铁路货车自动驻车技术研究

刘毅，全琼，申燕飞，杨建平，李谋逵，李果，毛富英

（眉山中车制动科技股份有限公司，四川眉山 620010）

驻车制动是铁路车辆的一种辅助备用制动技术，在空气制动力消除后，可使车辆继续保持制动力，防止车辆在轨道上移动引起安全事故。目前国内外大量采用的是手制动机，人力搬动手制动机，通过基础制动装置，在车辆制动摩擦副之间产生作用力，阻止车辆发生移动。

传统的手制动机优点是结构简单，具有制动、缓解和调力功能，通常增加滑轮或者辅助杠杆，以适应不同驻车制动力的要求。但也存在不足，比如驻车力的大小取决于操作者的力量大小；对操作者的依赖程度高，存在操作者在车辆运行前忘记缓解等误操作的情况，轮瓦没有脱开或脱开不充分，造成车辆带闸运行，导致踏面擦伤等安全隐患；对于整列车而言，要逐一进行驻车制动或者缓解的手动操作，费时费力，工作效率十分低下。

随着技术的发展，为减轻操作者的强度，防止手制动后列车开走而未释放手制动等误操作，国内外产生了新的驻车制动技术，即自动驻车制动。

自动驻车制动按制动力来源分为弹簧制动和保持制动。弹簧制动就是驻车制动力来自弹簧，靠压力空气作用压缩弹簧蓄能，驻车时，排压力空气，蓄能弹簧推动驻车机构形成制动力。该类型的驻车技术已广泛用在高铁、城轨地铁、机车、工程车的单元制动缸或踏面制动器上，技术非常成熟。另一种是保持制动，保持制动本身不产生制动力，而是将制动作用发生时的制动力依靠驻车机构保持住，驻车机构将制动缸活塞杆锁定不缓解而形成驻车制动力。

我国目前铁道货车绝大部分仍然是以手制动机为主。近些年来，国内出口车外方要求车辆带自动驻车装置。比如澳大利亚Royhill公司的漏斗车要求装自动驻车装置；国内的国能集团的自备车开始加装自动驻车装置。目前国内还没有一款成熟的、可靠的自动驻车装置，也没有相关的技术标准。

文中在对目前国内外铁路货车自动驻车技术进行分析的基础上，提出一种新的自动驻车技术方案，并对货车自动驻车技术提出建议。

1 国外自动驻车制动技术

国外驻车制动技术中弹簧蓄能驻车制动以KNORR公司的产品为代表，保持制动以西屋公司的产品为代表。

KNORR公 司 的TSPB（Tension Spring Park Brake）型驻车制动属于弹簧蓄能制动，如图1所示，其制动力大小取决于弹簧力。

图1 TSPB驻车制动缸装车图

TSPB型驻车制动缸替代手制动机，其活塞与制动缸前杠杆连接。列车管的压力空气通过驻车控制阀进入TSPB型驻车制动缸，压缩驻车缸体中的蓄能弹簧，使驻车制动缸处于缓解状态。当列车发生制动作用后，且列车管压力降低到某设定压力值时，驻车控制阀排出驻车制动缸的压力空气，驻车活塞在蓄能簧的作用下回退，从而带动制动缸前杠杆向制动方向运动，形成驻车制动。当列车管压力上升到设定压力后，驻车制动缸通过驻车控制阀充气，驻车活塞向缓解方向运动，带动制动缸前杠杆缓解。这类驻车制动，驻车控制阀一般都有制动力防迭加功能。

西屋公司在集成制动装置上的制动缸带驻车机构，如图2所示，属于保持制动。制动缸活塞杆外表面为非自锁螺纹，与之配合的螺母外表面为棘轮，也叫棘轮螺母，如图3所示，靠棘爪来控制棘轮转动，从而控制螺母的转动。

图2 制动缸（集成驻车制动）安装在转向架上

图3 制动缸（集成驻车制动）示意图

当列车管压力大于设定值时，列车管的压力空气通过驻车控制阀引入棘爪控制机构中，棘爪与棘轮脱开，棘轮处于自由状态。制动时，压力空气进入制动缸，推动活塞向制动方向移动，螺杆带动棘轮螺母转动；缓解时，活塞在缓解弹簧的作用下回退，棘轮螺母反方向转动（与制动时的转动方向比较），此时，与普通的制动缸没有区别。

当发生制动作用，且列车管压力降低到设定压力时，驻车控制阀排棘爪控制机构中的压力空气，棘爪控制机构中的蓄能簧带动棘爪与棘轮螺母啮合，棘轮螺母仅允许活塞杆（非自锁螺纹）向制动方向单向运动，缓解方向不能运动，与之啮合的活塞杆也就被锁定在制动位，即使制动缸中的压力空气完全漏泄，制动缸也处于制动位，即完成驻车制动。

当列车管压力升高到设定值时，列车管的压力空气通过驻车控制阀引入棘爪控制机构中，棘爪控制机构带动棘爪离开棘轮螺母，解除对棘轮螺母的限制，制动缸活塞（活塞杆）在缓解弹簧的作用下回退。处于驻车制动的制动缸，且制动缸中无压力空气时，可以通过手动缓解拉条，拉动棘爪离开棘轮螺母，实现驻车制动缸缓解。

保持制动本身不产生制动力，而是保持空气制动时的作用力。也即驻车制动力的大小取决于最终空气制动力，最大制动力就是全制动或紧急制动力。

KNORR公司的TSPB型驻车制动替代手制动机，利用列车管压力信号变化，自动实现驻车制动及缓解，并且能在无压力空气时，反复实施手动制动、缓解。西屋公司的驻车制动属于保持制动，是在制动作用发生后，当列车管压力降低到某设定值时，驻车机构动作，将活塞杆锁定，阻止其回退，即使制动缸中的压力漏泄为0，驻车制动不受影响，只有一次手动缓解。上述2种驻车制动，都能实现自动驻车制动。

2 国内自动驻车制动技术

我国自动驻车技术在货车上的运用目前处于起步阶段。

APB-1型驻车制动装置是国内一款自动驻车制动装置，如图4所示。列车管的压力空气通过驻车控制阀进入驻车制动缸，该装置具备自动制动、自动缓解功能，同时具备手动缓解功能。

图4 APB-1型驻车制动器

国内某公司出口机车配置的国产弹簧制动器，如图5所示，直接与制动缸前杠杆连接，实现驻车制动，其中红色的手柄用于手动缓解。

图5 某出口机车装用的弹簧制动器

上述2款驻车制动装置均属于弹簧蓄能制动，近年来国内出现了保持制动产品。比如C80车安装的防溜器，如图6所示。防溜器连接器体（图6中的件号1）、新增的连杆系统与制动前杠杆连接，列车管压力空气从图示的法兰进入防溜器，防溜器处于缓解位。发生制动作用时，防溜器连接器体缩进防溜作用机构3中，当列车管压力降低到设定压力时防溜器动作，将防溜器连接器体1锁定而不能后退，结果是制动前杠杆不能回退，从而保持制动力，起到驻车防溜作用。防溜器能够通过快缓解机构5缓解驻车作用。

图6 车辆自动防溜器组成示意图

从上述分析中知，自动驻车装置中无论是弹簧制动的TSPB、APB-1，还是保持制动中的自动防溜器都是与制动缸前杠杆相连，代替手制动机，利用列车管压力信号，实施自动驻车制动、缓解。不仅需要增加控制信号管路，也需要改动车体底部布局以适应自动驻车装置的安装，增加了车体的设计及改造难度。下面介绍一种将驻车制动集成在既有制动缸上的自动驻车技术，即MPB-1型自动驻车制动缸。

3 MPB-1型自动驻车制动缸

3.1 驻车制动缸在制动系统中的布置

MPB-1型驻车制动缸在外形上与既有制动缸类似，如图7所示，接口一致，可以直接替换目前的制动缸。从货车制动管取压力空气通过驻车控制阀引入制动缸驻车机构，如图8所示，在货车制动管压力低于设定压力值时，自动实施驻车制动。MPB-1型自动驻车技术属于保持制动。

图7 MPB-1型驻车制动缸

图8 驻车制动缸在制动系统中布置（安装）

MPB-1型驻车制动缸在普通制动缸前盖上集成驻车制动机构，从列车管引入压力空气，在列车运行过程中，驻车机构在列车管压力作用下处于缓解状态。制动作用发生，且列车管压力降低到设定压力时，驻车机构动作，结果是将制动缸活塞杆锁定而无法回退，即使制动缸中的压力降低为0，制动缸也不能缓解，起到驻车制动作用。当列车管压力增加，驻车机构解锁，活塞杆在缓解弹簧作用下回退，制动缸缓解。当列车管由于某些原因没有压力空气时，驻车制动缸也可以通过手动缓解机构对驻车机构进行缓解。

保持制动制动力的大小取决于制动作用发生直至列车停止时的制动力，停车时的制动力大，保持制动力就大，所以在车辆停稳后，司机可以通过追加减压制动，以提高制动力，从而提高驻车制动力；保持制动不能重复手动制动、缓解，但其制动缸与驻车制动集成在一起，结构更为紧凑。

3.2 结构介绍

MPB-1型驻车制动缸结构如图9所示，缸体及缸座组成与现有制动缸完全一致。主要区别是活塞组成、前盖组成，并增加驻车机构。

图9 MPB-1型驻车制动缸结构

3.2.1 活塞组成

活塞组成中活塞采用冲压工艺，以减轻活塞重量。通过锁圈将Y形密封圈锁固，减小密封圈涨大的趋势［1］，防止其脱落。为承受驻车制动时来自推杆的作用力，推杆座与活塞杆27螺纹连接，活塞杆与活塞焊接相连，推杆座不能轴向移动，如图10所示。活塞杆外圆周有环状沟槽，驻车制动时，驻车机构中的驻车锁圈径向收缩，卡住该凹槽，如图11所示，防止活塞杆后退，实现锁紧。

图10 活塞组成

3.2.2 驻车机构

驻车机构主要由3部分构成，如图11所示：锁紧机构、驻车缸组成及手动缓解机构构成。通过安装座与前盖组成螺纹相连。

图11 锁紧机构示意图

锁紧机构主要由安装座、驻车锁圈、锁头及斜楔构成。当制动作用发生后，且列车管压力低于设定值时，蓄能簧推动驻车活塞、复位套，推动斜楔向左运动，斜楔推动锁头向上移动，驻车锁圈在锁头的作用下收拢，卡住活塞杆上的环形槽，起驻车制动作用。

3.2.3 驻车缸组成

驻车缸组成如图12所示，主要由安装座构成的缸体、驻车活塞、Y形密封圈、蓄能簧及限位筒构成。

图12 驻车缸组成示意图（充气缓解）

列车管的压力空气通过左边的法兰接头、过滤器，进入驻车活塞的左腔室，左边活塞杆通过O形圈密封，活塞通过Y形密封圈与缸体密封，压力空气压缩蓄能簧，直到与限位筒接触。

当制动作用发生后，列车管压力空气降低到设定值，驻车控制阀排驻车缸压力空气，蓄能簧推动活塞左移，推动复位套，进而推动斜楔，锁头径向向上运动，将驻车锁圈收拢，卡住活塞杆上的环形凹槽，阻止活塞回退，起驻车制动作用，如图13所示。

图13 驻车缸组成示意图（驻车制动）

再次充气时，驻车活塞右移，缓解螺钉带动斜楔右移，锁头在驻车锁圈的作用下径向外移，驻车锁圈复原，制动缸活塞在缓解弹簧的作用下回退缓解。

3.2.4 手动缓解机构

在列车管没压力空气，无法靠压力空气来克服蓄能簧的作用来缓解时，可拉动手动缓解机构来实现，如图14所示。

图14 手动缓解机构示意图

手动缓解过程中，斜楔在拉环的作用下右移，斜楔将来自拉环的力传递给复位套，再传递给驻车活塞，最后传递给蓄能簧，压缩蓄能簧。与此同时，手动缓解锥柄在拉环的作用下向右移，与其锥面配合的卡销有径向外移的趋势，但是由于限位套的限制不能外移，当卡销随手动缓解机构右移到不受限位套限制的位置时，卡销径向伸出，如图15所示，释放拉环时，卡销被限位套卡住不能缩回，并在蓄能簧的作用力下锁定在限位套台阶上，如图16、图17所示。此时活塞右端面与限位套有一定距离，当列车管充气时，驻车活塞在压力空气作用下克服蓄能簧的作用力右移，卡销与限位套脱离，卡销在卡销簧的作用下缩进手缓安装座，为下次驻车制动做好准备。

图15 手动缓解机构卡销伸出

图16 手动缓解机构卡销被锁定

图17 手动缓解机构卡销被锁定在限位套上

3.3 工作原理

3.3.1 驻车机构充气解锁（缓解）状态

列车在行驶过程中，列车管的压力空气通过进气管座，过滤器充入驻车活塞的左侧，压缩蓄能簧，直到限位筒限位，驻车活塞不再向右运动，同时，手动缓解机构在活塞的带动下向右移动，通过缓解螺钉带动斜楔右移，锁头径向外移，驻车机构处于解锁（缓解）状态，制动缸也处于缓解状态如图18所示。

图18 制动缸缓解状态（驻车机构解锁）

制动缸处于制动状态如图19所示，但是列车管的压力空气没有降低到设定值，而是足以克服蓄能簧的作用力，驻车机构处于解锁状态。压力空气进入活塞组成的左侧推动活塞向制动方向运动，制动力通过推杆头座，推动推杆，推杆推动基础制动装置产生制动力，此时驻车锁圈未内缩，与活塞杆径向有间隙（图19）。

图19 制动缸制动状态（驻车机构解锁）

3.3.2 驻车机构排气锁止（驻车）状态

列车制动时，列车管空气压力降低，与之相连的驻车活塞左侧压力降低，当压力空气作用在活塞上的力不足以平衡蓄能簧的作用力时，蓄能簧推动驻车活塞向左运动，驻车活塞推动复位套，进而推动斜楔向左运动，斜楔通过斜面推动锁头径向上移，使得驻车锁圈内收，卡住因为制动而伸出的活塞杆（图10中）的环形凹槽，如图20所示，活塞杆就不能回退。

图20 制动缸驻车制动状态（驻车机构锁止）

驻车机构充气解锁：当列车缓解时，列车管空气压力升高，推动驻车活塞向右运动，直到限位套挡住不能继续，同时手动缓解机构带动斜楔回退，锁头在驻车锁圈复原力的作用下下移，驻车锁圈复位而离开活塞杆的环形凹槽，完成锁紧机构的解锁，活塞组成在缓解簧的作用下回到缸体底部，缓解结束（图18）。

3.3.3驻车机构手动解锁（手动缓解）状态

驻车机构除了充气解锁外，也可以手动解锁。当没有压力空气充入驻车缸腔室（驻车活塞左侧）又需要解锁时，拉动拉环，通过手动缓解机构拉动斜楔右移，锁头在驻车锁圈复原力的作用下下移，驻车锁圈复位而离开活塞杆的环形凹槽，完成锁紧机构的解锁。

3.4 试验验证

MPB-1型自动驻车制动缸是在既有制动缸的基础上增设了驻车制动机构，根据TB/T 2838对驻车制动缸进行例行试验、型式试验，试验结果表明满足标准要求。文中重点关注其驻车制动力试验。

驻车制动力试验装置如图21所示，用4根弹簧模拟基础制动装置的弹性变形，弹簧设计依据是空车位制动行程155 mm，重车位行程195 mm，对应的制动缸压力分别为140 kPa，360 kPa。试验数据见表1。

表1 驻车制动缸试验记录

图21 驻车力测试试验台

以C80B为例来看驻车制动力情况，坡道按30‰计算，驻车能力见表2。

表2 驻车能力

从表2可知，C80B车在30‰的坡道上停驻，空车安全系数1.23，重车在列车管定压500 kPa时安全系数1.08，定压600 kPa时安全系数1.26。当然，目前C80B运行路线的最大坡道不超过15‰，安全系数翻倍。

4 结论及建议

MPB-1型自动驻车制动缸与现有制动缸接口保持一致，增设了驻车制动机构，当列车管压力降低至设定值时，驻车机构动作，锁定活塞杆，阻止活塞杆回退，起保持制动作用，即使制动缸压力空气完全漏泄，驻车制动力也能保持。

已驻车的MPB-1型自动驻车制动缸可以通过列车管充风来缓解，当列车管压力超过设定值时，驻车机构动作，解除对活塞杆的锁定；当列车管无压力空气时，也可以通过手动缓解机构缓解驻车制动。

通过性能试验、疲劳试验等试验验证结果表明，MPB-1型自动驻车制动缸性能参数能够满足TB/T 2838的要求，驻车制动力满足30‰的坡道驻车要求。

高铁动车、城轨地铁、机车、工程车上已广泛运用自动驻车制动技术，在制定货车驻车制动标准时，明确驻车制动技术不应影响列车的编组，具有快速手动缓解功能，便于列车编组前的摘管、排风操作。就驻车技术而言，建议优先采用保持制动，将制动缸与驻车机构集成在一起，实现自动驻车制动，也便于既有车辆的改造。