我国货车制动系统存在的问题及展望_续完_
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新型货车制动系统的制动热负荷应以踏面制动方 式的合成闸瓦为限进行校核。 由于我国货车的制动工 况苛刻, 既有货车的轴制动功率已高于AA R 标准。我 国既有货车轴制动功率的利用率不足 40% (表 15) , 因 此尚有提速的余地。 21 t 和 25 t 轴重新型货车按 120 km h、1 400 m 制动距离要求的制动功率利用率分别 为 47% 和 56% , 利用率有所提高, 故应提高对车轮热 负荷的要求。 4. 1. 4 纵向动力作用的校核
列车空气制动作用时的纵向力是一个非常复杂的 问题, 建议以低速紧急制动作用时的最大纵向力为校
·8·
核的基准。在 TB T 2370—1993《铁路旅客列车纵向动 力学试验方法与评定指标》中的纵向力简化计算方法 中, 考虑了列车编组、车辆制动机特性、缓冲器性能和 闸瓦压力变化等影响列车纵向力的主要因素, 并已得 到大量实际试验和电算结果的对比验证, 建议作为新 造货车纵向力计算的实用公式。 4. 1. 5 制动传动效率的深化研究
表 15 5 000 t 列车不同工况下最大纵向力比较
(1984 年环行线试验结果)
kN
工况
匀 速
匀 加 速
慢 启 动
快 启 动
电阻 制动
常用 制动
缓解 后紧急 制动1)
低速 缓解1)
车长 阀1)
紧急 制动1)
最大纵向力 80 218 280 610 380 540 1 190 1 530 1 110 1 710
关于列车编组辆数, 鉴于运输需求和主要干线 1 050 m 站线有效长度的客观条件, 我国重载货物列 车现有的发展方向仍是编组 60 辆左右的 5 000 t 级列 车, 尚无更长编组的必要。 通过研究表明, 我国现有的 货车制动系统能够适应 25 t 轴重 60 辆编组即 6 000 t 级重载列车的基本要求, 特别是满足纵向力不超过 2 000 kN 的要求。 目前的矛盾是, 重载列车的空气制 动系统空走时间较长, 在 90 km h 制动初速度下的制 动距离安全裕量不多 (参见表 3) , 提速将导致更长的 制动空走距离, 因此, 现有货车空气制动系统对重载列 车仍不能适应 120 km h 提速的要求。 对新造货车制 动系统的设计要同时适应重载和 120 km h 的要求确 有较大的难度而尚难以实现。但展望未来, 货物列车包 括重载列车的提速也并非没有可能性。例如, 近年来在 北美铁路上已开行电空制动方式的重载列车, 利用这 种先进技术不仅能解决列车纵向冲动问题, 也可以使 制动空走距离大为缩短而达到提速的目的。
表 17 5 000 t (60 辆) 列车紧急制动
纵向力计算结果比较
kN
vo (km ·h- 1)
40
60
80
简算结果 电算结果 试验结果
1 249 1 218 1 264～ 1 333
1 083 1 150 902～ 1 039
925 1 076 657～ 930
表 18 双层集装箱平车紧急制动时的最大纵向力
收稿日期: 2002209219 作者简介: 马大炜 (19462) , 男, 研究员。
据制动空走时间的换算原理, 假若将该充气时间从 12 s 缩短到 104 阀的 315 s 左右, 在 120 km h 制动初 速下缩短的制动空走距离为 80 m 左右, 从而有利于 提速 (提高限速约 5 km h)。该方案的主要问题是影响 纵向力的增加, 因此, 可利用上述最大纵向力的计算方 法进行分析比较。 仍以 40 km h 初速紧急制动为例, 在 25 t 轴重平车采用 2 号缓冲器和高摩合成闸瓦条 件下的纵向力计算结果见表 18。
对于新型货车及其制动装置, 同样可以根据 TB T 2370—1993《客车纵向动力学试验方法与评定指标》 计算其最大纵向力。 例如, 在 25 t 轴重双层集装箱平 车的设计研究中存在有 120 阀制动空走时间过长不适 应于长大编组列车的问题, 其改进方法之一是缩短紧 急制动作用时的制动缸充气时间以减少空走距离。 根
货物列车运行过程中的纵向冲动主要体现在车钩 纵向力上。该纵向力发生在各种非稳态运动的工况下, 尤以制动时为甚。 在空气制动作用下的纵向力随列车 长度呈非线性增长, 不仅导致断钩、脱轨等重大事故, 而且还会破坏货物的完整性, 影响到机车车辆装置的 疲劳寿命。
理论研究和实际试验的结果表明, 在各种工况中 以紧急制动时发生的车钩力为最大。5 000 t 列车不同 工 况 下 最 大 纵 向 力 试 验 结 果 见 表 15, 根 据 TB T 2370—1993《客车纵向动力学试验方法与评定指标》 计算的最大纵向力计算结果见表 16、表 17。不难看出, 计算结果与试验结果有良好的一致性。
4. 2 我国货车空气制动系统对提速和重载的适应性
4. 2. 1 货车提速的现状及展望 提高重车制动能力是货物列车提速的前提条件。
在现有各种制动装置中, 又以基础制动装置对制动能 力的影响为甚。 我国既有货车采用高磷铸铁闸瓦和铁 标高摩合成闸瓦按 800 m 紧急制动距离要求, 能够满 足的货物列车最高速度分别在 85 km h 和 90 km h 左右。 由于受到单侧踏面制动结构形式及其制动功率 ( 制动热负荷) 的限制, 对于 120 km h 的快速货车只 有在较轻轴重和短编组的条件下才能满足 1 100 m 的 制动距离要求; 长编组列车则由于空走距离增加, 即使 在装备新型高摩闸瓦的条件下也难以保证 1 100 m 的 要求, 若按 1 400 m 要求则可有充分的安全裕量 (参见 表 3) , 但其制动力也应较现有货车至少提高 24% 以 上, 同时应满足制动粘着和热负荷等基本条件, 特别是 防止空车位时制动力过大擦伤车轮的问题。因此, 铁道 部有关文件提出 120 km h 快速货车紧急制动距离不 超过 1 400 m 的标准是合理和可行的。 关于将来进一 步提速的问题, 根据国外经验主要是制动功率的限制, 在踏面制动装置和合成闸瓦的条件下, 其限值也不宜 超 过 140 km h, 即 可 较 现 有 铸 铁 闸 瓦 的 限 速 提 高 20%～ 40%。根据德国的试验结果, 盘形制动装置的轴 制动功率可高达 760 kW , 即为踏面制动功率的 2 倍以 上, 在国外快速货车上已有采用。 4. 2. 2 重载列车制动系统的关键技术问题
制动粘着校核应以轨面潮湿状态下的制动粘着系 数为基准。由于闸瓦摩擦性能不同, 合成闸瓦较铸铁闸 瓦的粘着利用率高, 特别是新型高摩合成闸瓦在 90 km h 以上时必须进行粘着校核, 并考虑 600 kPa、空 车位高制动率和闸瓦摩擦因数变化上限等不利条件而 留有必要的裕量。 目前国内对于粘着利用率没有明确 的标准, 按一般惯例, 若将粘着系数减小 5% , 闸瓦摩 擦因数增加 5% , 则粘着利用率约为 90%。但考虑到新 型闸瓦的摩擦带加宽、轴制动力不平均分布 (例如制动 时的前转向架加载, 后转向架减载) 等影响因素, 该粘 着 利用率实际上应该更低一些。 按照现有货车 (90 km h 以下, 既有高摩合成闸瓦) 的粘着利用率不足 80% 考 虑 (表 11) , 建 议 新 车 的 粘 着 利 用 率 不 宜 过 高。 4. 1. 3 制动热负荷
kN
制动机
(阀) 类型
120
104
列车编组辆
数 辆
60
38
60
38
合成闸瓦形式 现瓦 新瓦 现瓦 新瓦 现瓦 新瓦 现瓦 新瓦
最大纵向力 1 170. 8 1 451. 8 639. 9 793. 5 2 250 2 790 1 041. 9 1291. 9
由表 18 可见, 长编组 (60 辆) 列车的最大纵向力 几乎是短编组列车的 2 倍。若采用 104 阀的话, 只能适 应于短编组列车, 在长编组列车中则无论采用现有合 成闸瓦还是新型闸瓦, 其纵向力均可能超过 2 000 kN 的标准而有断钩的危险。因此, 短编组列车可用 104 阀 取代 120 阀使用, 但不适用于重载列车。
4 结论与建议
4. 1 新型货车制动系统的设计原则
4. 1. 1 紧急制动距离 新型货车应根据不同的轴重、速度和编组条件计
算满足上述紧急制动距离的要求。 但建议在设计计算 时应注意以下 3 个问题, 以保证足够的安全裕量。
( 1) 根据《技规》的有关要求, 货物列车允许的最 多关门辆数为 6% , 在计算列车制动率时应予以考虑, 所以按列车计算的每百吨列车质量换算闸瓦压力应低 于货车按辆计算的换算闸瓦压力。
(2) 摩擦材料的性质使摩擦因数有一个变动范 围。 既有高摩合成闸瓦和新型高摩合成闸瓦的摩擦因 数下限较平均值大约低 10% , 故在计算制动距离时应 有适当的裕量。
( 3) 在《牵规》的计算公式中, 规定的货车制动效 率取 019 仅是在重车情况下的换算效率, 不适用于在 空车计算时直接引用。 4. 1. 2 制动粘着校核
综 述·述 评wenku.baidu.com
铁道车辆 第 41 卷第 4 期 2003 年 4 月
文章编号: 100227602 (2003) 0420007203
我国货车制动系统存在的问题及展望 ( 续完)
马大炜
(铁道科学研究院 研究与发展中心, 北京 100081)
中图分类号: U 270. 351 文献标识码: A
3. 5 列车纵向冲动作用
此外, 由表 17 和表 18 比较可见, 在同样 60 辆编 组条件下, 25 t 轴重货车由于采用合成闸瓦可使纵向 力减少到与 21 t 轴重货车 (铸铁闸瓦) 相同的程度; 提 高闸瓦摩擦因数 (新型合成闸瓦) 将使纵向力相应增 加, 但仍能保持在限度之内而无断钩的危险。
·7·
铁道车辆 第 41 卷第 4 期 2003 年 4 月
多年来对国内货车制动系统的性能进行了大量试
我国货车制动系统存在的问题及展望 (续完) 马大炜
验研究工作。随着机车车辆装置的不断改进, 如钩缓装 置的大容量化, 机车动力制动装置的发展, 高摩合成闸 瓦取代铸铁闸瓦, 103 型、120 型制动机取代 GK 阀, 已 奠定了在国内主要干线上推广开行 5 000 t 级重载列 车的坚实基础。 今后重载列车的发展主要是货车大型 化和扩大列车编组辆数, 而就前者而言, 目前主要是发 展 25 t 轴重货车的问题。在制动方面, 通过计算比较, 可见 25 t 轴重货车要比既有 21 t 轴重货车的闸瓦压 力提高 20% 左右才能满足同样制动距离的要求, 其制 动热负荷和列车纵向力也要相应增加, 根据计算结果 离限值要求尚有一定的裕量, 但空车位制动力的相应 增加将导致空车滑行问题。因此, 改进现有的空重车调 整装置, 解决空重比不合理的矛盾是问题的关键。
现有《牵 规》计 算 公 式 对 制 动 传 动 效 率 的 规 定 (90% ) 实际上只是在重车位紧急制动条件下根据制动 距离试验结果换算的一个假设值, 实测的静态制动传 动效率值在紧急制动时也只有 70%～ 73% (参见表 8) , 空车位时或非紧急制动时制动传动效率随闸瓦压 力减少而非线性下降, 因此制动传动效率实际上是个 变量, 并随不同的基础制动装置和制动倍率而异。鉴于 传动效率对空车粘着校核和制动距离的影响, 对于精 确计算的传动效率如何取值, 在货车的设计和新造时 尚需具体研究, 但建议有关部门能借鉴AA R 的经验, 在深化研究的基础上提出具有普遍性的效率计算公 式。
4. 3 关于改进货车制动装置的建议
4. 3. 1 120 阀存在的问题及解决方向 4. 3. 1. 1 空重车自动调整及长远发展问题
注: 1) 初速度 vo= 40 km h。
表 16 紧急制动下最大纵向力 (v0= 40 km h) 计算结果比较 kN
编 组 辆 数 辆 35 40 45 50 55 60 65 70 76 最大 简算结果 648 763 883 1 003 1 127 1 249 1 772 2 145 2 627 纵向力 电算结果 680 768 959 1 037 1 140 1 218 1 84 1 944 2 599
列车空气制动作用时的纵向力是一个非常复杂的 问题, 建议以低速紧急制动作用时的最大纵向力为校
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核的基准。在 TB T 2370—1993《铁路旅客列车纵向动 力学试验方法与评定指标》中的纵向力简化计算方法 中, 考虑了列车编组、车辆制动机特性、缓冲器性能和 闸瓦压力变化等影响列车纵向力的主要因素, 并已得 到大量实际试验和电算结果的对比验证, 建议作为新 造货车纵向力计算的实用公式。 4. 1. 5 制动传动效率的深化研究
表 15 5 000 t 列车不同工况下最大纵向力比较
(1984 年环行线试验结果)
kN
工况
匀 速
匀 加 速
慢 启 动
快 启 动
电阻 制动
常用 制动
缓解 后紧急 制动1)
低速 缓解1)
车长 阀1)
紧急 制动1)
最大纵向力 80 218 280 610 380 540 1 190 1 530 1 110 1 710
关于列车编组辆数, 鉴于运输需求和主要干线 1 050 m 站线有效长度的客观条件, 我国重载货物列 车现有的发展方向仍是编组 60 辆左右的 5 000 t 级列 车, 尚无更长编组的必要。 通过研究表明, 我国现有的 货车制动系统能够适应 25 t 轴重 60 辆编组即 6 000 t 级重载列车的基本要求, 特别是满足纵向力不超过 2 000 kN 的要求。 目前的矛盾是, 重载列车的空气制 动系统空走时间较长, 在 90 km h 制动初速度下的制 动距离安全裕量不多 (参见表 3) , 提速将导致更长的 制动空走距离, 因此, 现有货车空气制动系统对重载列 车仍不能适应 120 km h 提速的要求。 对新造货车制 动系统的设计要同时适应重载和 120 km h 的要求确 有较大的难度而尚难以实现。但展望未来, 货物列车包 括重载列车的提速也并非没有可能性。例如, 近年来在 北美铁路上已开行电空制动方式的重载列车, 利用这 种先进技术不仅能解决列车纵向冲动问题, 也可以使 制动空走距离大为缩短而达到提速的目的。
表 17 5 000 t (60 辆) 列车紧急制动
纵向力计算结果比较
kN
vo (km ·h- 1)
40
60
80
简算结果 电算结果 试验结果
1 249 1 218 1 264～ 1 333
1 083 1 150 902～ 1 039
925 1 076 657～ 930
表 18 双层集装箱平车紧急制动时的最大纵向力
收稿日期: 2002209219 作者简介: 马大炜 (19462) , 男, 研究员。
据制动空走时间的换算原理, 假若将该充气时间从 12 s 缩短到 104 阀的 315 s 左右, 在 120 km h 制动初 速下缩短的制动空走距离为 80 m 左右, 从而有利于 提速 (提高限速约 5 km h)。该方案的主要问题是影响 纵向力的增加, 因此, 可利用上述最大纵向力的计算方 法进行分析比较。 仍以 40 km h 初速紧急制动为例, 在 25 t 轴重平车采用 2 号缓冲器和高摩合成闸瓦条 件下的纵向力计算结果见表 18。
对于新型货车及其制动装置, 同样可以根据 TB T 2370—1993《客车纵向动力学试验方法与评定指标》 计算其最大纵向力。 例如, 在 25 t 轴重双层集装箱平 车的设计研究中存在有 120 阀制动空走时间过长不适 应于长大编组列车的问题, 其改进方法之一是缩短紧 急制动作用时的制动缸充气时间以减少空走距离。 根
货物列车运行过程中的纵向冲动主要体现在车钩 纵向力上。该纵向力发生在各种非稳态运动的工况下, 尤以制动时为甚。 在空气制动作用下的纵向力随列车 长度呈非线性增长, 不仅导致断钩、脱轨等重大事故, 而且还会破坏货物的完整性, 影响到机车车辆装置的 疲劳寿命。
理论研究和实际试验的结果表明, 在各种工况中 以紧急制动时发生的车钩力为最大。5 000 t 列车不同 工 况 下 最 大 纵 向 力 试 验 结 果 见 表 15, 根 据 TB T 2370—1993《客车纵向动力学试验方法与评定指标》 计算的最大纵向力计算结果见表 16、表 17。不难看出, 计算结果与试验结果有良好的一致性。
4. 2 我国货车空气制动系统对提速和重载的适应性
4. 2. 1 货车提速的现状及展望 提高重车制动能力是货物列车提速的前提条件。
在现有各种制动装置中, 又以基础制动装置对制动能 力的影响为甚。 我国既有货车采用高磷铸铁闸瓦和铁 标高摩合成闸瓦按 800 m 紧急制动距离要求, 能够满 足的货物列车最高速度分别在 85 km h 和 90 km h 左右。 由于受到单侧踏面制动结构形式及其制动功率 ( 制动热负荷) 的限制, 对于 120 km h 的快速货车只 有在较轻轴重和短编组的条件下才能满足 1 100 m 的 制动距离要求; 长编组列车则由于空走距离增加, 即使 在装备新型高摩闸瓦的条件下也难以保证 1 100 m 的 要求, 若按 1 400 m 要求则可有充分的安全裕量 (参见 表 3) , 但其制动力也应较现有货车至少提高 24% 以 上, 同时应满足制动粘着和热负荷等基本条件, 特别是 防止空车位时制动力过大擦伤车轮的问题。因此, 铁道 部有关文件提出 120 km h 快速货车紧急制动距离不 超过 1 400 m 的标准是合理和可行的。 关于将来进一 步提速的问题, 根据国外经验主要是制动功率的限制, 在踏面制动装置和合成闸瓦的条件下, 其限值也不宜 超 过 140 km h, 即 可 较 现 有 铸 铁 闸 瓦 的 限 速 提 高 20%～ 40%。根据德国的试验结果, 盘形制动装置的轴 制动功率可高达 760 kW , 即为踏面制动功率的 2 倍以 上, 在国外快速货车上已有采用。 4. 2. 2 重载列车制动系统的关键技术问题
制动粘着校核应以轨面潮湿状态下的制动粘着系 数为基准。由于闸瓦摩擦性能不同, 合成闸瓦较铸铁闸 瓦的粘着利用率高, 特别是新型高摩合成闸瓦在 90 km h 以上时必须进行粘着校核, 并考虑 600 kPa、空 车位高制动率和闸瓦摩擦因数变化上限等不利条件而 留有必要的裕量。 目前国内对于粘着利用率没有明确 的标准, 按一般惯例, 若将粘着系数减小 5% , 闸瓦摩 擦因数增加 5% , 则粘着利用率约为 90%。但考虑到新 型闸瓦的摩擦带加宽、轴制动力不平均分布 (例如制动 时的前转向架加载, 后转向架减载) 等影响因素, 该粘 着 利用率实际上应该更低一些。 按照现有货车 (90 km h 以下, 既有高摩合成闸瓦) 的粘着利用率不足 80% 考 虑 (表 11) , 建 议 新 车 的 粘 着 利 用 率 不 宜 过 高。 4. 1. 3 制动热负荷
kN
制动机
(阀) 类型
120
104
列车编组辆
数 辆
60
38
60
38
合成闸瓦形式 现瓦 新瓦 现瓦 新瓦 现瓦 新瓦 现瓦 新瓦
最大纵向力 1 170. 8 1 451. 8 639. 9 793. 5 2 250 2 790 1 041. 9 1291. 9
由表 18 可见, 长编组 (60 辆) 列车的最大纵向力 几乎是短编组列车的 2 倍。若采用 104 阀的话, 只能适 应于短编组列车, 在长编组列车中则无论采用现有合 成闸瓦还是新型闸瓦, 其纵向力均可能超过 2 000 kN 的标准而有断钩的危险。因此, 短编组列车可用 104 阀 取代 120 阀使用, 但不适用于重载列车。
4 结论与建议
4. 1 新型货车制动系统的设计原则
4. 1. 1 紧急制动距离 新型货车应根据不同的轴重、速度和编组条件计
算满足上述紧急制动距离的要求。 但建议在设计计算 时应注意以下 3 个问题, 以保证足够的安全裕量。
( 1) 根据《技规》的有关要求, 货物列车允许的最 多关门辆数为 6% , 在计算列车制动率时应予以考虑, 所以按列车计算的每百吨列车质量换算闸瓦压力应低 于货车按辆计算的换算闸瓦压力。
(2) 摩擦材料的性质使摩擦因数有一个变动范 围。 既有高摩合成闸瓦和新型高摩合成闸瓦的摩擦因 数下限较平均值大约低 10% , 故在计算制动距离时应 有适当的裕量。
( 3) 在《牵规》的计算公式中, 规定的货车制动效 率取 019 仅是在重车情况下的换算效率, 不适用于在 空车计算时直接引用。 4. 1. 2 制动粘着校核
综 述·述 评wenku.baidu.com
铁道车辆 第 41 卷第 4 期 2003 年 4 月
文章编号: 100227602 (2003) 0420007203
我国货车制动系统存在的问题及展望 ( 续完)
马大炜
(铁道科学研究院 研究与发展中心, 北京 100081)
中图分类号: U 270. 351 文献标识码: A
3. 5 列车纵向冲动作用
此外, 由表 17 和表 18 比较可见, 在同样 60 辆编 组条件下, 25 t 轴重货车由于采用合成闸瓦可使纵向 力减少到与 21 t 轴重货车 (铸铁闸瓦) 相同的程度; 提 高闸瓦摩擦因数 (新型合成闸瓦) 将使纵向力相应增 加, 但仍能保持在限度之内而无断钩的危险。
·7·
铁道车辆 第 41 卷第 4 期 2003 年 4 月
多年来对国内货车制动系统的性能进行了大量试
我国货车制动系统存在的问题及展望 (续完) 马大炜
验研究工作。随着机车车辆装置的不断改进, 如钩缓装 置的大容量化, 机车动力制动装置的发展, 高摩合成闸 瓦取代铸铁闸瓦, 103 型、120 型制动机取代 GK 阀, 已 奠定了在国内主要干线上推广开行 5 000 t 级重载列 车的坚实基础。 今后重载列车的发展主要是货车大型 化和扩大列车编组辆数, 而就前者而言, 目前主要是发 展 25 t 轴重货车的问题。在制动方面, 通过计算比较, 可见 25 t 轴重货车要比既有 21 t 轴重货车的闸瓦压 力提高 20% 左右才能满足同样制动距离的要求, 其制 动热负荷和列车纵向力也要相应增加, 根据计算结果 离限值要求尚有一定的裕量, 但空车位制动力的相应 增加将导致空车滑行问题。因此, 改进现有的空重车调 整装置, 解决空重比不合理的矛盾是问题的关键。
现有《牵 规》计 算 公 式 对 制 动 传 动 效 率 的 规 定 (90% ) 实际上只是在重车位紧急制动条件下根据制动 距离试验结果换算的一个假设值, 实测的静态制动传 动效率值在紧急制动时也只有 70%～ 73% (参见表 8) , 空车位时或非紧急制动时制动传动效率随闸瓦压 力减少而非线性下降, 因此制动传动效率实际上是个 变量, 并随不同的基础制动装置和制动倍率而异。鉴于 传动效率对空车粘着校核和制动距离的影响, 对于精 确计算的传动效率如何取值, 在货车的设计和新造时 尚需具体研究, 但建议有关部门能借鉴AA R 的经验, 在深化研究的基础上提出具有普遍性的效率计算公 式。
4. 3 关于改进货车制动装置的建议
4. 3. 1 120 阀存在的问题及解决方向 4. 3. 1. 1 空重车自动调整及长远发展问题
注: 1) 初速度 vo= 40 km h。
表 16 紧急制动下最大纵向力 (v0= 40 km h) 计算结果比较 kN
编 组 辆 数 辆 35 40 45 50 55 60 65 70 76 最大 简算结果 648 763 883 1 003 1 127 1 249 1 772 2 145 2 627 纵向力 电算结果 680 768 959 1 037 1 140 1 218 1 84 1 944 2 599