快捷貨車制動系統總體技術研究*

王京波， 姚小沛， 陸　陽

(中國鐵道科學研究院　機車車輛研究所， 北京 100081)

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綜合技術研究

快捷貨車制動系統總體技術研究*

王京波， 姚小沛， 陸陽

(中國鐵道科學研究院機車車輛研究所， 北京 100081)

分析了與快捷貨車制動系統相關的主要運用條件，以此為基礎分析了制動系統設計基準、主要配置方案及相關要求，并提出了結論和建議。

制動系統； 快捷貨車

法國普通貨物列車的平均運行速度為100 km/h，快速貨物列車達到140～160 km/h。德國普通貨物列車速度為120 km/h，城際快捷貨物列車的最高速度達到160 km/h。日本直達貨物列車的最高速度為110 km/h，快捷貨物列車最高速度達到160 km/h。美國快捷貨運服務系統中，多數路段最高速度為125 km/h，個別達到145 km/h[1]。

中國鐵道科學研究院運輸與經濟研究所(簡稱：鐵科院運輸所)對主要快遞企業的調研結果顯示，快遞企業取派件表現出明顯的時間段特性，一般希望6時～8時開車、20時～22時到達，以便利用公路貨運車輛夜間不受城市交通管制的時段送貨、提貨。因此，快遞企業對貨物運到時限的期望值為16～18 h、40～42 h。鐵路快捷貨物列車發到時間應按與快遞企業需求相匹配設定。根據國家郵政總局公布的2015年統計數字，北京、上海、廣州、深圳及杭州等城市的快遞業務量和業務收入排名在全國的前5 位。以北京、上海、廣州3地為例，不同線路對應的旅行速度需求如表1所示[2]。因此，運營速度160 km/h的快捷貨車不僅滿足16～18 h的基本運到時限要求，甚至可以更快。

表1　主要快運OD間運輸時間和速度要求

1　列車編組質量

1.1編組要求

北京、上海、廣州間具有充足的快捷貨運需求，且市場增長迅猛。北京、上海、廣州3地間的快運貨物可經京滬既有線(1 463 km)、京廣既有線(2 294 km)、滬昆+京廣既有線(1 818 km)運送。為了提升快運貨物的裝卸效率，縮短在途運行時間，快捷貨車宜采用成列編組模式，根據車輛額定載重、貨物重量及體積可確定列車編組輛數。以北京-廣州為例，根據鐵科院運輸所的預測[2]，若采用軸重18 t、自重32 t,載重40 t貨車，那么,2015、2016、2017年快捷貨物列車的編組數量需求如表2所示。

表2　城市間不同年度日均運輸量及列車編組輛數(車輛載重40 t)

京滬、京廣等既有線站場長度一般為800 m或1 050 m，但是裝卸貨物的站臺長度僅為200 m～400 m。如果160 km/h快捷貨車在站場裝卸，按車輛長度25 m，站臺長度400 m計算，編組長度不超過16輛。中鐵快運物流基地的站臺長度為550 m，最多可編組22輛。為方便裝卸，編組長度不宜過長，可參照客運列車，編組16～20輛。

如果采用集裝箱平車裝運，160 km/h快捷集裝箱車換長按1.8計算，載重按42 t計算，裝載系數為0.8，那么2015～2017年快捷集裝箱列車的編組數量需求如表3所示。

表3　城市間不同年度日均運輸量及列車編組輛數

1.2機車牽引能力

目前可用于速度160 km/h快捷貨運的機車型號有DF4D(準高速)、DF11、SS7D、SS7E、SS8、SS9、HXD1D和HXD3D。根據各型機車牽引1 500 t貨物列車在平直道、6‰和12%的坡道上的平衡速度計算結果，除交流傳動電力機車HXD1D與HXD3D外，現有直流傳動內燃和電力機車牽引1 500 t列車，無法滿足速度達到160 km/h時，仍有0.01m/s2的剩余加速度要求。按剩余加速度0.01 m/s2分析，HXD1D與HXD3D型交流傳動電力機車最大可以牽引26輛編組貨車，如表4所示。如按照《牽規》規定的、機車牽引旅客列車最高運行速度上的剩余加速度仍大于0.03 m/s2的要求，則HXD1D與HXD3D型交流傳動電力機車只能牽引20輛快捷貨車。

表4　不同重量快捷貨物列車在不同速度上的剩余加速度　m·s-2

速度160 km/h客車最大軸重16.5 t，按列車最大編組20輛計算，列車牽引質量為1 320 t。快捷貨車軸重18 t，按編組20輛計算，列車牽引質量為1 440 t。根據上述分析結果，快捷貨物列車編組可在20～25輛之間，根據站場條件或運輸需求確定，但牽引質量不宜大于1 500 t。列車可采用HXD1D、HXD3D等交流傳動電力機車牽引。

2　列車制動主管壓力與貨車制動率

TG/01-2014《鐵路技術管理規程(普速鐵路部分)》(以下簡稱《技規》)第261條第20表注3規定：“旅客列車、特快及快速貨物班列自動制動機主管壓力為600 kPa；其他列車為500 kPa。”按這一規定，速度160 km/h快捷貨車制動系統的技術參數，應以列車主管定壓600 kPa為基準設計和選取。空氣制動系統的性能還應滿足主管定壓500 kPa的使用要求，以滿足與普通貨物列車聯掛需要。《技規》第263條第27表規定的貨物列車緊急制動距離限值如表5所示。

表5　貨物列車緊急制動距離限值及減速度要求

根據表5，最高運行速度160 km/h的特快貨物班列，其實制動減速度應達到0.79 m/s2，約為快速貨物班列的1.4倍；與快速貨物班列連掛時制動主管壓力及制動率不變，可滿足最高運行速度120 km/h、緊急制動距離限值1 100 m的要求。特快貨物班列的實制動減速度約為普通貨物列車的1.7倍；與普通貨物列車連掛、主管定壓為500 kPa時，制動率降低約17%～19%,小于減速度要求降低的幅度，可滿足最高運行速度120 km/h、緊急制動距離限值1 400 m的要求。不同類型的貨車連掛時的制動率差異因制動主管壓力的變化會有所減小，有利于降低列車縱向沖動。

根據當前鐵路機車和貨車的技術水平，運行于坡度不大于20‰的線路上的普通貨物列車及重載列車，其制動主管壓力宜統一至500 kPa,以縮短作業時間，消除定壓轉換導致的貨車抱閘故障，提高運輸效率。特快及快速貨物班列的減速度要求分別是與普通貨物列車的1.7倍和1.2倍，差別過大。若以主管壓力500 kPa為基準確定160 km/h快捷貨車的制動率，則當快捷貨車與客車連掛時，其制動率將提高約17%～19%，高于客車制動率，既增大了盤形制動裝置的制動功率，又增加了防滑器動作的概率、頻率和時間。根據TB/T 3009-2011《鐵道客車及動車組防滑裝置》，制動距離反而可能延長25%。因此，即使貨物列車制動主管壓力統一至500 kPa, 160 km/h快捷貨車的制動率仍應以主管壓力600 kPa為基準確定。

由于制動率差別過大，快捷貨車不宜與重載列車連掛。

3　采用電子防滑器的必要性

輪軌黏著系數受雨、霜、雪、油、落葉外界因素影響很大，線路沖擊導致的輪對瞬間減載也會使輪軌黏著力突然降低。我國輪軌黏著系數，如式(1)所示，是以潮濕軌面、約5%的打滑概率確定的。制動率不超過按該輪軌黏著系數公式確定的輪軌黏著允許限度時，雨雪天氣條件下，車輪打滑的概率不超過5%。按全天候天氣條件分析，車輪打滑的概率不超過3%。良好的車輛動力學性能可使這一概率進一步降低。

(1)

制動系統配置電子防滑器后降低了車輪滑行、擦傷的概率和風險，制動力可相應增加10%～30%。現有旅客列車的緊急制動距離限值是以客車采用電子防滑器為前提制定的，減速度要求達到0.8 m/s2。特快及快速貨物班列的緊急制動距離限值是按客車運用條件和環境確定的。快捷貨物列車的編組輛數不少于速度160 km/h的旅客列車，最高運行速度、緊急制動距離限值與旅客列車相同，車輛軸重則超過客車，因此，速度160 km/h的快捷貨車必須采用盤形制動裝置。由于無踏面制動、清掃或増黏裝置，車輪擦傷的風險遠大于普通貨車，根據國內外相同速度等級客貨車輛的運用經驗，應配備電子防滑器。在轉向架結構、空間允許的條件下，機械式防滑器宜與踏面清掃裝置或増黏裝置配合使用，可降低車輪滑行、擦傷的風險。

機械防滑器依靠與輪對同步轉動的飛輪的慣性作為判別基準，故只能以輪對的減速度作為輪對滑行的判據。為了防止誤動作，輪對減速度超過3～4 m/s2以上時才起作用；響應時間為0.3～0.5 s。車輛低速運行且輪對減速度很大時，由于動作滯后，可能車輪已經抱死。由于飛輪帶動凸輪觸發排風動作時的減速度離散度很大，故既滯后動作，又容易誤動作。由于存在機械磨損，因此壽命和可靠性比較低。而電子防滑器依據軸端的速度傳感器提供的信號進行防滑控制，控制判據不僅包括減速度，還包括速度差、滑移率和沖動(減速度的變化率)，并且具有輪徑補償功能。即使輪對減速度不大，但其速度與列車速度的差值較大時也會作出反應，其控制周期為0.1～0.2 s。現代電子防滑器可以將滑移率控制在黏著系數最大的范圍內，還可借助防滑器控制的微小蠕滑達到清理踏面的目的。以減速度的變化率作為判據，可以解決減速度變化過快時防滑響應滯后的問題。當輪對的速度、滑移率、減速度等參數回到正常范圍內后，車輛的制動力能迅速恢復，而不會持續處于排風狀態，可以最大限度地減少制動力的損失，縮小制動距離的延長量。

機械式防滑器在國內沒有運用經驗，歐洲也無大量使用機械式防滑器的經驗。為了降低車輪擦傷的風險，160 km/h的快運貨車應優先采用電子防滑器。國外快速貨車也開始使用電子防滑器，如瑞典Gblss-y型快速棚車采用TF25SA型轉向架，是第一輛將電子防滑裝置投入商業運行的貨運車輛。

4　貨車供電方案

貨車采用電子防滑器的前提是獲得電源。貨車供電有兩種方式，一是機車或發電車集中供電，二是車輛自供電。

歐洲的快捷貨車有采用車輛自供電的先例。如，英國皇家郵政325型貨運電動車組，車輛上沒有外部電源，照明、開門機構和安全裝置所需電力都是由發電機和電池提供的。德國柏林工業大學2002年研制的、最高運行速度達160 km/h的Leila快速貨車轉向架安裝了一個集成的電子智能故障診斷系統，擔當軸承溫度、制動機狀態監測和脫軌監測，且具有車輪防滑功能。系統能源由小型太陽能蓄電池、軸承發電機或風動發電機供給[3]。

我國目前尚無車輛自供電的成熟技術和運用經驗。電子防滑器、軸溫監測系統等用電量低，不適合采用發電車集中供電。電控空氣制動系統(ECP)由機車上的子系統和各車輛上的子系統組成，可以很好地解決列車縱向沖動，也需要由機車上的子系統通過貫通列車的電纜向各車輛上的子系統供電。因此，應優先考慮機車集中供電方式，根據快捷貨物列車編組輛數、車輛所使用的電器設備總功率等確定供電功率、電壓和電纜導線的截面積。

例如，電子防滑器平時最大功耗15 W，防滑閥全部動作時功耗72 W，每輛車合計總功耗為87 W。ECP系統平均到每輛車的總功耗最大為10 W。軸溫報警器(用戶需要時)功耗4 W。若加裝火災報警裝置，火災報警裝置平時功耗為10 W，報警狀態為30 W，全列按20%的車報警計算功率，則每輛車總功耗平均為16 W。每輛車上述用電設備合計總功耗為117 W。考慮一定的裕量，車輛設計時電氣設備總功耗按1.5倍約180 W考慮設計，為后期增加監測設備提供電源留有余地。實際上，在防滑閥沒有動作，火災報警器沒有報警的情況下，每輛車正常運行時的功耗為39 W。每列車的電子設備報警信息無線傳送裝置可安裝在機車上或首尾端車輛上，設備功耗不大于50 W。全車電源可以由機車直接供電，電壓制式為DC 110 V或DC 230 V。按20輛編組考慮,機車控制用電功率最大增加3.6 kW，平時運行正常功耗不到1 kW。

為了加快快捷貨車的研發和投入使用的速度，滿足運輸需求，現階段可研發和試驗貨車自供電方案，在貨車上加裝發電設備，功率達到140 kW即可滿足電子防滑器和軸溫報警裝置的用電需求。亦可直接采用機車提供的DC 600 V電源，以滿足采用電子防滑器的快捷貨車的試驗和使用需要。列車首尾車輛配置相同，需配備DC 600 V/DC 110 V的電源轉換裝置及免維護蓄電池箱，可根據需要配置電子設備報警信息無線傳送裝置。車端增設電力連接器，將機車輸出的DC 600 V電力引入充電機，將DC 600 V轉換成DC 110 V，輸出電壓在DC 118 V～DC 123 V范圍內隨溫度補償、可調，供車輛上的電子防滑器以及車載軸溫監測系統使用并給蓄電池充電。其他車輛通過貫通全列的DC 110 V輸電干線電纜獲取電源。DC 600 V供電正常情況下尾車的充電機不工作，蓄電池也不進行充放電。如DC 600 V供電中斷或首車充電機故障，使尾車DC 110 V母線電壓過低時，可用尾車蓄電池為DC 110 V母線供電。車載用電設備應適應蓄電池電壓及線路壓降的變化。

5　空、重車調整裝置及制動控制閥

快捷貨車具有制動率高，減速度大，裝載貨物的品類變化多，載重變化范圍廣的特點。因此，其采用的空、重車調整裝置應能使車輛制動率基本不隨載重變化，且適應多級剛度及大撓度差的轉向架，并具有穩定的動態輸出特性，因此，應采用隨重式空、重車自動調整的裝置(以下簡稱自調裝置)，并應滿足下列要求：

(1)自調裝置所需附加部件不得改變空氣制動機的特性。

(2)自調裝置容量應能滿足制動系統執行部件的配置，如直徑152～406 mm制動缸或與之相當的多制動缸系統的要求。

(3)無論空、重車位時，自調裝置應能分5階段或以上達到制動缸最高壓力。

(4)自調裝置的空車位壓力初始值應為(60±10 kPa)。

(5)制動力的調整必須根據載重自動地進行，并應考慮削弱車輛偏載的影響。運行中動載荷變化不得顯著影響靜載重下制動力的調整。

(6)在制動過程中可能產生的控制信號壓力波動，不得使本次制動所產生的制動力大小發生變化。

(7)運行過程中，稱重裝置的耗風量不得影響正常制動作用。

(8)在制動主管600 kPa定壓時，制動缸壓力最大值應為(430±10kPa)。

空氣控制閥應與隨重式空重車調整裝置組成間接作用式空氣制動系統，制動缸的壓力由容積室壓力決定，以實現真正的空重車無級調整，自動消除高速運行時車輛振動的影響，使制動缸壓力保持準確、穩定。不僅可取消降壓氣室之類的無效容積，減少壓力空氣的浪費，還可適應盤形制動裝置的多制動缸系統，滿足防滑器的運用要求。

對控制閥的主要性能要求建議如下：

(1)控制閥在定壓600 kPa和500 kPa時均能正常工作；

(2)控制閥應能與通用的機車制動機相匹配，適應機車制動機自動補風或無自動補風操縱的要求；

(3)為適應快捷貨物列車運用要求，控制閥應具有充氣、緩解、加速緩解、常用制動、保壓、緊急制動等作用，緊急制動時，制動缸壓力應有二段上升，躍升壓力應為110～170 kPa；

(4) 控制閥的緊急制動波速不小于250 m/s，常用制動波速應不小于180 m/s，緩解波速不應小于150 m/s；

(5)為適應短編組(20輛左右)和混編需要，制動缸充、排氣時間范圍為：制動缸上升5～7 s，制動缸緩解7～9 s。

(6)控制閥應具有半自動緩解功能。

6　盤形制動裝置

根據國外經驗，速度超過120 km/h的快速貨車無一例外地采用了盤形制動技術。我國160 km/h的客車軸重只有16.5 t，每軸安裝2套由規格為φ640 mm×110 mm的通風式鑄鐵制動盤和規格175 cm2的合成閘片組成的盤形制動裝置，每套盤形制動裝置承擔的制動功率不小于154 kW。多年的運用經驗表明，制動盤出現制動熱裂紋損傷的概率及閘片的磨耗速率都比較高，因此，其實際承擔的制動功率可作為盤形制動裝置的允許極限功率。

Y-37轉向架也是每軸2套盤形制動裝置，但附帶踏面清掃裝置(表6)。采用踏面清掃裝置的好處是不僅可以改善輪軌黏著狀態，降低車輪制動擦傷的風險，特別適合采用機械式防滑器的系統，而且可以分擔約30%部分制動力,減輕制動盤和閘片承受的制動熱負荷，提高制動盤和閘片的壽命。我國早期設計制造的速度160 km/h的準高速客車除了采用了每軸2套盤形制動裝置外，還裝有鑄鐵閘瓦踏面制動裝置。隨著我國自主研制的電子防滑器的推廣運用，才逐漸取消了踏面清掃裝置，但制動盤裂紋損傷的問題也隨之突顯出來。DRRS-160型轉向架則直接采用了每軸3套盤形制動裝置。這些經驗值得吸收和借鑒。

表6　快捷貨車主要參數和制動系統配置

我國尚未開展盤形制動裝置制動熱負荷的研究。速度160 km/h快捷貨車軸重18 t，軸平均制動功率不小于336 kW。若每軸安裝2套盤形制動裝置，則每套制動裝置承擔的制動功率不小于168 kW，超過了客車盤形制動裝置承擔的制動熱負荷約9%。若仍采用現有鑄鐵材質和規格，則制動盤仍有較大的熱損傷風險。應考慮借鑒DRRS-160的經驗，采用3套φ610鑄鐵制動盤，總摩擦面積增加41%，可降低制動盤的制動熱負荷。合成閘片可借鑒25 t軸重機車的經驗，采用200 cm2的規格，摩擦面積可增加14%。

為了降低簧下質量，簡化結構，建議采用2套φ640或φ610的鑄鋼制動盤。貨車采用輾鋼或鑄鋼車輪，配用合成閘瓦。國外鑄鋼制動盤也有配用合成閘片的先例。早期有關合成閘片的UIC規程，如1980年第2版、1985年第3版UIC 541-3《制動裝置 盤形制動裝置及其閘片》中均規定，閘片驗收試驗時，至少用一個鑄鋼制動盤和一個鑄鐵制動盤進行試驗，制動盤規格為φ640 mm×110 mm。CRH1型動車組最高運行速度250 km/h，拖車原設計采用鑄鐵制動盤與合成閘片的配置，后因運用中制動熱負荷超過鑄鐵制動盤的耐熱極限，而改為鑄鋼制動盤與合成閘片的配置，未再出現制動盤大面積裂損問題，制動性能滿足運用要求。最高速度300 km/h的高速列車均采用鑄鋼或鍛鋼制動盤。在國際鐵路聯盟規程UIC 541-3：2010的附錄Ⅰ“獲準用于國際聯運的閘片”[4]中，表1.1a明示了兩種可用于最高速度300 km/h高速列車的有機合成閘片。合成閘片不僅可以配合鑄鋼制動盤使用，而且適用于速度300 km/h的高速列車，可承擔13.8MJ的制動能量。因此，應加快開展適用于快捷貨車的鑄鋼制動盤及配套合成閘片的研究、試驗。

7　 結論與建議

(1)快捷貨車最高運行速度160 km/h，列車牽引質量1 500 t，編組20～25輛，緊急制動距離限值1 400 m。

(2)應以主管定壓600 kPa為基準確定制動系統的配置和技術參數。

(3)應優先采用電子防滑器，采用列車集中供電方式。現階段可研發和試驗貨車自供電方案，在貨車上加裝功率不小于140 W的發電設備，滿足電子防滑器和軸溫報警裝置的用電需求。亦可采用機車提供的DC 600 V電源，快捷貨物列車車首尾車輛配置DC 600 V/DC 110 V的電源轉換裝置及免維護蓄電池箱，其他車輛通過貫通全列的DC 110 V輸電干線電纜獲取電源。

(4)采用機械式防滑器時，建議增設踏面増黏裝置。

(5)應采用隨重式空、重車自動調整的裝置，與二壓力制動控制閥組成間接作用式空氣制動系統。建議制動缸充氣時間為5～7 s，制動缸排氣時間為7～9 s。

(6)快捷貨車運用條件與行郵車和客車相同，但軸重18 t,超過行郵車和客車。建議采用每軸2套鑄鋼制動盤與合成閘片的配置。應盡快開展相關研究試驗工作。

[1]亢巨龍，吳云云.國外鐵路快捷貨運發展及其對我國的啟示[J]，中國鐵路，2008,(5):63-66.

[2]中國鐵道科學研究院運輸及經濟研究所.160 km/h快捷貨車總體技術條件研究 運輸組織部分[R].2015.

[3]中國鐵道科學研究院.快捷運輸裝備技術經濟論證報告[R].2015.

[4]UIC Code 541-3:2010 Brakes-Disc brakes and their applications-General conditions for the certification of brake parts [S].

Research on Collectivity Technology of Brake System for Express Freight Wagon

WANGJingbo,YAOXiaopei,LUYang

(Locomotive and Car Research Institute, China Academy of Railway Sciences， Beijing 100081, China)

The primary operation conditions are analyzed regarding the brake system for express freight wagons. On the basis of the analysis, the design reference condition, configuration recommendation and the related requirements of the brake system are discussed. The conclusions and suggestions are put forward.

brake system; express freight wagon

1008-7842 (2016) 04-0001-05

??)男，研究員(

2016-02-17)

U272

Adoi:10.3969/j.issn.1008-7842.2016.04.01

*中國鐵路總公司科技研究開發計劃項目(2015J004-A)