馱背運輸半掛車制動性能試驗分析

眉山中車物流裝備有限公司 四川眉山 620020

1 前言

交通運輸和物流業是我國支撐經濟社會發展的基礎性、戰略性和服務性產業，為應對國家節能減排發展戰略，解決物流領域長期存在的成本高、效率低等問題，國務院和交通運輸部先后發布《物流業中長期發展規劃》、《加快推進綠色循環低碳交通運輸發展指導意見》等行業指導意見，明確提出建設便捷、安全、經濟、高效的綜合運輸體系，構建高效運行的多式聯運體系，實現相互銜接、暢通成網，推進各種運輸方式協調發展。鐵路運輸在我國綜合交通體系中一直占據著主導地位，具有安全可靠、綠色環保、成本低、運能大、全天候運行的特點，鐵路發展多式聯運，對推動交通運輸和物流業轉型升級、降本增效、低碳發展具有重要的支撐作用。馱背運輸就是其多式聯運不可缺少的重要組成部分。

2 馱背運輸半掛車介紹

馱背運輸是一種公路和鐵路聯合的運輸方式，是指公路貨車和半掛車在始發地火車站自行開上或吊裝至鐵路專用車輛，通過鐵路長距離運輸，到達目的地火車站后，車輛再自行開下或吊離鐵路專用車輛并駛往最終目的地的一種公鐵多式聯運方式[2]，當前馱背運輸半掛車分為滾裝式和吊裝式兩種，圖1為滾裝式馱背運輸半掛車，圖2為吊裝式馱背運輸半掛車。

圖1 滾裝式馱背運輸半掛車

圖2 吊裝式馱背運輸半掛車

馱背運輸半掛車能夠實現真正意義上的公路汽車甩掛運輸，減少牽引車的使用數量，有效地緩解公路擁堵，減少公路貨車超載、超限、超速現象的發生，有效減少高速公路惡性道路交通事故的發生，保護人民群眾生命財產安全。

2017年國內首款公鐵聯運馱背運輸廂式半掛車由中國中車眉山公司自主研發。該車結合我國既有鐵路站場、線路、公鐵便捷聯運鐵路貨車、裝卸設施條件，研究公鐵聯運公路貨車與站場匹配關系，總體規劃公鐵聯運公路貨車結構、裝卸貨方式與站場配套設施，地面狀態關系，提出適應我國公鐵聯運初期、遠期的匹配技術方案，研制了以馱背運輸公路半掛車為代表的系列化公鐵聯運車。

馱背運輸公路半掛車的制動系統作為車輛安全運行最為關鍵的一環，對車輛的運行安全和駕駛員的生命安全都起著至關重要的作用，因此，筆者將針對馱背運輸半掛車的制動性能進行分析試驗。

3 半掛車制動系統的制動原理及影響因素

半掛車制動型式一般采用雙管路氣壓制動，列車行駛時，踩下制動踏板，壓縮空氣經牽引車上的掛車制動閥進入掛車操縱管路，通過緊急制動閥，頂開閥門，氣體進入制動氣室，將單腔氣室的膜片和雙腔氣室的制動活塞推到制動位置，將推桿推出，拉動制動調整臂，帶動凸轉輪轉動而實現行車制動。在解除制動時，單腔氣室和雙腔氣室行車制動的氣體由快放閥放氣，單腔氣室膜片和雙腔氣室制動活塞在回位彈簧作用下回復到不制動位置，但掛車儲氣筒空氣始終向雙腔氣室的駐車制動腔充入，壓縮儲能彈簧，使駐車制動活塞處在不制動位置，解除制動。當前半掛車搭載的制動器主要為盤式制動器和鼓式制動器，盤式制動器和鼓式制動器結構如圖3所示。對半掛車制動延后時間，整車制動效能的影響因素包括行車制動管路壓力、牽引汽車的制動控制系統、半掛車制動管路長度、半掛車緊急繼動閥性能、動踏板行程及時間、半掛車制動管路直徑、ABS控制總成性能、管路接頭的型式等。

圖3 制動器結構型式

4 制動系統的制動性能試驗

4.1 試驗目的

為研究盤式和鼓式兩種不同型式制動器的制動性能，筆者在樣車上分別匹配盤式和鼓式制動器，與某型牽引車組成汽車列車，測試匹配不同型式制動器部分制動性能。樣車具體參數如表1所示。

表1 廂式半掛車、牽引車車輛參數表

4.2 試驗過程

本次試驗場地位于交通運輸部公路交通試驗場，試驗場內道路縱向任意50 m長度上的坡度均小于1%。根據GB/T 12534-1990 《汽車道路試驗方法通則》、GB/T 12674-1990《汽車質量（重量）參數測定方法》、GB 7258-2017《機動車運行安全技術條件》、GB 12676-2014《商用車輛和掛車制動系統技術要求及試驗方法》的相關試驗要求，分別進行了如下試驗：

a.汽車列車動態密封性、前后軸制動滯后時間、半掛車制動響應時間試驗；汽車列車30 km/h滿載0型發動機脫開試驗；

b.汽車列車60 km/h滿載0型發動機脫開試驗；

c.汽車列車滿載Ⅰ型試驗；

d.汽車列車60 km/h滿載（僅半掛車制動）0型發動機脫開試驗；

e.汽車列車滿載（僅半掛車制動）Ⅰ型試驗；

f.閘片摩擦面狀態試驗；

g.制動器測溫試驗；

h.常規熱衰退試驗；

i.長大坡道試驗測溫檢測。

試驗場試驗條件如表2所示。

表2 試驗場試驗條件

4.2.1 汽車列車動態密封性、前后軸制動滯后時間、半掛車制動響應時間試驗

表3 汽車列車動態密封性、前后軸制動滯后時間、半掛車制動響應時間

表4 EBS和ABS響應時間對比表

從表3、4的響應時間對比可以看出，EBS響應時間小于ABS，故其優于ABS。

4.2.2 0型試驗和Ⅰ型試驗

4.2.2.1 汽車列車30km/h滿載0型發動機脫開試驗

試驗要求制動器處于冷態時，汽車列車在滿載工況下以30km/h的規定車速進行，且要求試驗過程中需達到車輛規定的最低性能要求。汽車列車30 km/h滿載0型發動機脫開試驗數據參見表5。試驗現場照片如圖4、5所示。

表5 汽車列車30 km/h滿載0型發動機脫開試驗

圖4 試驗現場照片

圖5 試驗現場照片

從表5可以看出，30 km/h緊急制動時，盤式和鼓式的制動性能接近。都滿足標準要求。

4.2.2.2 汽車列車60km/h滿載0型發動機脫開試驗

試驗要求制動器處于冷態時，汽車列車在滿載工況下以60 km/h的規定車速進行，且要求試驗過程中需達到車輛規定的最低性能要求。汽車列車60 km/h滿載0型發動機脫開試驗數據參見表6。

表6 汽車列車60 km/h滿載0型發動機脫開試驗

從表6可以看出，60 km/h緊急制動，盤式制和鼓式的制動性能都滿足標準要求，但盤式制動器的制動距離較鼓式制動器更短。

4.2.2.3 汽車列車滿載Ⅰ型試驗

試驗要求汽車列車在滿載工況下，對行車制動系統連續進行制動系統連續進行“制動-解除制動”。汽車列車滿載Ⅰ型試驗數據參見表7。

表7 汽車列車滿載Ⅰ型試驗

從表7可以看出，滿載I型制動，盤式和鼓式的制動性能都滿足標準要求。但盤式制動減速度高于鼓式制動，制動距離較鼓式制動器更短。

4.2.2.4 汽車列車60 km/h滿載（僅半掛車制動）0型發動機脫開試驗

試驗要求制動器處于冷態時，半掛車在滿載工況下以60 km/h的規定車速進行，且要求試驗過程中需達到車輛規定的最低性能要求。汽車列車60 km/h滿載0型發動機脫開試驗數據參見表8。

表8 汽車列車60 km/h滿載（僅半掛車制動）0型發動機脫開試驗

從表8可以看出，60 km/h滿載（僅半掛車制動）制動，盤式制動減速度明顯高于鼓式，制動距離也低于鼓式制動器。

4.2.2.5 汽車列車滿載（僅半掛車制動）Ⅰ型試驗

試驗要求在滿載工況下，半掛車對行車制動系統連續進行制動系統連續進行“制動-解除制動”。汽車列車滿載Ⅰ型試驗數據參見表9。

表9 汽車列車滿載（僅半掛車制動）Ⅰ型試驗

從表9可以看出，滿載（僅半掛車制動）I型制動，盤式制動距離明顯低于鼓式制動。

對上述試驗在各種條件下，車輛制動減速度統計如表10所示。

表10 制動減速度統計表

制動減速度差異分析：車輛的制動是將車輛的動能轉化為熱能。在車輛長時間制動過程中，制動盤和閘片/制動鼓和剎車片的溫度都會迅速升高。但因制動盤和制動鼓在高溫下狀態不同，造成了制動效果也不相同。

從圖6、7可以看出：盤式制動在制動過程中閘片和制動盤一直處于面接觸的狀態。保證了摩擦性能/制動性能的穩定。

鼓式制動在高溫階段，由于制動鼓高溫變形，接觸面積減小，使得制動的摩擦力減小，制動性能產生變化。

圖6 盤式制動冷/熱態

圖7 鼓式制動冷/熱態

盤式制動在制動過程中始終處于面接觸狀態，而鼓式制動在高溫階段，制動鼓高溫變形導致接觸面減小，使得鼓式制動接觸面積小于盤式制動，鼓式制動摩擦力小于盤式制動，從而導致盤式制動在制動過程中（特別是熱態時）的制動效果要優于鼓式制動。

4.2.3 閘片摩擦面狀態試驗

4.2.3.1 盤式制動摩擦面狀態試驗

圖8 試驗前閘片表面狀態

圖9 無牽引車制動試驗后閘片表面狀態

從圖8、9可以看出試驗前后閘片和制動盤貼合良好。

4.2.3.2 鼓式制動摩擦面試驗

圖10 制動鼓安裝位置

圖11 剎車片試驗前狀態

圖12 無牽引車制動試驗后狀態

從圖11～12可以明顯看出剎車片一端在高溫制動后和制動鼓貼合不良。

從閘片和剎車片試驗前后的照片可以看出，盤式制動制動盤和閘片的貼合與鼓式制動的制動鼓和剎車片的貼合在低溫階段沒有明顯的區別，制動性能也接近，但在高溫階段，盤式制動摩擦副的貼合好于鼓式制動，可以更有效地保證行車制動安全。

4.2.4 制動器測溫試驗

測溫結構說明：試驗中分別在制動盤/制動鼓每個閘片布置兩個測溫點，一個測溫點位于距摩擦表面3 mm處，用于測量閘片在制動過程中的溫度變化。另一個測溫點位于銅套中，銅套在制動過程中和制動盤接觸，測溫點距銅套和制動盤接觸面3 mm處，用于測量在制動過程中制動盤的溫度。測溫試驗如圖13～16所示。

圖13 盤式制動測溫結構示意圖

圖14 盤式制動測溫結構

圖15 鼓式制動測溫結構示意圖

圖16 鼓式制動測溫結構

4.2.4.1 常規30 km/h緊急制動測溫試驗

a.制動盤/制動鼓測溫試驗

制動盤/制動鼓測溫結果如圖17、18所示。從圖17、18可以看出：每次制動過程中溫度上升，單次緊急制動完成后溫度下降，由于制動系統在制動過程中各溫度階段盤式制動摩擦副的貼合要好于鼓式制動，且貼合的變化程度都要小于鼓式制動，故每次制動過程中溫度變化情況盤式制動各盤溫度一致性均優于鼓式制動。

圖17 盤式制動30 km/h緊急制動制動盤溫升變化

圖18 鼓式制動30 km/h緊急制動制動鼓溫升變化

b.制動盤/制動鼓對比分析（平均值）

由表11可知：由于車輛的制動是將車輛的動能轉化為熱能，制動盤溫升高于制動鼓，表明盤式制動時車輛動能轉化的效果更好，制動效果更優。

表11 制動盤/制動鼓對比分析

4.2.4.2 閘片/剎車片測溫試驗

a.閘片/剎車片測溫結果

閘片/剎車片測溫結果如圖19、20所示，從圖19、20可以看出：由于制動系統在制動過程中各溫度階段盤式制動摩擦副的貼合要好于鼓式制動，且貼合的變化程度都要小于鼓式制動，故每次制動過程中溫度變化情況盤式制動各盤溫度一致性均優于鼓式制動。

圖19 盤式制動30 km/h緊急制動閘片溫升變化

圖20 鼓式制動30 km/h緊急制動剎車片溫升變化

b.閘片/剎車片對比分析

從表12可以看出：制動系統在制動過程中，盤式制動和鼓式制動都能滿足制動要求，由于鼓式制動結構較盤式制動較封閉，盤式制動散熱性能更好，導致盤式制動溫升低于鼓式制動。

表12 閘片/剎車片對比分析

4.2.5 常規熱衰退試驗

4.2.5.1 制動盤/制動鼓常規熱衰退試驗

在試驗過程中，制動開始時的初始車速為60 km/h，制動次數不小于20次，制動循環周期為60 s，通過調整制動控制力，使第一次制動時，相對于掛車重量的充分發出的減速度達到3 m/s2,并在后續制動中保持該控制力。

a.制動盤/制動鼓測試結果

熱衷退試驗結果如圖21、22所示。

盤式制動在較短時間內溫升達到300℃左右，制動效能較高。

圖21 盤式常規熱衰退試驗制動盤溫升變化

圖22 鼓式制動熱衰退試驗制動鼓溫升變化

鼓式在較長時間后溫升達到200℃左右，制動效能較

b.制動盤/制動鼓對比分析

表13 制動盤/制動鼓對比分析

從表13可以看出：制動系統在制動過程中，制動時將車輛的動能轉化為熱能，盤式制動效果優于鼓式制動，使得盤式制動溫升高于鼓式制動。

4.2.5.2 閘片/剎車片常規熱衰退試驗

a. 閘片/剎車片測試結果

圖23 盤式常規熱衰退試驗閘片溫升變化

盤式制動在較短時間內溫升達到300℃左右，制動效能較高。

圖24 鼓式制動熱衰退試驗剎車片溫升變化

鼓式制動在較短時間內溫升達到200℃左右，制動效能較

b.閘片/剎車片對比分析

表14 閘片/剎車片對比分析

從表14可以看出：在制動過程中，盤式制動溫升高于鼓式制動。

小結：從熱衰退試驗制動過程制動盤和制動鼓的溫度可以看出，低溫或短時間制動，盤式和鼓式的制動性能無明顯區別。在長時間制動或是高溫制動時，鼓式制動會因制動鼓的高溫變形而失效。盤式制動可有效保證行車制動安全。

4.2.6 長大坡道試驗測溫檢測

4.2.6.1 檢測內容

在110國道從蓮花灘至德勝口路段（試驗線路見圖25、26）進行下大長坡道試驗（盤式制動）。試驗坡垂直高度425 m，長度16.7 km。整個試驗路段坡度大于6%的坡度共3處，總長6.2 km，下長坡行駛過程中，共制動68次，總制動持續時間291 s，平均行駛速度43.8 km/h。

圖25 長大坡試驗現場照片

圖26 試驗線路圖

4.2.6.2 長大坡道制動制動盤溫升變化

長大坡道試驗結果如圖27、28所示。從上述試驗可以看出，在連續長大坡制動時，盤式制動器制動盤最高溫度為500℃，而盤式制度的失效溫度約800℃，在長大坡制動時，盤式制動器仍可實現有效制動；而鼓式制動在由于結構比較封閉，搭載鼓式制動器半掛車都加裝了淋水器，在下長坡連續制動時，淋水為制動器降溫，避免連續制動時出現熱失效。本次試驗考慮到長坡連續制動時鼓式制動器可能出現熱失效而引發安全事故，故未進行鼓式制動的大長坡道制動試驗。

圖27 長大坡道制動制動盤溫升變化

圖28 長大坡道制動閘片溫升變化

5 結語

在冷態制動試驗時盤式制動和鼓式制動的制動性能無明顯區別，但是在長時間（連續）制動或者高溫制動時，由于鼓式制動器形如密封的鍋體，散熱性能比盤式制動差，鼓式制動摩擦片會因高溫導致摩擦系數快速衰減，從而使制動力矩大大降低，嚴重影響制動安全性能，特別是車輛在下長坡或者長時間制動時，鼓式制動往往會因為高溫變形導致熱失效從而引發交通事故。而盤式制動多為通風盤設計，結構外露，散熱快，較鼓式系統有更好的熱穩定性，在長時間（連續）制動或者高溫制動時制動性能更優，能有效避免由于熱衰退引發的交通事故。由于盤式制動器在熱衰退等方面性能的優點，危險貨物運輸半掛車、三軸的欄板式和倉柵式半掛車在實際使用過程中發生事故的車輛制動失效，制動不良情況普遍，通過裝備盤式制動器可更好地保證車輛制動性能。