快捷货车制动系统总体技术研究*

王京波， 姚小沛， 陆　阳

(中国铁道科学研究院　机车车辆研究所， 北京 100081)



综合技术研究

快捷货车制动系统总体技术研究*

王京波， 姚小沛， 陆阳

(中国铁道科学研究院机车车辆研究所， 北京 100081)

分析了与快捷货车制动系统相关的主要运用条件，以此为基础分析了制动系统设计基准、主要配置方案及相关要求，并提出了结论和建议。

制动系统； 快捷货车

法国普通货物列车的平均运行速度为100 km/h，快速货物列车达到140～160 km/h。德国普通货物列车速度为120 km/h，城际快捷货物列车的最高速度达到160 km/h。日本直达货物列车的最高速度为110 km/h，快捷货物列车最高速度达到160 km/h。美国快捷货运服务系统中，多数路段最高速度为125 km/h，个别达到145 km/h[1]。

中国铁道科学研究院运输与经济研究所(简称：铁科院运输所)对主要快递企业的调研结果显示，快递企业取派件表现出明显的时间段特性，一般希望6时～8时开车、20时～22时到达，以便利用公路货运车辆夜间不受城市交通管制的时段送货、提货。因此，快递企业对货物运到时限的期望值为16～18 h、40～42 h。铁路快捷货物列车发到时间应按与快递企业需求相匹配设定。根据国家邮政总局公布的2015年统计数字，北京、上海、广州、深圳及杭州等城市的快递业务量和业务收入排名在全国的前5 位。以北京、上海、广州3地为例，不同线路对应的旅行速度需求如表1所示[2]。因此，运营速度160 km/h的快捷货车不仅满足16～18 h的基本运到时限要求，甚至可以更快。

表1　主要快运OD间运输时间和速度要求

1　列车编组质量

1.1编组要求

北京、上海、广州间具有充足的快捷货运需求，且市场增长迅猛。北京、上海、广州3地间的快运货物可经京沪既有线(1 463 km)、京广既有线(2 294 km)、沪昆+京广既有线(1 818 km)运送。为了提升快运货物的装卸效率，缩短在途运行时间，快捷货车宜采用成列编组模式，根据车辆额定载重、货物重量及体积可确定列车编组辆数。以北京-广州为例，根据铁科院运输所的预测[2]，若采用轴重18 t、自重32 t,载重40 t货车，那么,2015、2016、2017年快捷货物列车的编组数量需求如表2所示。

表2　城市间不同年度日均运输量及列车编组辆数(车辆载重40 t)

京沪、京广等既有线站场长度一般为800 m或1 050 m，但是装卸货物的站台长度仅为200 m～400 m。如果160 km/h快捷货车在站场装卸，按车辆长度25 m，站台长度400 m计算，编组长度不超过16辆。中铁快运物流基地的站台长度为550 m，最多可编组22辆。为方便装卸，编组长度不宜过长，可参照客运列车，编组16～20辆。

如果采用集装箱平车装运，160 km/h快捷集装箱车换长按1.8计算，载重按42 t计算，装载系数为0.8，那么2015～2017年快捷集装箱列车的编组数量需求如表3所示。

表3　城市间不同年度日均运输量及列车编组辆数

1.2机车牵引能力

目前可用于速度160 km/h快捷货运的机车型号有DF4D(准高速)、DF11、SS7D、SS7E、SS8、SS9、HXD1D和HXD3D。根据各型机车牵引1 500 t货物列车在平直道、6‰和12%的坡道上的平衡速度计算结果，除交流传动电力机车HXD1D与HXD3D外，现有直流传动内燃和电力机车牵引1 500 t列车，无法满足速度达到160 km/h时，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与HXD3D型交流传动电力机车最大可以牵引26辆编组货车，如表4所示。如按照《牵规》规定的、机车牵引旅客列车最高运行速度上的剩余加速度仍大于0.03 m/s2的要求，则HXD1D与HXD3D型交流传动电力机车只能牵引20辆快捷货车。

表4　不同重量快捷货物列车在不同速度上的剩余加速度　m·s-2

速度160 km/h客车最大轴重16.5 t，按列车最大编组20辆计算，列车牵引质量为1 320 t。快捷货车轴重18 t，按编组20辆计算，列车牵引质量为1 440 t。根据上述分析结果，快捷货物列车编组可在20～25辆之间，根据站场条件或运输需求确定，但牵引质量不宜大于1 500 t。列车可采用HXD1D、HXD3D等交流传动电力机车牵引。

2　列车制动主管压力与货车制动率

TG/01-2014《铁路技术管理规程(普速铁路部分)》(以下简称《技规》)第261条第20表注3规定：“旅客列车、特快及快速货物班列自动制动机主管压力为600 kPa；其他列车为500 kPa。”按这一规定，速度160 km/h快捷货车制动系统的技术参数，应以列车主管定压600 kPa为基准设计和选取。空气制动系统的性能还应满足主管定压500 kPa的使用要求，以满足与普通货物列车联挂需要。《技规》第263条第27表规定的货物列车紧急制动距离限值如表5所示。

表5　货物列车紧急制动距离限值及减速度要求

根据表5，最高运行速度160 km/h的特快货物班列，其实制动减速度应达到0.79 m/s2，约为快速货物班列的1.4倍；与快速货物班列连挂时制动主管压力及制动率不变，可满足最高运行速度120 km/h、紧急制动距离限值1 100 m的要求。特快货物班列的实制动减速度约为普通货物列车的1.7倍；与普通货物列车连挂、主管定压为500 kPa时，制动率降低约17%～19%,小于减速度要求降低的幅度，可满足最高运行速度120 km/h、紧急制动距离限值1 400 m的要求。不同类型的货车连挂时的制动率差异因制动主管压力的变化会有所减小，有利于降低列车纵向冲动。

根据当前铁路机车和货车的技术水平，运行于坡度不大于20‰的线路上的普通货物列车及重载列车，其制动主管压力宜统一至500 kPa,以缩短作业时间，消除定压转换导致的货车抱闸故障，提高运输效率。特快及快速货物班列的减速度要求分别是与普通货物列车的1.7倍和1.2倍，差别过大。若以主管压力500 kPa为基准确定160 km/h快捷货车的制动率，则当快捷货车与客车连挂时，其制动率将提高约17%～19%，高于客车制动率，既增大了盘形制动装置的制动功率，又增加了防滑器动作的概率、频率和时间。根据TB/T 3009-2011《铁道客车及动车组防滑装置》，制动距离反而可能延长25%。因此，即使货物列车制动主管压力统一至500 kPa, 160 km/h快捷货车的制动率仍应以主管压力600 kPa为基准确定。

由于制动率差别过大，快捷货车不宜与重载列车连挂。

3　采用电子防滑器的必要性

轮轨黏着系数受雨、霜、雪、油、落叶外界因素影响很大，线路冲击导致的轮对瞬间减载也会使轮轨黏着力突然降低。我国轮轨黏着系数，如式(1)所示，是以潮湿轨面、约5%的打滑概率确定的。制动率不超过按该轮轨黏着系数公式确定的轮轨黏着允许限度时，雨雪天气条件下，车轮打滑的概率不超过5%。按全天候天气条件分析，车轮打滑的概率不超过3%。良好的车辆动力学性能可使这一概率进一步降低。

(1)

制动系统配置电子防滑器后降低了车轮滑行、擦伤的概率和风险，制动力可相应增加10%～30%。现有旅客列车的紧急制动距离限值是以客车采用电子防滑器为前提制定的，减速度要求达到0.8 m/s2。特快及快速货物班列的紧急制动距离限值是按客车运用条件和环境确定的。快捷货物列车的编组辆数不少于速度160 km/h的旅客列车，最高运行速度、紧急制动距离限值与旅客列车相同，车辆轴重则超过客车，因此，速度160 km/h的快捷货车必须采用盘形制动装置。由于无踏面制动、清扫或増黏装置，车轮擦伤的风险远大于普通货车，根据国内外相同速度等级客货车辆的运用经验，应配备电子防滑器。在转向架结构、空间允许的条件下，机械式防滑器宜与踏面清扫装置或増黏装置配合使用，可降低车轮滑行、擦伤的风险。

机械防滑器依靠与轮对同步转动的飞轮的惯性作为判别基准，故只能以轮对的减速度作为轮对滑行的判据。为了防止误动作，轮对减速度超过3～4 m/s2以上时才起作用；响应时间为0.3～0.5 s。车辆低速运行且轮对减速度很大时，由于动作滞后，可能车轮已经抱死。由于飞轮带动凸轮触发排风动作时的减速度离散度很大，故既滞后动作，又容易误动作。由于存在机械磨损，因此寿命和可靠性比较低。而电子防滑器依据轴端的速度传感器提供的信号进行防滑控制，控制判据不仅包括减速度，还包括速度差、滑移率和冲动(减速度的变化率)，并且具有轮径补偿功能。即使轮对减速度不大，但其速度与列车速度的差值较大时也会作出反应，其控制周期为0.1～0.2 s。现代电子防滑器可以将滑移率控制在黏着系数最大的范围内，还可借助防滑器控制的微小蠕滑达到清理踏面的目的。以减速度的变化率作为判据，可以解决减速度变化过快时防滑响应滞后的问题。当轮对的速度、滑移率、减速度等参数回到正常范围内后，车辆的制动力能迅速恢复，而不会持续处于排风状态，可以最大限度地减少制动力的损失，缩小制动距离的延长量。

机械式防滑器在国内没有运用经验，欧洲也无大量使用机械式防滑器的经验。为了降低车轮擦伤的风险，160 km/h的快运货车应优先采用电子防滑器。国外快速货车也开始使用电子防滑器，如瑞典Gblss-y型快速棚车采用TF25SA型转向架，是第一辆将电子防滑装置投入商业运行的货运车辆。

4　货车供电方案

货车采用电子防滑器的前提是获得电源。货车供电有两种方式，一是机车或发电车集中供电，二是车辆自供电。

欧洲的快捷货车有采用车辆自供电的先例。如，英国皇家邮政325型货运电动车组，车辆上没有外部电源，照明、开门机构和安全装置所需电力都是由发电机和电池提供的。德国柏林工业大学2002年研制的、最高运行速度达160 km/h的Leila快速货车转向架安装了一个集成的电子智能故障诊断系统，担当轴承温度、制动机状态监测和脱轨监测，且具有车轮防滑功能。系统能源由小型太阳能蓄电池、轴承发电机或风动发电机供给[3]。

我国目前尚无车辆自供电的成熟技术和运用经验。电子防滑器、轴温监测系统等用电量低，不适合采用发电车集中供电。电控空气制动系统(ECP)由机车上的子系统和各车辆上的子系统组成，可以很好地解决列车纵向冲动，也需要由机车上的子系统通过贯通列车的电缆向各车辆上的子系统供电。因此，应优先考虑机车集中供电方式，根据快捷货物列车编组辆数、车辆所使用的电器设备总功率等确定供电功率、电压和电缆导线的截面积。

例如，电子防滑器平时最大功耗15 W，防滑阀全部动作时功耗72 W，每辆车合计总功耗为87 W。ECP系统平均到每辆车的总功耗最大为10 W。轴温报警器(用户需要时)功耗4 W。若加装火灾报警装置，火灾报警装置平时功耗为10 W，报警状态为30 W，全列按20%的车报警计算功率，则每辆车总功耗平均为16 W。每辆车上述用电设备合计总功耗为117 W。考虑一定的裕量，车辆设计时电气设备总功耗按1.5倍约180 W考虑设计，为后期增加监测设备提供电源留有余地。实际上，在防滑阀没有动作，火灾报警器没有报警的情况下，每辆车正常运行时的功耗为39 W。每列车的电子设备报警信息无线传送装置可安装在机车上或首尾端车辆上，设备功耗不大于50 W。全车电源可以由机车直接供电，电压制式为DC 110 V或DC 230 V。按20辆编组考虑,机车控制用电功率最大增加3.6 kW，平时运行正常功耗不到1 kW。

为了加快快捷货车的研发和投入使用的速度，满足运输需求，现阶段可研发和试验货车自供电方案，在货车上加装发电设备，功率达到140 kW即可满足电子防滑器和轴温报警装置的用电需求。亦可直接采用机车提供的DC 600 V电源，以满足采用电子防滑器的快捷货车的试验和使用需要。列车首尾车辆配置相同，需配备DC 600 V/DC 110 V的电源转换装置及免维护蓄电池箱，可根据需要配置电子设备报警信息无线传送装置。车端增设电力连接器，将机车输出的DC 600 V电力引入充电机，将DC 600 V转换成DC 110 V，输出电压在DC 118 V～DC 123 V范围内随温度补偿、可调，供车辆上的电子防滑器以及车载轴温监测系统使用并给蓄电池充电。其他车辆通过贯通全列的DC 110 V输电干线电缆获取电源。DC 600 V供电正常情况下尾车的充电机不工作，蓄电池也不进行充放电。如DC 600 V供电中断或首车充电机故障，使尾车DC 110 V母线电压过低时，可用尾车蓄电池为DC 110 V母线供电。车载用电设备应适应蓄电池电压及线路压降的变化。

5　空、重车调整装置及制动控制阀

快捷货车具有制动率高，减速度大，装载货物的品类变化多，载重变化范围广的特点。因此，其采用的空、重车调整装置应能使车辆制动率基本不随载重变化，且适应多级刚度及大挠度差的转向架，并具有稳定的动态输出特性，因此，应采用随重式空、重车自动调整的装置(以下简称自调装置)，并应满足下列要求：

(1)自调装置所需附加部件不得改变空气制动机的特性。

(2)自调装置容量应能满足制动系统执行部件的配置，如直径152～406 mm制动缸或与之相当的多制动缸系统的要求。

(3)无论空、重车位时，自调装置应能分5阶段或以上达到制动缸最高压力。

(4)自调装置的空车位压力初始值应为(60±10 kPa)。

(5)制动力的调整必须根据载重自动地进行，并应考虑削弱车辆偏载的影响。运行中动载荷变化不得显著影响静载重下制动力的调整。

(6)在制动过程中可能产生的控制信号压力波动，不得使本次制动所产生的制动力大小发生变化。

(7)运行过程中，称重装置的耗风量不得影响正常制动作用。

(8)在制动主管600 kPa定压时，制动缸压力最大值应为(430±10kPa)。

空气控制阀应与随重式空重车调整装置组成间接作用式空气制动系统，制动缸的压力由容积室压力决定，以实现真正的空重车无级调整，自动消除高速运行时车辆振动的影响，使制动缸压力保持准确、稳定。不仅可取消降压气室之类的无效容积，减少压力空气的浪费，还可适应盘形制动装置的多制动缸系统，满足防滑器的运用要求。

对控制阀的主要性能要求建议如下：

(1)控制阀在定压600 kPa和500 kPa时均能正常工作；

(2)控制阀应能与通用的机车制动机相匹配，适应机车制动机自动补风或无自动补风操纵的要求；

(3)为适应快捷货物列车运用要求，控制阀应具有充气、缓解、加速缓解、常用制动、保压、紧急制动等作用，紧急制动时，制动缸压力应有二段上升，跃升压力应为110～170 kPa；

(4) 控制阀的紧急制动波速不小于250 m/s，常用制动波速应不小于180 m/s，缓解波速不应小于150 m/s；

(5)为适应短编组(20辆左右)和混编需要，制动缸充、排气时间范围为：制动缸上升5～7 s，制动缸缓解7～9 s。

(6)控制阀应具有半自动缓解功能。

6　盘形制动装置

根据国外经验，速度超过120 km/h的快速货车无一例外地采用了盘形制动技术。我国160 km/h的客车轴重只有16.5 t，每轴安装2套由规格为φ640 mm×110 mm的通风式铸铁制动盘和规格175 cm2的合成闸片组成的盘形制动装置，每套盘形制动装置承担的制动功率不小于154 kW。多年的运用经验表明，制动盘出现制动热裂纹损伤的概率及闸片的磨耗速率都比较高，因此，其实际承担的制动功率可作为盘形制动装置的允许极限功率。

Y-37转向架也是每轴2套盘形制动装置，但附带踏面清扫装置(表6)。采用踏面清扫装置的好处是不仅可以改善轮轨黏着状态，降低车轮制动擦伤的风险，特别适合采用机械式防滑器的系统，而且可以分担约30%部分制动力,减轻制动盘和闸片承受的制动热负荷，提高制动盘和闸片的寿命。我国早期设计制造的速度160 km/h的准高速客车除了采用了每轴2套盘形制动装置外，还装有铸铁闸瓦踏面制动装置。随着我国自主研制的电子防滑器的推广运用，才逐渐取消了踏面清扫装置，但制动盘裂纹损伤的问题也随之突显出来。DRRS-160型转向架则直接采用了每轴3套盘形制动装置。这些经验值得吸收和借鉴。

表6　快捷货车主要参数和制动系统配置

我国尚未开展盘形制动装置制动热负荷的研究。速度160 km/h快捷货车轴重18 t，轴平均制动功率不小于336 kW。若每轴安装2套盘形制动装置，则每套制动装置承担的制动功率不小于168 kW，超过了客车盘形制动装置承担的制动热负荷约9%。若仍采用现有铸铁材质和规格，则制动盘仍有较大的热损伤风险。应考虑借鉴DRRS-160的经验，采用3套φ610铸铁制动盘，总摩擦面积增加41%，可降低制动盘的制动热负荷。合成闸片可借鉴25 t轴重机车的经验，采用200 cm2的规格，摩擦面积可增加14%。

为了降低簧下质量，简化结构，建议采用2套φ640或φ610的铸钢制动盘。货车采用辗钢或铸钢车轮，配用合成闸瓦。国外铸钢制动盘也有配用合成闸片的先例。早期有关合成闸片的UIC规程，如1980年第2版、1985年第3版UIC 541-3《制动装置 盘形制动装置及其闸片》中均规定，闸片验收试验时，至少用一个铸钢制动盘和一个铸铁制动盘进行试验，制动盘规格为φ640 mm×110 mm。CRH1型动车组最高运行速度250 km/h，拖车原设计采用铸铁制动盘与合成闸片的配置，后因运用中制动热负荷超过铸铁制动盘的耐热极限，而改为铸钢制动盘与合成闸片的配置，未再出现制动盘大面积裂损问题，制动性能满足运用要求。最高速度300 km/h的高速列车均采用铸钢或锻钢制动盘。在国际铁路联盟规程UIC 541-3：2010的附录Ⅰ“获准用于国际联运的闸片”[4]中，表1.1a明示了两种可用于最高速度300 km/h高速列车的有机合成闸片。合成闸片不仅可以配合铸钢制动盘使用，而且适用于速度300 km/h的高速列车，可承担13.8MJ的制动能量。因此，应加快开展适用于快捷货车的铸钢制动盘及配套合成闸片的研究、试验。

7　 结论与建议

(1)快捷货车最高运行速度160 km/h，列车牵引质量1 500 t，编组20～25辆，紧急制动距离限值1 400 m。

(2)应以主管定压600 kPa为基准确定制动系统的配置和技术参数。

(3)应优先采用电子防滑器，采用列车集中供电方式。现阶段可研发和试验货车自供电方案，在货车上加装功率不小于140 W的发电设备，满足电子防滑器和轴温报警装置的用电需求。亦可采用机车提供的DC 600 V电源，快捷货物列车车首尾车辆配置DC 600 V/DC 110 V的电源转换装置及免维护蓄电池箱，其他车辆通过贯通全列的DC 110 V输电干线电缆获取电源。

(4)采用机械式防滑器时，建议增设踏面増黏装置。

(5)应采用随重式空、重车自动调整的装置，与二压力制动控制阀组成间接作用式空气制动系统。建议制动缸充气时间为5～7 s，制动缸排气时间为7～9 s。

(6)快捷货车运用条件与行邮车和客车相同，但轴重18 t,超过行邮车和客车。建议采用每轴2套铸钢制动盘与合成闸片的配置。应尽快开展相关研究试验工作。

[1]亢巨龙，吴云云.国外铁路快捷货运发展及其对我国的启示[J]，中国铁路，2008,(5):63-66.

[2]中国铁道科学研究院运输及经济研究所.160 km/h快捷货车总体技术条件研究 运输组织部分[R].2015.

[3]中国铁道科学研究院.快捷运输装备技术经济论证报告[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，研究员(

2016-02-17)

U272

Adoi:10.3969/j.issn.1008-7842.2016.04.01

*中国铁路总公司科技研究开发计划项目(2015J004-A)