當前通用鐵路貨車主要使用的120閥為例，其自重約45 kg，采用不銹鋼材質，承受最高600 kPa的空氣壓力，適合采用鋁合金材料實現輕量化?？酥Z爾公司制造的DB60型鋁合金控制閥及其鋁合金支架，均采用鋁合金材料鑄造而成，自重分別較鋼質結構降低50%以上，同時具有良好的耐腐蝕性，外形美觀，結構可靠。

2.2 儲風缸

儲風缸作為車輛壓縮空氣的存儲裝置，工作壓力≤60 kPa，屬于低壓容器范疇。我國既有儲風缸均采用不銹鋼材質。采用鋁合金材質并進行結構優化，可大幅降低儲風缸自重。目前國內已進行了11 L、28 L、40 L及150 L等多種常用規格鋁合金儲風缸的研制和相關試驗，結果表明：鋁合金儲風缸可以降低自重60%以上，性能完全滿足相關標準的要求，輕量化成效顯著。

2.3 制動管路

制動管路是車輛制動壓力空氣的傳輸管路，承受最高600 kPa的管壓力，對強度、硬度等力學性能指標要求不高，適合采用鋁合金材質替代既有不銹鋼材質，輕量化效果顯著。以C80B型運煤敞車為例，當制動管路全部采用鋁合金材質時，重量減少約70 kg。

2.4 制動杠桿

基礎制動裝置制動杠桿一般安裝于制動缸前后或轉向架制動梁，主要用于傳遞制動力，非制動狀態下不承受外力。隨著鋁合金材料機械性能的逐漸提高，高強度鋁合金材料不斷出現，相關計算表明，采用合理的鋁合金材料、杠桿厚度及結構形狀，制動杠桿采用鋁合金材料完全具有極強可行性，預計可減重50%以上。由于鋁合金材料的耐磨性較差，采用鋁質杠桿時，杠桿孔處需進行鋼套植入等特殊處理。

2.5 管接頭及其它制動配件

除上述制動件外，制動系統的各種閥件（限壓閥、傳感閥等）、制動管接頭、組合式集塵器管、折角塞門、制動管接頭等均適宜采用鋁合金材料實現輕量化。

3 采用中繼間接式制動系統

當前我國鐵路貨車制動機主要采用120型控制閥，該閥為直接作用式。其副風缸壓力空氣不僅參與制動、緩解作用的控制，而且還要向制動缸充氣，其缺點是分配閥只能與固定尺寸的制動缸和副風缸配套使用，其品種將隨車輛載重量（或總重）等級不同而增多，因而一個控制閥只能控制單個車輛的1個（或2個）制動缸，控制一個以上車輛的制動缸難以實現。因此，采用120型控制閥的鐵路貨車通常采用單車單閥的配置型式，即每個車輛均配置獨立的控制閥，這也是我國鐵路貨車制動系統目前采用的主要型式。

120型控制閥經過多年的運用考驗，已證明其技術成熟、運用可靠，因而可以預計在未來的較長時期內，我國鐵路貨車控制閥仍主要采用120閥。隨著車輛輕量化水平的提高，在不改變既有120型閥制動機基本配置的前提下，如何增加單個控制閥控制的制動缸數量，進而改變單車單閥的配置型式，從而實現制動系統的輕量化是一個值得思考的問題。借鑒間接作用式分配閥的控制原理，在既有貨車制動系統中引入中繼閥，可在不改變既有120閥制動機基本配置的條件下，將直接作用式制動系統改造為間接作用式，從而可以改變單車單閥的制動配置型式，采用一個控制閥控制一個以上車輛的制動缸，最終減少列車控制閥數量，實現制動系統的輕量化。

采用基于120型控制閥的間接作用式制動系統可以減少列車制動閥的數量，從而降低車輛自重，同時也降低了制動系統的制造、檢修及運用成本。實踐運用中可以根據車輛結構特點，采用2車1閥、3車2閥或5車3閥等型式，均可減少制動閥的數量，獲得不同程度的輕量化效果。

4 制動系統輕量化實例

采用上述制動系統輕量化技術措施，可以大幅降低制動系統的自重，提高制動系統乃至車輛整體的輕量化水平。以C80B型敞車為例，如按5車3閥的配置方案，同時采用上述配件輕量化措施，平均每輛車可減輕自重約320 kg。

5 結 語

在保證鐵路貨車制動系統安全、可靠的前提下，采用輕量化技術可有效降低制動系統自重，提高車輛載重和運輸能力。本文提出了采用5車3閥、采用鋁合金材料等技術措施實現制動系統輕量化的一些做法和思路，同時也進行了相關試驗驗證，結果表明，制動裝置實現輕量化在技術上是完全可行的。

雖然制動系統輕量化技術可行，但在實際運用中卻涉及與既有車輛的互換性等諸多技術管理問題，尤其是5車3閥等措施不適用于非固定編組的通用貨車，但對于目前正在蓬勃發展的重載、快捷等專用貨車，如果列車固定編組運行，就可體現出制動系統輕量化技術經濟性的巨大優勢?？梢灶A計，隨著國民經濟的快速發展，用戶對鐵路貨車技術經濟性的要求會越來越高，制動系統輕量化將是鐵路貨車發展的必然趨勢。

參考文獻：

[1] 陳大名.鐵道車輛制動[M].北京：中國鐵道出版社，2005.

[2] 中國鐵路總公司.鐵路技術管理規程[M].北京：中國鐵道出版社，2014.

[3] 王春山，陳雷.鐵路重載提速貨車技術[M].北京：中國鐵道出版社，2010.

[4] TB/T 1335—1996，鐵道車輛強度設計及試驗鑒定規范[S].