鐵路貨車制動(dòng)系統(tǒng)輕量化分析與思考

張俊林

摘 要：重載和快捷是當(dāng)今世界鐵路貨車發(fā)展的兩大主要方向，輕量化是重載和快捷鐵路貨a車的關(guān)鍵技術(shù)。通過對(duì)鐵路貨車制動(dòng)系統(tǒng)的現(xiàn)狀分析，提出了制動(dòng)系統(tǒng)輕量化的思路和途徑，有助于提高鐵路貨車的輕量化水平。

關(guān)鍵詞：鐵路貨車；制動(dòng)系統(tǒng)；輕量化

中圖分類號(hào)：U272 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-8937（2015）14-0118-01

重載和快捷是當(dāng)今世界鐵路貨車發(fā)展的兩大主要方向，也是提高鐵路貨物運(yùn)輸能力和綜合經(jīng)濟(jì)效益的有效途徑，我國(guó)目前正在研發(fā)27 t、30 t軸重等大軸重鐵路貨車，同時(shí)隨著電商物流的興起和快速發(fā)展，也在積極研發(fā)時(shí)速160～220 km/h的快捷貨車。無論重載還是快捷，對(duì)車輛輕量化都提出了更高的要求。輕量化是減輕車輛自重、提高載重的關(guān)鍵技術(shù)，開展貨車輕量化設(shè)計(jì)，降低車輛自重系數(shù)，提高列車運(yùn)輸能力，實(shí)現(xiàn)更大的運(yùn)輸經(jīng)濟(jì)效益。

鐵路貨車一般由車體、轉(zhuǎn)向架、鉤緩裝置、制動(dòng)系統(tǒng)等組成，車輛輕量化可以在上述各個(gè)方面進(jìn)行，關(guān)于車體、轉(zhuǎn)向架等結(jié)構(gòu)的輕量化論述已較多，本文主要從制動(dòng)系統(tǒng)方面探討輕量化的相關(guān)問題。

1 鐵路貨車制動(dòng)系統(tǒng)輕量化的意義

制動(dòng)系統(tǒng)作為鐵路貨車的附屬裝置，本身并不承擔(dān)車輛運(yùn)行載荷，雖為車輛正常運(yùn)行不可缺少的裝置，但其自重實(shí)屬車輛“無效重量”。以C80B型運(yùn)煤敞車為例，其制動(dòng)系統(tǒng)風(fēng)制動(dòng)裝置重量為470 kg，相當(dāng)于車輛常年背負(fù)近500 kg的無效質(zhì)量循環(huán)運(yùn)行。對(duì)制動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)，不但可以將無效重量轉(zhuǎn)化為有效貨物載重，提高車輛運(yùn)輸經(jīng)濟(jì)效益，而且可以減少列車空車運(yùn)行能耗，達(dá)到節(jié)能減排的環(huán)保效果。仍以C80B型運(yùn)煤敞車為例，假定其年運(yùn)行里程為10萬 km，按煤炭噸公里運(yùn)價(jià)0.1元計(jì)算，如果制動(dòng)系統(tǒng)中有300 kg的自重轉(zhuǎn)化為有效載重貨物，每年可增加運(yùn)輸收入0.3萬元，以車輛使用壽命25 a計(jì)算，一輛C80B型運(yùn)煤敞車在其壽命周期內(nèi)可以增收7.5萬元，輕量化經(jīng)濟(jì)效益可觀。

2 制動(dòng)系統(tǒng)的鋁合金輕量化

鋁合金材料的密度約為鋼材的1/3，具有比許多合金鋼材料更高的比強(qiáng)度，以鋁代鋼是實(shí)現(xiàn)制動(dòng)系統(tǒng)配件輕量化的一個(gè)重要途徑。制動(dòng)系統(tǒng)是貨車上起制動(dòng)作用的零部件組成的一整套機(jī)構(gòu)，主要由控制閥、副風(fēng)缸、加速緩解風(fēng)缸、制動(dòng)缸、制動(dòng)杠桿、制動(dòng)管和管接頭等組成。制動(dòng)系統(tǒng)配件非車輛主要承載構(gòu)件，對(duì)使用材料力學(xué)性能指標(biāo)要求不是很高，可采用鋁合金材料替代既有的鋼質(zhì)材料，實(shí)現(xiàn)制動(dòng)配件的鋁合金輕量化。

2.1 控制閥

控制閥是制動(dòng)系統(tǒng)的主要部件，是制動(dòng)系統(tǒng)壓力空氣交換和分配的樞紐。以當(dāng)前通用鐵路貨車主要使用的120閥為例，其自重約45 kg，采用不銹鋼材質(zhì)，承受最高600 kPa的空氣壓力，適合采用鋁合金材料實(shí)現(xiàn)輕量化?？酥Z爾公司制造的DB60型鋁合金控制閥及其鋁合金支架，均采用鋁合金材料鑄造而成，自重分別較鋼質(zhì)結(jié)構(gòu)降低50%以上，同時(shí)具有良好的耐腐蝕性，外形美觀，結(jié)構(gòu)可靠。

2.2 儲(chǔ)風(fēng)缸

儲(chǔ)風(fēng)缸作為車輛壓縮空氣的存儲(chǔ)裝置，工作壓力≤60 kPa，屬于低壓容器范疇。我國(guó)既有儲(chǔ)風(fēng)缸均采用不銹鋼材質(zhì)。采用鋁合金材質(zhì)并進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，可大幅降低儲(chǔ)風(fēng)缸自重。目前國(guó)內(nèi)已進(jìn)行了11 L、28 L、40 L及150 L等多種常用規(guī)格鋁合金儲(chǔ)風(fēng)缸的研制和相關(guān)試驗(yàn)，結(jié)果表明：鋁合金儲(chǔ)風(fēng)缸可以降低自重60%以上，性能完全滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求，輕量化成效顯著。

2.3 制動(dòng)管路

制動(dòng)管路是車輛制動(dòng)壓力空氣的傳輸管路，承受最高600 kPa的管壓力，對(duì)強(qiáng)度、硬度等力學(xué)性能指標(biāo)要求不高，適合采用鋁合金材質(zhì)替代既有不銹鋼材質(zhì)，輕量化效果顯著。以C80B型運(yùn)煤敞車為例，當(dāng)制動(dòng)管路全部采用鋁合金材質(zhì)時(shí)，重量減少約70 kg。

2.4 制動(dòng)杠桿

基礎(chǔ)制動(dòng)裝置制動(dòng)杠桿一般安裝于制動(dòng)缸前后或轉(zhuǎn)向架制動(dòng)梁，主要用于傳遞制動(dòng)力，非制動(dòng)狀態(tài)下不承受外力。隨著鋁合金材料機(jī)械性能的逐漸提高，高強(qiáng)度鋁合金材料不斷出現(xiàn)，相關(guān)計(jì)算表明，采用合理的鋁合金材料、杠桿厚度及結(jié)構(gòu)形狀，制動(dòng)杠桿采用鋁合金材料完全具有極強(qiáng)可行性，預(yù)計(jì)可減重50%以上。由于鋁合金材料的耐磨性較差，采用鋁質(zhì)杠桿時(shí)，杠桿孔處需進(jìn)行鋼套植入等特殊處理。

2.5 管接頭及其它制動(dòng)配件

除上述制動(dòng)件外，制動(dòng)系統(tǒng)的各種閥件（限壓閥、傳感閥等）、制動(dòng)管接頭、組合式集塵器管、折角塞門、制動(dòng)管接頭等均適宜采用鋁合金材料實(shí)現(xiàn)輕量化。

3 采用中繼間接式制動(dòng)系統(tǒng)

當(dāng)前我國(guó)鐵路貨車制動(dòng)機(jī)主要采用120型控制閥，該閥為直接作用式。其副風(fēng)缸壓力空氣不僅參與制動(dòng)、緩解作用的控制，而且還要向制動(dòng)缸充氣，其缺點(diǎn)是分配閥只能與固定尺寸的制動(dòng)缸和副風(fēng)缸配套使用，其品種將隨車輛載重量（或總重）等級(jí)不同而增多，因而一個(gè)控制閥只能控制單個(gè)車輛的1個(gè)（或2個(gè)）制動(dòng)缸，控制一個(gè)以上車輛的制動(dòng)缸難以實(shí)現(xiàn)。因此，采用120型控制閥的鐵路貨車通常采用單車單閥的配置型式，即每個(gè)車輛均配置獨(dú)立的控制閥，這也是我國(guó)鐵路貨車制動(dòng)系統(tǒng)目前采用的主要型式。

120型控制閥經(jīng)過多年的運(yùn)用考驗(yàn)，已證明其技術(shù)成熟、運(yùn)用可靠，因而可以預(yù)計(jì)在未來的較長(zhǎng)時(shí)期內(nèi)，我國(guó)鐵路貨車控制閥仍主要采用120閥。隨著車輛輕量化水平的提高，在不改變既有120型閥制動(dòng)機(jī)基本配置的前提下，如何增加單個(gè)控制閥控制的制動(dòng)缸數(shù)量，進(jìn)而改變單車單閥的配置型式，從而實(shí)現(xiàn)制動(dòng)系統(tǒng)的輕量化是一個(gè)值得思考的問題。借鑒間接作用式分配閥的控制原理，在既有貨車制動(dòng)系統(tǒng)中引入中繼閥，可在不改變既有120閥制動(dòng)機(jī)基本配置的條件下，將直接作用式制動(dòng)系統(tǒng)改造為間接作用式，從而可以改變單車單閥的制動(dòng)配置型式，采用一個(gè)控制閥控制一個(gè)以上車輛的制動(dòng)缸，最終減少列車控制閥數(shù)量，實(shí)現(xiàn)制動(dòng)系統(tǒng)的輕量化。

采用基于120型控制閥的間接作用式制動(dòng)系統(tǒng)可以減少列車制動(dòng)閥的數(shù)量，從而降低車輛自重，同時(shí)也降低了制動(dòng)系統(tǒng)的制造、檢修及運(yùn)用成本。實(shí)踐運(yùn)用中可以根據(jù)車輛結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，采用2車1閥、3車2閥或5車3閥等型式，均可減少制動(dòng)閥的數(shù)量，獲得不同程度的輕量化效果。

4 制動(dòng)系統(tǒng)輕量化實(shí)例

采用上述制動(dòng)系統(tǒng)輕量化技術(shù)措施，可以大幅降低制動(dòng)系統(tǒng)的自重，提高制動(dòng)系統(tǒng)乃至車輛整體的輕量化水平。以C80B型敞車為例，如按5車3閥的配置方案，同時(shí)采用上述配件輕量化措施，平均每輛車可減輕自重約320 kg。

5 結(jié) 語

在保證鐵路貨車制動(dòng)系統(tǒng)安全、可靠的前提下，采用輕量化技術(shù)可有效降低制動(dòng)系統(tǒng)自重，提高車輛載重和運(yùn)輸能力。本文提出了采用5車3閥、采用鋁合金材料等技術(shù)措施實(shí)現(xiàn)制動(dòng)系統(tǒng)輕量化的一些做法和思路，同時(shí)也進(jìn)行了相關(guān)試驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果表明，制動(dòng)裝置實(shí)現(xiàn)輕量化在技術(shù)上是完全可行的。

雖然制動(dòng)系統(tǒng)輕量化技術(shù)可行，但在實(shí)際運(yùn)用中卻涉及與既有車輛的互換性等諸多技術(shù)管理問題，尤其是5車3閥等措施不適用于非固定編組的通用貨車，但對(duì)于目前正在蓬勃發(fā)展的重載、快捷等專用貨車，如果列車固定編組運(yùn)行，就可體現(xiàn)出制動(dòng)系統(tǒng)輕量化技術(shù)經(jīng)濟(jì)性的巨大優(yōu)勢(shì)?？梢灶A(yù)計(jì)，隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，用戶對(duì)鐵路貨車技術(shù)經(jīng)濟(jì)性的要求會(huì)越來越高，制動(dòng)系統(tǒng)輕量化將是鐵路貨車發(fā)展的必然趨勢(shì)。

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