鐵路貨車自動駐車技術研究

劉毅，全瓊，申燕飛，楊建平，李謀逵，李果，毛富英

（眉山中車制動科技股份有限公司，四川眉山 620010）

駐車制動是鐵路車輛的一種輔助備用制動技術，在空氣制動力消除后，可使車輛繼續保持制動力，防止車輛在軌道上移動引起安全事故。目前國內外大量采用的是手制動機，人力搬動手制動機，通過基礎制動裝置，在車輛制動摩擦副之間產生作用力，阻止車輛發生移動。

傳統的手制動機優點是結構簡單，具有制動、緩解和調力功能，通常增加滑輪或者輔助杠桿，以適應不同駐車制動力的要求。但也存在不足，比如駐車力的大小取決于操作者的力量大小；對操作者的依賴程度高，存在操作者在車輛運行前忘記緩解等誤操作的情況，輪瓦沒有脫開或脫開不充分，造成車輛帶閘運行，導致踏面擦傷等安全隱患；對于整列車而言，要逐一進行駐車制動或者緩解的手動操作，費時費力，工作效率十分低下。

隨著技術的發展，為減輕操作者的強度，防止手制動后列車開走而未釋放手制動等誤操作，國內外產生了新的駐車制動技術，即自動駐車制動。

自動駐車制動按制動力來源分為彈簧制動和保持制動。彈簧制動就是駐車制動力來自彈簧，靠壓力空氣作用壓縮彈簧蓄能，駐車時，排壓力空氣，蓄能彈簧推動駐車機構形成制動力。該類型的駐車技術已廣泛用在高鐵、城軌地鐵、機車、工程車的單元制動缸或踏面制動器上，技術非常成熟。另一種是保持制動，保持制動本身不產生制動力，而是將制動作用發生時的制動力依靠駐車機構保持住，駐車機構將制動缸活塞桿鎖定不緩解而形成駐車制動力。

我國目前鐵道貨車絕大部分仍然是以手制動機為主。近些年來，國內出口車外方要求車輛帶自動駐車裝置。比如澳大利亞Royhill公司的漏斗車要求裝自動駐車裝置；國內的國能集團的自備車開始加裝自動駐車裝置。目前國內還沒有一款成熟的、可靠的自動駐車裝置，也沒有相關的技術標準。

文中在對目前國內外鐵路貨車自動駐車技術進行分析的基礎上，提出一種新的自動駐車技術方案，并對貨車自動駐車技術提出建議。

1 國外自動駐車制動技術

國外駐車制動技術中彈簧蓄能駐車制動以KNORR公司的產品為代表，保持制動以西屋公司的產品為代表。

KNORR公 司 的TSPB（Tension Spring Park Brake）型駐車制動屬于彈簧蓄能制動，如圖1所示，其制動力大小取決于彈簧力。

圖1 TSPB駐車制動缸裝車圖

TSPB型駐車制動缸替代手制動機，其活塞與制動缸前杠桿連接。列車管的壓力空氣通過駐車控制閥進入TSPB型駐車制動缸，壓縮駐車缸體中的蓄能彈簧，使駐車制動缸處于緩解狀態。當列車發生制動作用后，且列車管壓力降低到某設定壓力值時，駐車控制閥排出駐車制動缸的壓力空氣，駐車活塞在蓄能簧的作用下回退，從而帶動制動缸前杠桿向制動方向運動，形成駐車制動。當列車管壓力上升到設定壓力后，駐車制動缸通過駐車控制閥充氣，駐車活塞向緩解方向運動，帶動制動缸前杠桿緩解。這類駐車制動，駐車控制閥一般都有制動力防迭加功能。

西屋公司在集成制動裝置上的制動缸帶駐車機構，如圖2所示，屬于保持制動。制動缸活塞桿外表面為非自鎖螺紋，與之配合的螺母外表面為棘輪，也叫棘輪螺母，如圖3所示，靠棘爪來控制棘輪轉動，從而控制螺母的轉動。

圖2 制動缸（集成駐車制動）安裝在轉向架上

圖3 制動缸（集成駐車制動）示意圖

當列車管壓力大于設定值時，列車管的壓力空氣通過駐車控制閥引入棘爪控制機構中，棘爪與棘輪脫開，棘輪處于自由狀態。制動時，壓力空氣進入制動缸，推動活塞向制動方向移動，螺桿帶動棘輪螺母轉動；緩解時，活塞在緩解彈簧的作用下回退，棘輪螺母反方向轉動（與制動時的轉動方向比較），此時，與普通的制動缸沒有區別。

當發生制動作用，且列車管壓力降低到設定壓力時，駐車控制閥排棘爪控制機構中的壓力空氣，棘爪控制機構中的蓄能簧帶動棘爪與棘輪螺母嚙合，棘輪螺母僅允許活塞桿（非自鎖螺紋）向制動方向單向運動，緩解方向不能運動，與之嚙合的活塞桿也就被鎖定在制動位，即使制動缸中的壓力空氣完全漏泄，制動缸也處于制動位，即完成駐車制動。

當列車管壓力升高到設定值時，列車管的壓力空氣通過駐車控制閥引入棘爪控制機構中，棘爪控制機構帶動棘爪離開棘輪螺母，解除對棘輪螺母的限制，制動缸活塞（活塞桿）在緩解彈簧的作用下回退。處于駐車制動的制動缸，且制動缸中無壓力空氣時，可以通過手動緩解拉條，拉動棘爪離開棘輪螺母，實現駐車制動缸緩解。

保持制動本身不產生制動力，而是保持空氣制動時的作用力。也即駐車制動力的大小取決于最終空氣制動力，最大制動力就是全制動或緊急制動力。

KNORR公司的TSPB型駐車制動替代手制動機，利用列車管壓力信號變化，自動實現駐車制動及緩解，并且能在無壓力空氣時，反復實施手動制動、緩解。西屋公司的駐車制動屬于保持制動，是在制動作用發生后，當列車管壓力降低到某設定值時，駐車機構動作，將活塞桿鎖定，阻止其回退，即使制動缸中的壓力漏泄為0，駐車制動不受影響，只有一次手動緩解。上述2種駐車制動，都能實現自動駐車制動。

2 國內自動駐車制動技術

我國自動駐車技術在貨車上的運用目前處于起步階段。

APB-1型駐車制動裝置是國內一款自動駐車制動裝置，如圖4所示。列車管的壓力空氣通過駐車控制閥進入駐車制動缸，該裝置具備自動制動、自動緩解功能，同時具備手動緩解功能。

圖4 APB-1型駐車制動器

國內某公司出口機車配置的國產彈簧制動器，如圖5所示，直接與制動缸前杠桿連接，實現駐車制動，其中紅色的手柄用于手動緩解。

圖5 某出口機車裝用的彈簧制動器

上述2款駐車制動裝置均屬于彈簧蓄能制動，近年來國內出現了保持制動產品。比如C80車安裝的防溜器，如圖6所示。防溜器連接器體（圖6中的件號1）、新增的連桿系統與制動前杠桿連接，列車管壓力空氣從圖示的法蘭進入防溜器，防溜器處于緩解位。發生制動作用時，防溜器連接器體縮進防溜作用機構3中，當列車管壓力降低到設定壓力時防溜器動作，將防溜器連接器體1鎖定而不能后退，結果是制動前杠桿不能回退，從而保持制動力，起到駐車防溜作用。防溜器能夠通過快緩解機構5緩解駐車作用。

圖6 車輛自動防溜器組成示意圖

從上述分析中知，自動駐車裝置中無論是彈簧制動的TSPB、APB-1，還是保持制動中的自動防溜器都是與制動缸前杠桿相連，代替手制動機，利用列車管壓力信號，實施自動駐車制動、緩解。不僅需要增加控制信號管路，也需要改動車體底部布局以適應自動駐車裝置的安裝，增加了車體的設計及改造難度。下面介紹一種將駐車制動集成在既有制動缸上的自動駐車技術，即MPB-1型自動駐車制動缸。

3 MPB-1型自動駐車制動缸

3.1 駐車制動缸在制動系統中的布置

MPB-1型駐車制動缸在外形上與既有制動缸類似，如圖7所示，接口一致，可以直接替換目前的制動缸。從貨車制動管取壓力空氣通過駐車控制閥引入制動缸駐車機構，如圖8所示，在貨車制動管壓力低于設定壓力值時，自動實施駐車制動。MPB-1型自動駐車技術屬于保持制動。

圖7 MPB-1型駐車制動缸

圖8 駐車制動缸在制動系統中布置（安裝）

MPB-1型駐車制動缸在普通制動缸前蓋上集成駐車制動機構，從列車管引入壓力空氣，在列車運行過程中，駐車機構在列車管壓力作用下處于緩解狀態。制動作用發生，且列車管壓力降低到設定壓力時，駐車機構動作，結果是將制動缸活塞桿鎖定而無法回退，即使制動缸中的壓力降低為0，制動缸也不能緩解，起到駐車制動作用。當列車管壓力增加，駐車機構解鎖，活塞桿在緩解彈簧作用下回退，制動缸緩解。當列車管由于某些原因沒有壓力空氣時，駐車制動缸也可以通過手動緩解機構對駐車機構進行緩解。

保持制動制動力的大小取決于制動作用發生直至列車停止時的制動力，停車時的制動力大，保持制動力就大，所以在車輛停穩后，司機可以通過追加減壓制動，以提高制動力，從而提高駐車制動力；保持制動不能重復手動制動、緩解，但其制動缸與駐車制動集成在一起，結構更為緊湊。

3.2 結構介紹

MPB-1型駐車制動缸結構如圖9所示，缸體及缸座組成與現有制動缸完全一致。主要區別是活塞組成、前蓋組成，并增加駐車機構。

圖9 MPB-1型駐車制動缸結構

3.2.1 活塞組成

活塞組成中活塞采用沖壓工藝，以減輕活塞重量。通過鎖圈將Y形密封圈鎖固，減小密封圈漲大的趨勢［1］，防止其脫落。為承受駐車制動時來自推桿的作用力，推桿座與活塞桿27螺紋連接，活塞桿與活塞焊接相連，推桿座不能軸向移動，如圖10所示。活塞桿外圓周有環狀溝槽，駐車制動時，駐車機構中的駐車鎖圈徑向收縮，卡住該凹槽，如圖11所示，防止活塞桿后退，實現鎖緊。

圖10 活塞組成

3.2.2 駐車機構

駐車機構主要由3部分構成，如圖11所示：鎖緊機構、駐車缸組成及手動緩解機構構成。通過安裝座與前蓋組成螺紋相連。

圖11 鎖緊機構示意圖

鎖緊機構主要由安裝座、駐車鎖圈、鎖頭及斜楔構成。當制動作用發生后，且列車管壓力低于設定值時，蓄能簧推動駐車活塞、復位套，推動斜楔向左運動，斜楔推動鎖頭向上移動，駐車鎖圈在鎖頭的作用下收攏，卡住活塞桿上的環形槽，起駐車制動作用。

3.2.3 駐車缸組成

駐車缸組成如圖12所示，主要由安裝座構成的缸體、駐車活塞、Y形密封圈、蓄能簧及限位筒構成。

圖12 駐車缸組成示意圖（充氣緩解）

列車管的壓力空氣通過左邊的法蘭接頭、過濾器，進入駐車活塞的左腔室，左邊活塞桿通過O形圈密封，活塞通過Y形密封圈與缸體密封，壓力空氣壓縮蓄能簧，直到與限位筒接觸。

當制動作用發生后，列車管壓力空氣降低到設定值，駐車控制閥排駐車缸壓力空氣，蓄能簧推動活塞左移，推動復位套，進而推動斜楔，鎖頭徑向向上運動，將駐車鎖圈收攏，卡住活塞桿上的環形凹槽，阻止活塞回退，起駐車制動作用，如圖13所示。

圖13 駐車缸組成示意圖（駐車制動）

再次充氣時，駐車活塞右移，緩解螺釘帶動斜楔右移，鎖頭在駐車鎖圈的作用下徑向外移，駐車鎖圈復原，制動缸活塞在緩解彈簧的作用下回退緩解。

3.2.4 手動緩解機構

在列車管沒壓力空氣，無法靠壓力空氣來克服蓄能簧的作用來緩解時，可拉動手動緩解機構來實現，如圖14所示。

圖14 手動緩解機構示意圖

手動緩解過程中，斜楔在拉環的作用下右移，斜楔將來自拉環的力傳遞給復位套，再傳遞給駐車活塞，最后傳遞給蓄能簧，壓縮蓄能簧。與此同時，手動緩解錐柄在拉環的作用下向右移，與其錐面配合的卡銷有徑向外移的趨勢，但是由于限位套的限制不能外移，當卡銷隨手動緩解機構右移到不受限位套限制的位置時，卡銷徑向伸出，如圖15所示，釋放拉環時，卡銷被限位套卡住不能縮回，并在蓄能簧的作用力下鎖定在限位套臺階上，如圖16、圖17所示。此時活塞右端面與限位套有一定距離，當列車管充氣時，駐車活塞在壓力空氣作用下克服蓄能簧的作用力右移，卡銷與限位套脫離，卡銷在卡銷簧的作用下縮進手緩安裝座，為下次駐車制動做好準備。

圖15 手動緩解機構卡銷伸出

圖16 手動緩解機構卡銷被鎖定

圖17 手動緩解機構卡銷被鎖定在限位套上

3.3 工作原理

3.3.1 駐車機構充氣解鎖（緩解）狀態

列車在行駛過程中，列車管的壓力空氣通過進氣管座，過濾器充入駐車活塞的左側，壓縮蓄能簧，直到限位筒限位，駐車活塞不再向右運動，同時，手動緩解機構在活塞的帶動下向右移動，通過緩解螺釘帶動斜楔右移，鎖頭徑向外移，駐車機構處于解鎖（緩解）狀態，制動缸也處于緩解狀態如圖18所示。

圖18 制動缸緩解狀態（駐車機構解鎖）

制動缸處于制動狀態如圖19所示，但是列車管的壓力空氣沒有降低到設定值，而是足以克服蓄能簧的作用力，駐車機構處于解鎖狀態。壓力空氣進入活塞組成的左側推動活塞向制動方向運動，制動力通過推桿頭座，推動推桿，推桿推動基礎制動裝置產生制動力，此時駐車鎖圈未內縮，與活塞桿徑向有間隙（圖19）。

圖19 制動缸制動狀態（駐車機構解鎖）

3.3.2 駐車機構排氣鎖止（駐車）狀態

列車制動時，列車管空氣壓力降低，與之相連的駐車活塞左側壓力降低，當壓力空氣作用在活塞上的力不足以平衡蓄能簧的作用力時，蓄能簧推動駐車活塞向左運動，駐車活塞推動復位套，進而推動斜楔向左運動，斜楔通過斜面推動鎖頭徑向上移，使得駐車鎖圈內收，卡住因為制動而伸出的活塞桿（圖10中）的環形凹槽，如圖20所示，活塞桿就不能回退。

圖20 制動缸駐車制動狀態（駐車機構鎖止）

駐車機構充氣解鎖：當列車緩解時，列車管空氣壓力升高，推動駐車活塞向右運動，直到限位套擋住不能繼續，同時手動緩解機構帶動斜楔回退，鎖頭在駐車鎖圈復原力的作用下下移，駐車鎖圈復位而離開活塞桿的環形凹槽，完成鎖緊機構的解鎖，活塞組成在緩解簧的作用下回到缸體底部，緩解結束（圖18）。

3.3.3駐車機構手動解鎖（手動緩解）狀態

駐車機構除了充氣解鎖外，也可以手動解鎖。當沒有壓力空氣充入駐車缸腔室（駐車活塞左側）又需要解鎖時，拉動拉環，通過手動緩解機構拉動斜楔右移，鎖頭在駐車鎖圈復原力的作用下下移，駐車鎖圈復位而離開活塞桿的環形凹槽，完成鎖緊機構的解鎖。

3.4 試驗驗證

MPB-1型自動駐車制動缸是在既有制動缸的基礎上增設了駐車制動機構，根據TB/T 2838對駐車制動缸進行例行試驗、型式試驗，試驗結果表明滿足標準要求。文中重點關注其駐車制動力試驗。

駐車制動力試驗裝置如圖21所示，用4根彈簧模擬基礎制動裝置的彈性變形，彈簧設計依據是空車位制動行程155 mm，重車位行程195 mm，對應的制動缸壓力分別為140 kPa，360 kPa。試驗數據見表1。

表1 駐車制動缸試驗記錄

圖21 駐車力測試試驗臺

以C80B為例來看駐車制動力情況，坡道按30‰計算，駐車能力見表2。

表2 駐車能力

從表2可知，C80B車在30‰的坡道上停駐，空車安全系數1.23，重車在列車管定壓500 kPa時安全系數1.08，定壓600 kPa時安全系數1.26。當然，目前C80B運行路線的最大坡道不超過15‰，安全系數翻倍。

4 結論及建議

MPB-1型自動駐車制動缸與現有制動缸接口保持一致，增設了駐車制動機構，當列車管壓力降低至設定值時，駐車機構動作，鎖定活塞桿，阻止活塞桿回退，起保持制動作用，即使制動缸壓力空氣完全漏泄，駐車制動力也能保持。

已駐車的MPB-1型自動駐車制動缸可以通過列車管充風來緩解，當列車管壓力超過設定值時，駐車機構動作，解除對活塞桿的鎖定；當列車管無壓力空氣時，也可以通過手動緩解機構緩解駐車制動。

通過性能試驗、疲勞試驗等試驗驗證結果表明，MPB-1型自動駐車制動缸性能參數能夠滿足TB/T 2838的要求，駐車制動力滿足30‰的坡道駐車要求。

高鐵動車、城軌地鐵、機車、工程車上已廣泛運用自動駐車制動技術，在制定貨車駐車制動標準時，明確駐車制動技術不應影響列車的編組，具有快速手動緩解功能，便于列車編組前的摘管、排風操作。就駐車技術而言，建議優先采用保持制動，將制動缸與駐車機構集成在一起，實現自動駐車制動，也便于既有車輛的改造。