欧洲铁路货车制动计算与试验

王小飞，翟鹏军，李 政

(中车山东机车车辆有限公司，山东 济南 250022)

随着货车出口业务的增加，国内对欧洲市场的开拓也正在进行。本文结合中车山东机车车辆有限公司(以下简称“中车山东公司”)近年来出口欧洲货车的项目，对UIC欧洲铁路货车制动系统进行了分析，重点介绍了制动计算及试验方面的应用情况，对国内货车制动方面的研究提出了建议。

1 UIC欧洲铁路货车制动系统的特点

UIC欧洲铁路货车制动系统是按照适应其列车编组特点和运用地理条件等演变成熟发展而成的，并形成了相对完整的UIC、TSI及EN标准体系。欧洲国家多山地，列车编组较短，对制动力的阶段可控性及衰减问题特别重视，因此逐步研发制成了采用列车管、控制风缸及制动缸压力平衡控制、不衰减性较好的三压力阀。机车制动阀以自动保压式为主，与车辆制动机配套构成一个完善的自动补气风系统，并且其缓解过程与再充气同时完成，以防止压力空气制动力衰竭[1]。这与AAR及国内制动系统适应长大列车的特性有明显区别。

欧洲铁路货车的编组较短，通常不大于700 m，根据牵引质量的不同，制动机可进行G/P转换位置(P位制动及缓解时间快于G位)，以保证列车纵向冲击在合理的范围内。表1为德国铁路(DB)货车编组的制动机G/P位切换情况实践。

2 制动系统配置

以中车山东公司出口的Eanos型敞车为例，制动装置包括空气制动装置和手制动装置。空气制动装置主要由具有自动空重车转换装置的控制阀、称重阀、制动缸、副风缸、闸调器、软管连接器、折角塞门、G-P转换装置、隔离装置，高摩合成闸瓦等零部件组成。图1为Eanos型敞车制动系统原理图。

手制动装置由手轮、螺旋减速器、拉杆等零部件组成，通过安装在车辆两侧的手轮进行操作。

其他类型的货车根据车体空间、装载情况及车辆长度等因素，制动系统配置会有不同形式的变化，比如罐车多采用两级空重车(手动或自动)调整装置,手制动装置安装在端部；关节式平车或驮背运输车的配置是2个控制阀或1个控制阀加1个中继阀的组合方式，控制3个制动缸，实现对3台转向架制动力的精确控制。

表1 DB货车编组的制动机G/P位切换情况实践

图1 Eanos型敞车制动系统原理图

目前，欧洲一些货车采用转向架集成制动装置，虽然单车价格高，但对于业主来说，全寿命周期成本并不高。集成制动装置除了自身优点外，也简化了货车制动装置系统布局，提高了货车车体设计的灵活性。

中车山东公司正在执行的欧洲项目，要求车辆能在地铁和国铁线路上运行，这就需要制动系统能够兼容地铁和国铁线路的不同制动响应时间、速度和减速度等，该车的制动配置采用1个控制阀加2个中继阀的组合模式，设置地铁和国铁工况切换手柄，实现国铁和地铁制动能力的切换，同时配备停放制动系统装置满足坡道停车的要求。

3 制动计算

3.1 空气制动计算

UIC欧洲铁路货车关于制动计算的标准规程以经验为主，计算的参数经过大量试验验证，比较符合实际应用情况。UIC 543:2018标准[2]规定了运行在S/SS模式下，货车的制动质量百分比通常在65%～125%之间。UIC 544-1:2014[3]标准详细说明了制动力、制动质量百分比的计算过程。EN 14531-1：2015+A1:2018[4]标准给出了制动距离、制动率、制动功率、制动质量百分比、制动质量、所需轮轨平均黏着系数等与制动相关的参数计算过程。对于机械制动系统，采用要计算平均减速度、所需轮轨平均黏着系数进行计算，而不需要对制动过程进行分段制动距离计算。由于欧洲合成闸瓦的摩擦因数较为稳定，计算时采用平均摩擦因数。Knorr-Bremse、Faiveley和Dako等欧洲制动公司在制动计算报告中会计算减速度、制动质量百分比、制动距离等参数。

区别于国内和AAR标准中使用制动率(纯制动率)来衡量车辆制动能力，UIC欧洲铁路货车普遍采用制动质量百分比来衡量车辆制动能力，见公式(1)。制动计算以UIC 544-1:2014及EN 14531-1:2015+A1：2018标准为基础。

(1)

式中：λ——制动质量百分比，%；

S——快速模式下的制动距离，m；

C，D——常数，见UIC 544-1:2014。

3.2 停放制动计算

根据UIC 543:2018和UIC 544-1:2014标准规定，对于新造货车采用螺旋式手制动机，手轮施加0.5 kN的力，计算最大载重下可以产生20 t的制动质量，同时保证利用的轮/轨(钢/钢)黏着系数不大于0.12。

停车制动装置在新版TSI[5]中并非强制要求，通常下需要进行通用安全方法(CSM)的评估，确定是否存在风险，然后确定是否需要安装该装置。

3.3 “关门车”计算

《铁路技术管理规程》规定编入列车的关门车数不超过现车总辆数的6%，而UIC标准中并没有关门车数量的说法，但是对列车的总体制动质量百分比进行了规定，即不超过标准允许的最小值。列车发车前需要计算列车的总体制动质量百分比，这也是UIC欧洲国家引入制动质量百分比的目的和根本所在。

4 制动试验

4.1 静态试验

单车静态制动试验需要符合UIC 547:1989标准[6]要求，进行气密性、灵敏度、阶段制动、阶段缓解、制动/缓解时间、制动缸压力、闸调器功能等测试，除此之外，还需要进行过球测试及闸瓦压力测试。

以DB Cargo公司的双层运输汽车的货车为例，过球测试要求直径20 mm的测试球能够从车辆一端软管穿过，从车辆另一端软管落出。闸瓦压力测试前各杠杆、圆销及润滑接触面需涂适量润滑脂，测试结果比理论计算值偏大。表2为闸瓦压力实测值。

表2 闸瓦压力实测值 kN

根据闸瓦压力测试值推算的传动效率为0.9～0.93，重车偏大一些，理论计算值是根据UIC 544-1:2014标准按照传动效率0.83计算，该传动效率是考虑了杠杆机构在2个维修间隔期的效率损失，如杠杆磨耗、圆销磨耗等影响因素，图2为传动效率随货车运用年限增加的基本变化趋势。此要求与国内货车非润滑状态下测试闸瓦压力要求(按照运装货车[2004]370号执行)有差别，计算的制动率(全车测试闸瓦总压力除以车辆标记质量)符合主机厂给定的范围即可，对于新造货车在润滑条件下闸瓦压力和制动率的变化，有必要进行测试并校核，以防止空车发生滑行。

图2 传递效率与货车运用年限的关系

4.2 紧急制动试验

被试车辆需要在线路上通过单车溜放试验进行紧急制动测试，测量紧急制动距离，从而验证制动质量百分比是否满足要求。通常的做法是，静止状态下接通试验编组和被试车辆的列车管，由机车向被试车辆制动系统充风。充至定压后，关闭试验编组和被试车辆间列车管折角塞门，摘开列车管。由机车牵引试验编组，当速度达到预定试验速度后，使被试车辆从试验编组中脱离、同时打开被试车辆的列车管折角塞门施行紧急制动，记录制动初速度、制动距离和时间、制动缸、列车管、副风缸压力及闸瓦压力。

以Eanos型敞车为例，该车需要进行空车、部分装载(此时制动缸压力达到最大值)、满载工况下的溜放试验。表3为线路制动溜放试验结果。该表中制动距离S是取样4次试验结果，并通过修正后确定的平均值；其中B=λ/车辆质量。

表3 制动溜放试验结果

通过溜放试验过程中测量的闸瓦压力，可以确定测试车辆实际的传动效率。表4为测试数据。

因被试车辆状态较好，传动效率较高，与车辆实际运用几年后的数值会有差别。因此，需要结合实际运行的平均传动效率(即：η=0.83)及正常制动缸压力，按照UIC 544-1:2014附件F.3.3公式修正平均制动距离，修正后的制动距离有所延迟但仍满足要求，制动质量百分比也满足要求。表5为制动溜放试验修正值。

表4 制动装置的动态传动效率

表5 制动溜放试验修正值

5 总结

虽然UIC欧州国家的铁路货车和国内的货车在制动制式、适应编组长度上均有明显区别，但是对于基础制动装置而言没有区别，均为杠杆式的传动装置。相比UIC标准对制动计算及试验的规定非常明确，国内缺乏相对系统完整的与之相对应的标准，尤其是制动计算时摩擦因数及传动效率的定义上，各主机厂的计算报告不统一，鉴于摩擦因数及传动效率对空车黏着校核和制动距离的影响，建议有关单位规范此方面的内容，形成标准体系。