70年來我國鐵路機(jī)車車輛制動(dòng)技術(shù)的發(fā)展歷程

李和平， 嚴(yán)霄蕙

(1 中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 機(jī)車車輛研究所， 北京 100081；2 北京電子科技職業(yè)學(xué)院 經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院, 北京 100176)

(一)

自1876年中國大地上出現(xiàn)第1條營業(yè)鐵路--吳淞鐵路建成通車之日起，到1949年解放前夕，舊中國在70余年僅僅修建了2.7萬余公里鐵路,其中能夠維持通車的只有2.2萬公里。新中國建立后，作為國民經(jīng)濟(jì)的大動(dòng)脈，鐵路得到快速發(fā)展，截止2018年底，我國鐵路總里程已達(dá)到13.1萬公里，其中高速鐵路2.9萬公里，占全世界總里程的2/3。2017年6月26日代表著世界先進(jìn)水平、被命名為復(fù)興號(hào)的兩列中國標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組在京滬高鐵亮相，開啟了中國鐵路技術(shù)裝備新時(shí)代。回眸70年來我國鐵路機(jī)車車輛制動(dòng)技術(shù)的發(fā)展和變化，每一步都印證著我國鐵路的發(fā)展和技術(shù)進(jìn)步。

1 制動(dòng)機(jī)簡統(tǒng)化及仿制階段

新中國剛剛成立時(shí)，所有的鐵路運(yùn)輸設(shè)備均為國外生產(chǎn)。機(jī)車車輛制動(dòng)裝置型號(hào)也十分繁雜,蒸汽機(jī)車大多裝備ET-6 型制動(dòng)機(jī)?？蛙嚧蠖酁镻M 型和LN 型制動(dòng)機(jī)和少量的AV 型制動(dòng)機(jī)。貨車則以K1、K2型制動(dòng)機(jī)為主, 其他則為QA、Q SL P、H、Q SHU 等雜型閥。這些制動(dòng)閥基本上是20世紀(jì)20年代之前的國外產(chǎn)品。據(jù)1950年的統(tǒng)計(jì)，客貨車輛中只有一部分安裝了制動(dòng)閥，其余有的只安裝了過風(fēng)管、有的安裝了手制動(dòng)機(jī)或者安裝了過風(fēng)管及手制動(dòng)機(jī)，還有很多車輛沒有任何制動(dòng)設(shè)施，給運(yùn)用和檢修帶來了很大困難。

為適應(yīng)鐵路運(yùn)輸?shù)男枰?，車輛安裝空氣制動(dòng)機(jī)成了首要工作。20世紀(jì)50年代初齊齊哈爾車輛廠建立了制動(dòng)機(jī)車間，先后生產(chǎn)出客車用的P型和LN型三通閥、貨車用K型三通閥和蒸汽機(jī)車用的ET-6制動(dòng)機(jī)，改寫了我國不能生產(chǎn)制動(dòng)機(jī)的歷史。經(jīng)過整修和改造,全部車輛陸續(xù)裝備了空氣制動(dòng)裝置。在此基礎(chǔ)上，對(duì)空氣制動(dòng)機(jī)進(jìn)行了簡統(tǒng)化，客車統(tǒng)一采用P型和LN型三通閥、貨車統(tǒng)一采用K型三通閥，逐步淘汰了各種雜型閥。1951年第一次公布了制動(dòng)機(jī)檢修規(guī)則，建立了檢修制度，設(shè)置了試驗(yàn)設(shè)備。

隨著國民經(jīng)濟(jì)的恢復(fù)和發(fā)展，鐵路運(yùn)輸?shù)目拓涍\(yùn)量均大幅提高，貨車的載質(zhì)量由30 t提高到50～60 t，客運(yùn)列車編組也由12輛增加到13～15輛。1953年鐵道科學(xué)研究院大連鐵道研究所曾在120輛貨車制動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)上對(duì)K型三通閥進(jìn)行了制動(dòng)、 緩解和充風(fēng)性能試驗(yàn)。試驗(yàn)表明列車牽引120 輛、機(jī)車使用ET-6 型制動(dòng)機(jī)操縱, 制動(dòng)時(shí)突出的問題是列車施行小減壓量時(shí)尾部車輛不發(fā)生制動(dòng)作用, 這是因?yàn)镵型三通閥制動(dòng)波速低, 列車緊急制動(dòng)時(shí)其波速只有180 m/s, 常用制動(dòng)只有85 m/s。K型三通閥由于沒有空重車裝置，載重50 t以上的貨車在重車時(shí)制動(dòng)率只有20%左右，不能滿足制動(dòng)的要求，而且存在靈敏性差、緊急制動(dòng)作用不可靠、制動(dòng)時(shí)列車制動(dòng)力不均勻造成縱向沖動(dòng)大等問題?？蛙囀褂玫腖3型三通閥由于緊急制動(dòng)作用靈敏度低，導(dǎo)致列車僅前部車輛發(fā)生緊急制動(dòng)作用，列車后部車輛不起緊急，無法保證列車安全。P型三通閥常用制動(dòng)不穩(wěn)定，往往在常用制動(dòng)時(shí)發(fā)生緊急制動(dòng)，給列車造成沖擊，同樣影響行車安全。

當(dāng)時(shí)迫切需要解決的首先是貨車制動(dòng)性能不能滿足貨運(yùn)量急劇增長的問題。起初曾嘗試在60 t貨車上每輛車安裝兩套K型三通閥的方法(空車時(shí)使用一套、重車時(shí)使用兩套)。但是這種方式既不經(jīng)濟(jì)也不合理。1954年鐵道部在大連召開制動(dòng)專業(yè)會(huì)議，會(huì)議的重點(diǎn)是討論K型三通閥改造問題。在這次會(huì)議上，蘇聯(lián)專家介紹了蘇聯(lián)的制動(dòng)技術(shù)，恰逢全社會(huì)各行各業(yè)大張旗鼓掀起學(xué)習(xí)蘇聯(lián)經(jīng)驗(yàn)熱潮，會(huì)議轉(zhuǎn)而決定引進(jìn)和采用蘇聯(lián)的MTЗ-135分配閥。然而在采用MTЗ-135分配閥的車輛與采用K型三通閥車輛混編時(shí)出現(xiàn)制動(dòng)性能不協(xié)調(diào)等問題。這主要是因?yàn)镵型三通閥(包括客車用的P、L型三通閥)屬于二壓力控制的軟性制動(dòng)機(jī)，這種制動(dòng)機(jī)是利用列車管與副風(fēng)缸的壓力差來控制制動(dòng)機(jī)的制動(dòng)、保壓和緩解作用的(見圖1)。 軟性制動(dòng)機(jī)具有階段制動(dòng)和一次緩解性能，列車緩解較容易。當(dāng)列車需要緩解時(shí)，只要列車管壓力比副風(fēng)缸壓力高10～15 kPa就能使車輛達(dá)到緩解的目的。而MTЗ-135分配閥屬于三壓力控制的硬性制動(dòng)機(jī)，這種制動(dòng)機(jī)是利用列車管、工作風(fēng)缸和制動(dòng)缸的壓力差控制分配閥的作用, 具有階段制動(dòng)和階段緩解性能，但必須把列車管壓力升到制動(dòng)之前的壓力值才能使列車完全緩解(見圖2)。兩種制動(dòng)機(jī)性能不同，制動(dòng)和緩解作用不一致。尤其是緩解作用差異更大，軟性制動(dòng)機(jī)只要列車管一充風(fēng)，列車就能夠緩解了，而硬性制動(dòng)機(jī)必須等到列車管充風(fēng)至定壓才能徹底緩解。

圖1 二壓力制動(dòng)機(jī)示意圖(圖中：4-副風(fēng)缸、6-直接連通列車管)

圖2 三壓力制動(dòng)機(jī)示意圖(圖中：3-工作風(fēng)缸、9-制動(dòng)缸、12-列車管)

應(yīng)該指出，MTЗ-135分配閥本身具有良好的制動(dòng)性能，但該閥屬于歐洲普遍使用的三壓力硬性制動(dòng)機(jī)，而我國鐵路普遍使用的是二壓力軟性制動(dòng)機(jī)，兩種制動(dòng)機(jī)混編時(shí)制動(dòng)性能無法匹配。當(dāng)時(shí)國內(nèi)對(duì)硬性制動(dòng)機(jī)性能認(rèn)識(shí)不足，也缺乏運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)，盲目引進(jìn)，導(dǎo)致失敗。最終只能停止引進(jìn)和使用MTЗ-135分配閥及類似空氣制動(dòng)機(jī)，而把重點(diǎn)轉(zhuǎn)移到對(duì)K型三通閥的改進(jìn)工作。

K型三通閥的改進(jìn)工作由(當(dāng)時(shí)為鐵道部鐵道研究所)大連分所(1952年成立了制動(dòng)研究室)和齊齊哈爾車輛廠承擔(dān)。在改進(jìn)K型三通閥的同時(shí)，增設(shè)手動(dòng)空重車調(diào)整裝置、采用直徑φ356 mm的制動(dòng)缸。1957年完成了試制工作，1958年4月完成了靜止試驗(yàn)、運(yùn)行試驗(yàn)和大坡道試驗(yàn)。在1958年5月鐵道部組織召開的制動(dòng)專業(yè)會(huì)議上通過了技術(shù)鑒定，并決定推廣應(yīng)用。這就是至今仍在使用的GK型貨車制動(dòng)機(jī)。GK型制動(dòng)機(jī)可實(shí)現(xiàn)制動(dòng)力分階段上升，減少了列車的縱向沖動(dòng)，基本上解決了50～60 t貨車制動(dòng)技術(shù)問題。

1958年當(dāng)時(shí)鐵道科學(xué)研究院機(jī)車車輛研究所和金屬化學(xué)研究所合作開始研制中磷鑄鐵閘瓦。在此之前，我國鐵路均采用灰生鐵閘瓦。相對(duì)于鑄鐵閘瓦，中磷閘瓦摩擦系數(shù)可提高20～25%，耐磨性提高50%。1960年中磷閘瓦通過了鐵道部組織的鑒定，1962年開始全路推廣應(yīng)用。GK型制動(dòng)機(jī)與中磷閘瓦成了20世紀(jì)60年代貨車的標(biāo)配。GK型制動(dòng)機(jī)與中磷閘瓦配合使用，使當(dāng)時(shí)以50t載重貨車為主的貨運(yùn)列車運(yùn)行速度由40～50 km/h提高到80 km/h，為我國鐵路運(yùn)輸做出了重要貢獻(xiàn)。

上世紀(jì)50年代末，對(duì)客車P型三通閥的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)，將棒型節(jié)制桿改為平面型的滑閥(見圖3)，解決了常用制動(dòng)不確定的問題，在全國推廣后取得了良好的效果。

圖3 P型三通閥的結(jié)構(gòu)改進(jìn)

上世紀(jì)50年代，我國鐵路機(jī)車只有蒸汽機(jī)車，機(jī)車普遍采用ET-6制動(dòng)機(jī)。該制動(dòng)機(jī)是上世紀(jì)初出現(xiàn)在美國并開始使用。ET-6制動(dòng)機(jī)總風(fēng)缸容量小，越來越不適應(yīng)長編組列車的要求。早期國內(nèi)生產(chǎn)的ET-6制動(dòng)機(jī)關(guān)鍵部件H-6自動(dòng)制動(dòng)閥由于缺乏經(jīng)驗(yàn)，閥座的緊急排風(fēng)口通路太小，導(dǎo)致排風(fēng)速度太慢，使列車經(jīng)常出現(xiàn)不起緊急制動(dòng)現(xiàn)象，雙機(jī)重聯(lián)時(shí)問題更為嚴(yán)重。鐵科院調(diào)查了全國各機(jī)務(wù)段853臺(tái)機(jī)車制動(dòng)閥，排風(fēng)合格的只有112臺(tái)，合格率只有13.1%。此外，機(jī)車基本上沒有配置壓縮空氣干燥及凈化裝置，供給車輛制動(dòng)機(jī)的壓縮空氣混雜許多油水，嚴(yán)重影響列車制動(dòng)機(jī)的性能和使用。上世紀(jì)50年代后期，我國開始研制內(nèi)燃機(jī)車和電力機(jī)車，這些機(jī)車要求能夠雙端操作，ET-6制動(dòng)機(jī)也無法滿足這一要求。

為改進(jìn)機(jī)車制動(dòng)機(jī), 1958年齊齊哈爾車輛廠(以下簡稱齊廠)試制EL-14型制動(dòng)機(jī)(該型制動(dòng)機(jī)源自美國)，首先在韶山型電力機(jī)車上試用, 發(fā)現(xiàn)制動(dòng)缸壓力偏低, 單機(jī)制動(dòng)和緩解時(shí)間偏長。后幾經(jīng)改進(jìn), 并于1965年由鐵道部組織鑒定, 在部分電力機(jī)車上安裝使用。但由于該制動(dòng)機(jī)基于ET-6制動(dòng)機(jī)，其結(jié)構(gòu)和作用原理與ET-6制動(dòng)機(jī)基本相同，具有ET-6制動(dòng)機(jī)的缺點(diǎn), 仍然存在初充風(fēng)和再充風(fēng)時(shí)間長、操縱長大列車時(shí)前部車輛產(chǎn)生自然緩解等缺點(diǎn)而未能推廣。

2 自主研發(fā)的初級(jí)階段

1958年有13個(gè)鐵路局先后研制出了各種電空制動(dòng)機(jī)樣機(jī)，鐵道部決定由鐵科院主持總結(jié)分析各方案的優(yōu)缺點(diǎn)并對(duì)電空制動(dòng)機(jī)進(jìn)行研制和試驗(yàn)。并決定四方機(jī)車車輛廠(以下簡稱四方廠)負(fù)責(zé)客運(yùn)機(jī)車電空制動(dòng)機(jī)，天津廠負(fù)責(zé)客車電空制動(dòng)機(jī)；唐山機(jī)車車輛廠負(fù)責(zé)貨運(yùn)機(jī)車電空制動(dòng)機(jī)。1959年1月經(jīng)制動(dòng)專門委員會(huì)的同意成立了電空制動(dòng)機(jī)研制小組, 對(duì)電空制動(dòng)機(jī)制定了技術(shù)條件, 提出了電空制動(dòng)機(jī)的具體方案。

1959年安裝電空制動(dòng)機(jī)的1008號(hào)人民型蒸汽機(jī)車及安裝了由L3型三通閥改裝的電空制動(dòng)機(jī)旅客列車在北京至天津間進(jìn)行運(yùn)行試驗(yàn)，并在蘭州鐵路局烏稍嶺的20‰長大下坡道進(jìn)行運(yùn)行試驗(yàn)，最高速度達(dá)到80 km/h，這在當(dāng)時(shí)是空氣制動(dòng)機(jī)很難達(dá)到的速度。試驗(yàn)表明電空制動(dòng)機(jī)具有制動(dòng)力不衰退的優(yōu)點(diǎn)，尤其是在長大下坡道顯示了電空制動(dòng)機(jī)的優(yōu)越性。同年，安裝了電空制動(dòng)機(jī)的蒸汽機(jī)車及60輛安裝了電空制動(dòng)機(jī)的貨車在鄭州鐵路局進(jìn)行運(yùn)行試驗(yàn)，后續(xù)也在烏稍嶺的20‰長大下坡道進(jìn)行了運(yùn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明電空制動(dòng)機(jī)比純空氣制動(dòng)機(jī)制動(dòng)距離短、列車停車平穩(wěn)、列車縱向沖擊力小，編組越長優(yōu)勢(shì)越明顯。雖然電空制動(dòng)機(jī)有明顯的優(yōu)點(diǎn)，但由于當(dāng)時(shí)條件限制，推廣應(yīng)用比較困難，相關(guān)工作中斷。然而這些研制工作積累了許多經(jīng)驗(yàn)，為后續(xù)新產(chǎn)品開發(fā)創(chuàng)造了條件。

2.1貨車制動(dòng)機(jī)的初期開發(fā)

鑒于當(dāng)時(shí)機(jī)、客、貨車制動(dòng)機(jī)中,貨車制動(dòng)機(jī)的問題比較突出, 一直是影響貨運(yùn)的關(guān)鍵,迫切需要予以解決。1962年鐵道部下發(fā)了新型貨車制動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)任務(wù)書，要求必須實(shí)現(xiàn)下述主要技術(shù)條件:

①適應(yīng)速度120 km/h；

②消除漲圈與滑閥等研磨件；

③適應(yīng)最大牽引長度1 250 m，最大牽引噸位6 000 t(貨車)；

④緊急制動(dòng)波速250 m/s以上；

⑤適應(yīng)外界溫度-50 ℃～+50 ℃；

⑥能與直徑φ203～456 mm的制動(dòng)缸匹配；

⑦能與既有制動(dòng)機(jī)混編使用；

⑧盡可能作到客、貨車通用。

1962年6月鐵科院機(jī)輛所和齊齊哈爾廠共同著手研制新型空氣分配閥，于1963年2月完成空氣分配閥設(shè)計(jì)。根據(jù)圖號(hào)定名為101型分配閥，寓意為我國第一個(gè)自主開發(fā)的空氣制動(dòng)分配閥。該分配閥采用全橡膠膜板、橡膠止閥和“O”圈結(jié)構(gòu)，沒有滑閥和漲圈。樣機(jī)在室內(nèi)試驗(yàn)時(shí)，存在常用制動(dòng)保壓時(shí)發(fā)生自然緩解等問題，而在討論改進(jìn)方案時(shí)出現(xiàn)了分歧，一種觀點(diǎn)認(rèn)為應(yīng)該采用全膜板及橡膠止閥，另一種觀點(diǎn)是采用模板帶滑閥方案。在此期間，試制了一個(gè)主閥為模板帶滑閥結(jié)構(gòu)的試驗(yàn)樣品，試驗(yàn)效果令人滿意，取名為102型分配閥。為了配合貨車制動(dòng)閥的開發(fā)，1964年在鐵科院東郊試驗(yàn)基地新建了100輛編組的貨車制動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)(1985年擴(kuò)展為150輛)。同年9月在鐵科院機(jī)輛所召開了技術(shù)方案討論會(huì)，考慮到采用膜板帶滑閥的方案能比較快的實(shí)施, 也比較可靠,決定先按這個(gè)方案研制，同時(shí)不放棄采用止閥的方案。1965年鐵科院機(jī)輛所和齊廠合作進(jìn)行新閥設(shè)計(jì)，1966年初完成樣機(jī)試制，試驗(yàn)證明性能基本達(dá)到設(shè)計(jì)要求。這就是20世紀(jì)60年代在貨車上推廣的103型分配閥(見圖4)。103型分配閥屬于二壓力控制閥，可以與既有制動(dòng)閥混編；采用間接作用方式，能適應(yīng)不同直徑的制動(dòng)缸；采用橡膠模板結(jié)構(gòu)，提高了靈敏度；為避免緊急制動(dòng)和常用制動(dòng)混淆，增設(shè)了緊急制動(dòng)閥?？罩剀囌{(diào)整裝置具有自動(dòng)調(diào)整功能。在72輛貨車編組時(shí)的常用制動(dòng)波速為180 m/s，緊急制動(dòng)為波速240 m/s，明顯高于GK閥。1978年采用103空氣制動(dòng)機(jī)的C62A重載敞車獲全國科學(xué)大會(huì)優(yōu)秀科技成果獎(jiǎng)。

圖4 103空氣制動(dòng)機(jī)

2.2客車制動(dòng)機(jī)初期開發(fā)

為適應(yīng)旅客列車增加編組的需要，解決GL三通閥作用靈敏度低、緊急制動(dòng)作用不可靠、常用制動(dòng)不能轉(zhuǎn)入緊急制動(dòng)、緊急制動(dòng)時(shí)縱向沖動(dòng)大等問題，1968年鐵道部要求在103型閥基礎(chǔ)上，研制客車用空氣分配閥。1969年10月鐵科院機(jī)輛所和齊齊哈爾廠合作試制成功104空氣分配閥(見圖5)。104分配閥與103型分配閥的主要差別是取消了空重車調(diào)整裝置，其總體組成基本相同。104分配閥經(jīng)過多年的反復(fù)試驗(yàn)、優(yōu)化，于1975年通過了鐵道部組織的技術(shù)鑒定，并在全路推廣應(yīng)用，成為我國鐵路旅客列車主型空氣制動(dòng)機(jī)。103分配閥也于1978年通過了鐵道部組織的技術(shù)鑒定。103及104分配閥的研制成功和推廣應(yīng)用，為提高我國鐵路鐵路運(yùn)輸做出了重要貢獻(xiàn)。

圖5 客車上104空氣制動(dòng)機(jī)示意圖

1979年四方所與天津廠合作開展F8制動(dòng)機(jī)研制工作。F8制動(dòng)機(jī)(參見圖6)主閥屬于三壓力機(jī)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)階段緩解。由于主閥屬于三壓力機(jī)構(gòu)，緩解時(shí)需要列車管壓力達(dá)到接近工作風(fēng)缸壓力時(shí)，制動(dòng)缸壓力才能降到零，因此緩解時(shí)間長。這與二壓力分配閥有較大差異。為了解決這一問題，輔助閥設(shè)計(jì)成二壓力機(jī)構(gòu)，通過轉(zhuǎn)換蓋板轉(zhuǎn)換。F8型制動(dòng)機(jī)采用全橡膠密封結(jié)構(gòu)，取消了金屬研磨件，有利于制造和檢修，并延長了檢修期。在25輛客車編組時(shí)，常用制動(dòng)波速為213～236 m/s，緊急制動(dòng)波速為234～246 m/s。其制動(dòng)缸壓力直接受列車管控制，制動(dòng)和緩解時(shí)縱向沖動(dòng)小，適合于長編組列車。

F8型分配閥1989年通過了鐵道部鑒定。目前104型分配閥和F8型分配閥均在客車上使用，且可混編使用。

針對(duì)此類業(yè)務(wù)，無論是采用一般計(jì)稅還是簡易計(jì)稅，納稅人都可以自行選擇是否采用差額計(jì)稅方法 （也就說可以采取通常采取的進(jìn)項(xiàng)稅額抵扣制）。

圖6 F8分配閥在客車是管路安裝

2.3機(jī)車制動(dòng)機(jī)初期開發(fā)

我國機(jī)車制動(dòng)機(jī)的發(fā)展與牽引動(dòng)力的變化息息相關(guān)。在蒸汽牽引為主的年代里，僅適應(yīng)于單端操縱的ET-6型空氣制動(dòng)機(jī)是唯一的機(jī)車制動(dòng)機(jī)。20世紀(jì)60年代初期，由ET-6型演變成適應(yīng)雙端操縱的EL-14型機(jī)車空氣制動(dòng)機(jī)首先在電力機(jī)車裝用，然后用于內(nèi)燃機(jī)車。隨著內(nèi)燃機(jī)車和電力機(jī)車的發(fā)展，原有的機(jī)車制動(dòng)機(jī)已經(jīng)不能滿足要求。為了解決舊機(jī)車制動(dòng)機(jī)初充風(fēng)及再充風(fēng)時(shí)間長、操縱長大列車時(shí)前部車輛產(chǎn)生自然緩解等問題，四方所和天津廠于1973年正式開始JZ-7型機(jī)車空氣制動(dòng)機(jī)的研制。該制動(dòng)機(jī)是在20世紀(jì)60年代為非洲坦贊鐵路研制的空氣-真空兩用制動(dòng)機(jī)的基礎(chǔ)上，借鑒了美國26-L型機(jī)車制動(dòng)機(jī)的26-C分配閥的經(jīng)驗(yàn)。分配閥采用了二壓力和三壓力混合結(jié)構(gòu)，設(shè)置了客車位和貨車位的轉(zhuǎn)換閥，分別適用于二壓力或三壓力的車輛制動(dòng)機(jī)，可客貨兩用，在客車位時(shí)有階段緩解作用。既可以雙端操作也可以單端操作。制動(dòng)機(jī)采用橡膠膜板等結(jié)構(gòu)，取消了需研磨的回轉(zhuǎn)閥和漲圈等配件。具有充風(fēng)及再充風(fēng)快、自動(dòng)保壓性能。為適應(yīng)長大貨物列車的需要設(shè)有過充位，縮短了列車管和副風(fēng)缸的初充風(fēng)和再充風(fēng)時(shí)間。1974年底JZ-7型機(jī)車空氣制動(dòng)機(jī)(見圖7)開始在東風(fēng)4型內(nèi)燃機(jī)車上運(yùn)用考核。1978年通過了鐵道部組織的技術(shù)鑒定，開始推廣使用，成為我國內(nèi)燃機(jī)車的主型機(jī)車制動(dòng)機(jī)(JZ-7型機(jī)車空氣制動(dòng)機(jī)研制工作早于F8客車制動(dòng)機(jī)，因此F8制動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)更多的借鑒了JZ-7制動(dòng)機(jī)的經(jīng)驗(yàn)和結(jié)構(gòu))。

圖7 JZ-7制動(dòng)機(jī)組成

1974年底，鐵科院機(jī)輛所、株洲電力機(jī)車廠(當(dāng)時(shí)名為田心機(jī)車車輛工廠)和株洲電力機(jī)車研究所合作開展DK-l型機(jī)車電空制動(dòng)機(jī)研制工作。1975年6月試制了第1臺(tái)樣機(jī)，并進(jìn)行了系統(tǒng)的地面試驗(yàn)。在改進(jìn)了結(jié)構(gòu)及工藝后，1976年5月試制成第2臺(tái)樣機(jī)，同年8月安裝在SS1型135號(hào)電力機(jī)車上進(jìn)行運(yùn)用考核，同年年底至1977年初在鐵科院環(huán)行線進(jìn)行單機(jī)靜止和運(yùn)行試驗(yàn)，并與60輛裝有GK型制動(dòng)機(jī)的貨車編組進(jìn)行靜止和運(yùn)行試驗(yàn)，取得了良好的效果。1977年5月開始在寶成線(我國第一條電氣化鐵路)運(yùn)用考核。DK-1制動(dòng)機(jī)是通過電空制動(dòng)控制器操縱電空閥，向均衡風(fēng)缸充風(fēng)或排風(fēng)，從而控制中繼閥向列車管充風(fēng)或排風(fēng)，實(shí)現(xiàn)機(jī)車及列車的制動(dòng)或緩解(見圖8)。它用電空制動(dòng)控制器代替空氣制動(dòng)機(jī)的自動(dòng)制動(dòng)閥(大閘)，具有減壓準(zhǔn)確、充排風(fēng)快，可與電阻制動(dòng)或再生制動(dòng)起聯(lián)鎖作用,結(jié)構(gòu)簡單，便于維修。在電氣發(fā)生故障而失電時(shí)可立即轉(zhuǎn)入常用制動(dòng)并通過故障轉(zhuǎn)換裝置轉(zhuǎn)換為空氣制動(dòng), 以保證列車運(yùn)行安全。1982年通過了鐵道部組織的技術(shù)鑒定，并開始在電力機(jī)車上推廣應(yīng)用，成為我國鐵路電力機(jī)車主型制動(dòng)機(jī)。

圖8 DK-1制動(dòng)機(jī)控制關(guān)系示意圖

3 旅客列車制動(dòng)技術(shù)

改革開放以后，鐵路客運(yùn)量和貨運(yùn)量大幅增加。旅客列車嚴(yán)重超員，雖然列車編組擴(kuò)編到20輛甚至更長，仍不能滿足客運(yùn)量日益增長的要求。迫切需要提高客運(yùn)列車運(yùn)行速度。1994年12月22日廣深準(zhǔn)高速鐵路正式開通運(yùn)營，成為中國第1條準(zhǔn)高速鐵路，拉開了我國鐵路旅客列車提速的序幕。從1997年4月1日至2004年4月18日的短短8年間，全路連續(xù)實(shí)施了5次大面積提速，主要干線客車最高速度達(dá)到160 km/h，部分區(qū)段最高速度達(dá)到200 km/h，全面加快了鐵路技術(shù)進(jìn)步。

我國鐵路在實(shí)施提速之前，主要干線客運(yùn)列車的最高運(yùn)行速度長期低于110 km/h，列車速度的大幅度提高給制動(dòng)系統(tǒng)帶來了以下問題：

(1)首先是原有客車和機(jī)車均采用自動(dòng)空氣制動(dòng)機(jī)，由于制動(dòng)波速的限制，列車前后制動(dòng)和緩解存在不一致問題，而且隨著列車編組長度增加，首尾車開始制動(dòng)及緩解的時(shí)間差增大，造成列車在加速和減速時(shí)出現(xiàn)很大縱向沖動(dòng)。1985年在鐵科院環(huán)形試驗(yàn)線進(jìn)行了旅客列車擴(kuò)編至16輛、20輛、25輛、30輛的制動(dòng)性能試驗(yàn)(配置104分配閥、15號(hào)車鉤、1號(hào)緩沖器)。試驗(yàn)表明，20輛編組比16輛編組縱向沖動(dòng)嚴(yán)重的多，25輛和30輛編組在緊急制動(dòng)時(shí)縱向加速度對(duì)于旅客的身體健康已構(gòu)成潛在的威脅。由于制動(dòng)波速偏低，并隨著列車長度的增加呈下降趨勢(shì)。這不僅僅影響旅客舒適度，同時(shí)也給列車運(yùn)行安全造成隱患。

(2)空氣制動(dòng)機(jī)制動(dòng)時(shí)，空走時(shí)間長，難以滿足制動(dòng)距離要求

圖9 機(jī)車及機(jī)后15位客車制動(dòng)缸壓力曲線圖

圖10 機(jī)后1位及15位客車制動(dòng)缸壓力曲線

圖9是采用JZ-7制動(dòng)機(jī)的機(jī)車與采用F8制動(dòng)機(jī)的15輛客車組成的列車制動(dòng)時(shí)，機(jī)車及第15輛客車的制動(dòng)缸壓力上升曲線。圖10是同一列車的第1輛客車及第15輛客車的制動(dòng)缸壓力上升曲線。從圖中可以看出，編組越長后部車輛制動(dòng)缸升壓越慢。

(3)由于速度的提高，制動(dòng)熱負(fù)荷大幅度增加，踏面制動(dòng)方式已經(jīng)無法適應(yīng)；

(4)列車速度提高后，為了盡可能縮短制動(dòng)距離，必須充分利用輪軌黏著系數(shù)，增大制動(dòng)力，而輪軌黏著系數(shù)是隨著列車速度的增加呈下降趨勢(shì)，導(dǎo)致列車制動(dòng)時(shí)抱死滑行的可能性增大。為了防止車輪滑行，必須采取防滑措施。

3.1旅客列車電空制動(dòng)技術(shù)

為了解決這些問題，國家科委和國家經(jīng)委將“旅客列車電空制動(dòng)技術(shù)”及相關(guān)配套技術(shù)列入“七五”國家重點(diǎn)科技攻關(guān)項(xiàng)目。1985年9月鐵道部在鐵科院召開了旅客列車電空制動(dòng)機(jī)方案討論會(huì)，擬定了方案、原則及技術(shù)條件，決定旅客列車電空制動(dòng)系統(tǒng)采用104型分配閥加電空制動(dòng)方案，即104電空制動(dòng)機(jī)。

104電空制動(dòng)機(jī)是在104空氣制動(dòng)機(jī)的基礎(chǔ)上增設(shè)了控制用電磁閥，用電來操縱制動(dòng)系統(tǒng)的制動(dòng)、緩解和保壓等作用。圖11是104電空制動(dòng)機(jī)組成示意圖。

相對(duì)于104空氣制動(dòng)機(jī)，104電空制動(dòng)機(jī)增設(shè)了制動(dòng)、緩解、保壓3個(gè)電磁閥，1個(gè)40 dm3緩解風(fēng)缸(緩解時(shí)緩解風(fēng)缸的空氣進(jìn)入列車管，起到加速緩解和加速充風(fēng)的作用)及控制電纜。通過機(jī)車電空制動(dòng)機(jī)控制各車輛的電磁閥，進(jìn)而控制制動(dòng)管壓力增減，使自動(dòng)空氣制動(dòng)機(jī)起制動(dòng)和緩解作用(F8電空制動(dòng)機(jī)與104電空制動(dòng)機(jī)控制原理基本一致)。104電空制動(dòng)機(jī)采用了經(jīng)過改進(jìn)的104C分配閥，其常用制動(dòng)波速達(dá)到174～213 m/s、緩解波速為174～194 m/s、緊急制動(dòng)波速為270 m/s左右。

電空制動(dòng)的使用使列車的制動(dòng)性能有了很大的改善，列車幾乎可以同步制動(dòng)和緩解，減少了列車的縱向沖動(dòng)，使列車的運(yùn)行更加舒適平穩(wěn)。同時(shí)實(shí)現(xiàn)了階段緩解的功能，縮短了列車的制動(dòng)距離，尤其是縮短了列車的常用制動(dòng)距離。而且自動(dòng)空氣制動(dòng)系統(tǒng)可作為備用制動(dòng)系統(tǒng)，當(dāng)電空制動(dòng)失效時(shí)，列車自動(dòng)地轉(zhuǎn)為空氣制動(dòng)系統(tǒng)，增加了列車的安全冗余。

3.2盤形制動(dòng)技術(shù)

鐵路機(jī)車車輛傳統(tǒng)的制動(dòng)方式是采用閘瓦與車輪產(chǎn)生摩擦的踏面制動(dòng)(閘瓦制動(dòng))方式。由于閘瓦摩擦面積小，大部分的制動(dòng)熱負(fù)荷由車輪來承擔(dān)。速度越高車輪承受的制動(dòng)熱負(fù)荷也越大，車輪踏面溫度也會(huì)越高。這不但會(huì)加快踏面磨耗，甚至有出現(xiàn)裂紋或剝離的危險(xiǎn)，同時(shí)由于溫度上升，使得閘瓦磨耗加劇、摩擦系數(shù)下降。上述情況既影響使用壽命也影響行車安全。一般情況下，踏面制動(dòng)只適用于速度120 km/h以下的列車。顯然，傳統(tǒng)的踏面制動(dòng)已經(jīng)不能滿足提速旅客列車對(duì)制動(dòng)系統(tǒng)的要求。

圖11 104電空制動(dòng)機(jī)組成

盤形制動(dòng)是在車軸或車輪輻板兩側(cè)安裝制動(dòng)盤，用制動(dòng)夾鉗使閘片夾壓制動(dòng)盤側(cè)面，通過摩擦產(chǎn)生制動(dòng)力(如圖12所示)。由于盤形制動(dòng)作用力不在車輪踏面上，可以大大減輕車輪踏面的熱負(fù)荷和機(jī)械磨耗，而且制動(dòng)平穩(wěn)、噪聲小。盤形制動(dòng)的摩擦面積相對(duì)較大，可根據(jù)需要安裝若干套，其制動(dòng)效果明顯高于踏面制動(dòng)，因此速度120 km/h以上的列車普遍采用盤形制動(dòng)。

圖12 踏面制動(dòng)及盤形制動(dòng)示意圖

盤形制動(dòng)方式于1935年開始在法國鐵路應(yīng)用，我國鐵路首次應(yīng)用盤形制動(dòng)是1958年，當(dāng)年四方廠邀請(qǐng)鐵科院機(jī)輛所和上海交通大學(xué)參與設(shè)計(jì)、1961年生產(chǎn)的低重心客車采用了輪裝制動(dòng)盤。由于當(dāng)時(shí)客車技術(shù)水平和經(jīng)驗(yàn)不足，低重心客車并沒有投入使用。四方廠在1961年生產(chǎn)了我國第1列、也是我國第1代雙層客車上采用了鑄鋼軸裝制動(dòng)盤，該車一直運(yùn)行到1982年。

1989年8月第2代速度120 km/h雙層旅客列車開始在滬寧線投入運(yùn)營。該車采用了鐵科院研制的H300型大功率制動(dòng)盤、帶閘片間隙自動(dòng)調(diào)整功能的制動(dòng)夾鉗單元及匹配的合成閘片(如圖13所示)。在此之前，國內(nèi)鐵路車輛使用的制動(dòng)盤主要是進(jìn)口產(chǎn)品。上世紀(jì)70年代鐵科院等單位開始對(duì)制動(dòng)盤進(jìn)行深入研究，鐵科院曾經(jīng)對(duì)包括普通灰鑄鐵、高強(qiáng)度灰鑄鐵、球墨鑄鐵、25號(hào)鑄鋼、40號(hào)鑄鋼、稀土合金鑄鐵、鎳鉻鉬合金鑄鐵、鉻鉬銅合金鑄鐵等進(jìn)行了各種常溫機(jī)械性能、物理性能試驗(yàn)、高溫機(jī)械性能 (最高溫度達(dá)到800 ℃) 及高溫疲勞性能試驗(yàn)。選擇了在常溫及高溫下機(jī)械性能較好、熱膨脹系數(shù)較小、熱傳導(dǎo)系數(shù)較高的一種特種鑄鐵作為雙層客車及后續(xù)提速客車的制動(dòng)盤材質(zhì)。

圖13 H300型制動(dòng)盤及制動(dòng)夾鉗單元

1982年鐵科院機(jī)輛所首次在1∶1試驗(yàn)臺(tái)對(duì)制動(dòng)盤溫度場進(jìn)行了實(shí)物測試，并采用在制動(dòng)盤嵌入熱電偶的方法，對(duì)制動(dòng)盤面溫度及梯度進(jìn)行測量。在H300制動(dòng)盤研制過程中,鐵科院在國內(nèi)首次利用計(jì)算機(jī)對(duì)制動(dòng)盤進(jìn)行了溫度場及熱應(yīng)力場仿真模擬計(jì)算。1990年鐵科院機(jī)輛所在國內(nèi)首次在1∶1制動(dòng)動(dòng)力試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行了制動(dòng)盤的熱應(yīng)力場測試。

H300型制動(dòng)盤為分體式結(jié)構(gòu)，為適用于更高速度的需要，鐵科院又研制了雙金屬整體式結(jié)構(gòu)的H3200型制動(dòng)盤(如圖14所示)。H3200型制動(dòng)盤摩擦環(huán)采用雙金屬鑄造，摩擦部分為合金鑄鐵，摩擦環(huán)中間與盤轂的連接部分為鋼芯，將鑄鐵熔鑄在鋼芯上。這種結(jié)構(gòu)既可以發(fā)揮鋼的強(qiáng)度及韌性的優(yōu)點(diǎn)，又可以利用合金鑄鐵良好的摩擦特性，可用于速度超過200 km/h的客車。盤形制動(dòng)的摩擦盤與閘片間的摩擦系數(shù)是影響其制動(dòng)性能的關(guān)鍵因素。與H3200型制動(dòng)盤匹配的是半金屬合成閘片，臺(tái)架試驗(yàn)表明摩擦副的摩擦系數(shù)具有比較好的穩(wěn)定性。

1992年6月在鐵科院環(huán)行線分別對(duì)安裝了鐵科院盤形制動(dòng)裝置的浦鎮(zhèn)廠準(zhǔn)高速雙層客車、長客廠和四方廠生產(chǎn)的準(zhǔn)高速客車，進(jìn)行單車溜放制動(dòng)試驗(yàn)，最高試驗(yàn)速度為162 km/h，盤形制動(dòng)裝置具有良好的制動(dòng)性能。鐵科院盤形制動(dòng)裝置自1993年開始在準(zhǔn)高速客車和提速客車推廣應(yīng)用。

3.3電子防滑技術(shù)

我國鐵路機(jī)車車輛牽引力和制動(dòng)力實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)是輪軌間的黏著。因此，目前采用的制動(dòng)方式均屬于黏著制動(dòng)。對(duì)于黏著制動(dòng)而言，制動(dòng)時(shí)輪軌間產(chǎn)生最大縱向力Fmax(制動(dòng)力)與黏著系數(shù)μ必須滿足下述關(guān)系才能保證制動(dòng)力的實(shí)現(xiàn)(式中Q為制動(dòng)時(shí)輪軌間的垂直力)。

Fmax≤Qμ

當(dāng)制動(dòng)力小于黏著力時(shí)不會(huì)發(fā)生滑行。反之，將導(dǎo)致制動(dòng)力急劇下降，可能出現(xiàn)滑行甚至輪對(duì)抱死現(xiàn)象，不僅使制動(dòng)距離延長，而且影響列車的運(yùn)行安全。在設(shè)計(jì)制動(dòng)系統(tǒng)時(shí)，總是希望盡可能利用輪軌黏著，以實(shí)現(xiàn)盡可能短的制動(dòng)距離。但是輪軌黏著狀態(tài)是復(fù)雜多變的，使制動(dòng)力可能接近甚至大于黏著力。解決這一問題的有效途徑就是采用防滑控制裝置。

早期的防滑技術(shù)是采用機(jī)械式防滑裝置。1966年四方廠和四方所共同研制了我國第1代機(jī)械防滑器，并裝在1967年出廠的25.5 m客車和發(fā)電車上。鐵科院也曾經(jīng)進(jìn)行了機(jī)械防滑器的研制。機(jī)械防滑器基本原理如圖15所示。當(dāng)車輛出現(xiàn)滑行時(shí)，車輪轉(zhuǎn)速會(huì)突然下降，防滑器內(nèi)的飛輪及凸輪盤因其慣性離心力作用，與主動(dòng)桿產(chǎn)生相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，使主動(dòng)桿沿凸輪盤斜坡上移，進(jìn)而推動(dòng)移動(dòng)桿左移，使與制動(dòng)缸相連接的排風(fēng)閥室壓力空氣迅速排向大氣。

圖14 H3200型制動(dòng)盤及摩擦副的摩擦系數(shù)曲線

1-轉(zhuǎn)動(dòng)桿；2-軸承套筒；3-飛輪；4-凸輪盤；5-主動(dòng)桿；6-移動(dòng)桿；7-排氣閥桿；8-排風(fēng)閥柱塞；P-排氣閥口；C-制動(dòng)缸接口；D-分配閥接口；R-副風(fēng)缸接口；G-排風(fēng)閥G口，接傳感器；F-小孔。圖15 機(jī)械防滑器基本原理

機(jī)械式防滑器的防滑作用滯后時(shí)間長、靈敏度低，可靠性差。而且防滑器一旦動(dòng)作就會(huì)使制動(dòng)缸壓力排到零 ,不但浪費(fèi)了大量壓縮空氣，也無法根據(jù)輪軌黏著情況的變化調(diào)節(jié)制動(dòng)力，延長了制動(dòng)距離。由于機(jī)械式防滑器存在上述缺點(diǎn)，無法從根本上解決防滑問題，因此并沒有得到廣泛應(yīng)用。

上世紀(jì)70年代出現(xiàn)了第1代電子防滑器，是以輪對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度差為判據(jù)，具有較好的靈敏度，但所采用的分立元件有零點(diǎn)漂移現(xiàn)象，性能不穩(wěn)定。上世紀(jì)80年代初期出現(xiàn)了采用微機(jī)控制技術(shù)的第2代電子防滑器。微機(jī)控制防滑器可以對(duì)輪對(duì)滑行、制動(dòng)緩解、再黏著的全過程進(jìn)行動(dòng)態(tài)檢測和控制，并可對(duì)控制參數(shù)或控制算法進(jìn)行調(diào)整，以適應(yīng)不同工況的要求。

我國鐵路微機(jī)控制電子防滑器的研制啟始于1982年，源于鐵道部立項(xiàng)開展“制訂我國鐵路制動(dòng)工況黏著系數(shù)”研究課題，并向鐵科院下達(dá)了“制動(dòng)黏著測試裝置研制”的任務(wù)。鐵科院機(jī)輛所經(jīng)過4年的努力研制成功用于制動(dòng)黏著系數(shù)試驗(yàn)研究的制動(dòng)黏著測試裝置。

制動(dòng)黏著測試裝置中包括基于單板機(jī)的輪對(duì)滑行檢測及防滑裝置、制動(dòng)力監(jiān)控裝置等(如圖16所示)。車軸速度來自安裝在車軸端部的光電脈沖發(fā)生裝置。檢測裝置以設(shè)置的減速度和(或)兩輪對(duì)的轉(zhuǎn)差率為標(biāo)準(zhǔn)判斷輪對(duì)是否發(fā)生滑行。制動(dòng)時(shí)一旦檢測到輪對(duì)的減速度或轉(zhuǎn)差率達(dá)到設(shè)定值時(shí)可迅速緩解。

圖16 制動(dòng)黏著測試系統(tǒng)裝置原理圖

安裝該裝置的黏著試驗(yàn)車從1988年7月至1991年1月先后在濟(jì)南鐵路局、上海鐵路局及哈爾濱鐵路局開展黏著試驗(yàn)。這3個(gè)鐵路局代表了我國3個(gè)典型的氣候條件，即干燥的華北地區(qū)、多雨潮濕的南方地區(qū)和冬季嚴(yán)寒的東北地區(qū)。通過各種氣候和人工撒水工況下的制動(dòng)黏著系數(shù)測試，獲得了大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果分析，得出我國鐵路制動(dòng)黏著系數(shù)公式及黏著系數(shù)曲線(如圖17所示)。

圖17 我國鐵路制動(dòng)黏著系數(shù)曲線(≤120 km/h)

雖然這次試驗(yàn)研究和取得的黏著系數(shù)公式具有一定的局限性，但是它開創(chuàng)了我國鐵路這一領(lǐng)域內(nèi)系統(tǒng)試驗(yàn)研究的先河，結(jié)束了我國鐵路沒有自己的制動(dòng)黏著系數(shù)的歷史，為進(jìn)一步深入開展這項(xiàng)試驗(yàn)研究奠定了基礎(chǔ)。1991年12月該成果通過了鐵道部組織的技術(shù)鑒定。

在制動(dòng)黏著測試裝置及大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，鐵科院機(jī)輛所研制成功了TFX1系列微機(jī)控制電子防滑器(如圖18所示)。其性能達(dá)到國外先進(jìn)水平，打破了過去只有進(jìn)口產(chǎn)品的局面，填補(bǔ)了我國制動(dòng)技術(shù)的空白。1993年TFX1防滑器開始裝車運(yùn)用考核，1994年開始推廣應(yīng)用，成為我國鐵路客車的主型防滑器。

1998年6月8日至25日，由SS8電力機(jī)車牽引試驗(yàn)客車在京廣線鄭武段進(jìn)行高速試驗(yàn)，最高試驗(yàn)速度達(dá)到239.7 km/h，創(chuàng)造了當(dāng)時(shí)的“中國第一速”。在這次試驗(yàn)中，SS8電力機(jī)車采用DK-1電空制動(dòng)機(jī)、雙管供風(fēng)、電阻制動(dòng)，基礎(chǔ)制動(dòng)裝置采用踏面制動(dòng)方式。參加試驗(yàn)的2輛客車安裝了鐵科院的盤形制動(dòng)裝置(制動(dòng)盤為H3200型)和電子防滑器，其余車為進(jìn)口產(chǎn)品。這次試驗(yàn)雖然僅進(jìn)行了常用制動(dòng)試驗(yàn)，但是由于每個(gè)機(jī)車和客車均有一個(gè)輪對(duì)為測力輪對(duì)，另有一輛客車的一個(gè)輪對(duì)為測速輪對(duì)，測力輪對(duì)和測速輪對(duì)的制動(dòng)裝置處于關(guān)門狀態(tài)，因此整列車只有70%左右的制動(dòng)力，尤其在進(jìn)行制動(dòng)初速229.1 km/h的常用制動(dòng)試驗(yàn)時(shí)，機(jī)車的電阻制動(dòng)出現(xiàn)故障，盤形制動(dòng)承擔(dān)了全部制動(dòng)負(fù)荷，可以說制動(dòng)盤和閘片經(jīng)受了嚴(yán)峻的考驗(yàn)。試驗(yàn)過程中鐵科院的電子防滑器工作可靠，輪對(duì)無一擦傷。

圖18 TFX1微機(jī)電子防滑器原理圖