馱背運(yùn)輸半掛車制動性能試驗(yàn)分析

眉山中車物流裝備有限公司 四川眉山 620020

1 前言

交通運(yùn)輸和物流業(yè)是我國支撐經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的基礎(chǔ)性、戰(zhàn)略性和服務(wù)性產(chǎn)業(yè)，為應(yīng)對國家節(jié)能減排發(fā)展戰(zhàn)略，解決物流領(lǐng)域長期存在的成本高、效率低等問題，國務(wù)院和交通運(yùn)輸部先后發(fā)布《物流業(yè)中長期發(fā)展規(guī)劃》、《加快推進(jìn)綠色循環(huán)低碳交通運(yùn)輸發(fā)展指導(dǎo)意見》等行業(yè)指導(dǎo)意見，明確提出建設(shè)便捷、安全、經(jīng)濟(jì)、高效的綜合運(yùn)輸體系，構(gòu)建高效運(yùn)行的多式聯(lián)運(yùn)體系，實(shí)現(xiàn)相互銜接、暢通成網(wǎng)，推進(jìn)各種運(yùn)輸方式協(xié)調(diào)發(fā)展。鐵路運(yùn)輸在我國綜合交通體系中一直占據(jù)著主導(dǎo)地位，具有安全可靠、綠色環(huán)保、成本低、運(yùn)能大、全天候運(yùn)行的特點(diǎn)，鐵路發(fā)展多式聯(lián)運(yùn)，對推動交通運(yùn)輸和物流業(yè)轉(zhuǎn)型升級、降本增效、低碳發(fā)展具有重要的支撐作用。馱背運(yùn)輸就是其多式聯(lián)運(yùn)不可缺少的重要組成部分。

2 馱背運(yùn)輸半掛車介紹

馱背運(yùn)輸是一種公路和鐵路聯(lián)合的運(yùn)輸方式，是指公路貨車和半掛車在始發(fā)地火車站自行開上或吊裝至鐵路專用車輛，通過鐵路長距離運(yùn)輸，到達(dá)目的地火車站后，車輛再自行開下或吊離鐵路專用車輛并駛往最終目的地的一種公鐵多式聯(lián)運(yùn)方式[2]，當(dāng)前馱背運(yùn)輸半掛車分為滾裝式和吊裝式兩種，圖1為滾裝式馱背運(yùn)輸半掛車，圖2為吊裝式馱背運(yùn)輸半掛車。

圖1 滾裝式馱背運(yùn)輸半掛車

圖2 吊裝式馱背運(yùn)輸半掛車

馱背運(yùn)輸半掛車能夠?qū)崿F(xiàn)真正意義上的公路汽車甩掛運(yùn)輸，減少牽引車的使用數(shù)量，有效地緩解公路擁堵，減少公路貨車超載、超限、超速現(xiàn)象的發(fā)生，有效減少高速公路惡性道路交通事故的發(fā)生，保護(hù)人民群眾生命財產(chǎn)安全。

2017年國內(nèi)首款公鐵聯(lián)運(yùn)馱背運(yùn)輸廂式半掛車由中國中車眉山公司自主研發(fā)。該車結(jié)合我國既有鐵路站場、線路、公鐵便捷聯(lián)運(yùn)鐵路貨車、裝卸設(shè)施條件，研究公鐵聯(lián)運(yùn)公路貨車與站場匹配關(guān)系，總體規(guī)劃公鐵聯(lián)運(yùn)公路貨車結(jié)構(gòu)、裝卸貨方式與站場配套設(shè)施，地面狀態(tài)關(guān)系，提出適應(yīng)我國公鐵聯(lián)運(yùn)初期、遠(yuǎn)期的匹配技術(shù)方案，研制了以馱背運(yùn)輸公路半掛車為代表的系列化公鐵聯(lián)運(yùn)車。

馱背運(yùn)輸公路半掛車的制動系統(tǒng)作為車輛安全運(yùn)行最為關(guān)鍵的一環(huán)，對車輛的運(yùn)行安全和駕駛員的生命安全都起著至關(guān)重要的作用，因此，筆者將針對馱背運(yùn)輸半掛車的制動性能進(jìn)行分析試驗(yàn)。

3 半掛車制動系統(tǒng)的制動原理及影響因素

半掛車制動型式一般采用雙管路氣壓制動，列車行駛時，踩下制動踏板，壓縮空氣經(jīng)牽引車上的掛車制動閥進(jìn)入掛車操縱管路，通過緊急制動閥，頂開閥門，氣體進(jìn)入制動氣室，將單腔氣室的膜片和雙腔氣室的制動活塞推到制動位置，將推桿推出，拉動制動調(diào)整臂，帶動凸轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)動而實(shí)現(xiàn)行車制動。在解除制動時，單腔氣室和雙腔氣室行車制動的氣體由快放閥放氣，單腔氣室膜片和雙腔氣室制動活塞在回位彈簧作用下回復(fù)到不制動位置，但掛車儲氣筒空氣始終向雙腔氣室的駐車制動腔充入，壓縮儲能彈簧，使駐車制動活塞處在不制動位置，解除制動。當(dāng)前半掛車搭載的制動器主要為盤式制動器和鼓式制動器，盤式制動器和鼓式制動器結(jié)構(gòu)如圖3所示。對半掛車制動延后時間，整車制動效能的影響因素包括行車制動管路壓力、牽引汽車的制動控制系統(tǒng)、半掛車制動管路長度、半掛車緊急繼動閥性能、動踏板行程及時間、半掛車制動管路直徑、ABS控制總成性能、管路接頭的型式等。

圖3 制動器結(jié)構(gòu)型式

4 制動系統(tǒng)的制動性能試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)?zāi)康?/h3>

為研究盤式和鼓式兩種不同型式制動器的制動性能，筆者在樣車上分別匹配盤式和鼓式制動器，與某型牽引車組成汽車列車，測試匹配不同型式制動器部分制動性能。樣車具體參數(shù)如表1所示。

表1 廂式半掛車、牽引車車輛參數(shù)表

4.2 試驗(yàn)過程

本次試驗(yàn)場地位于交通運(yùn)輸部公路交通試驗(yàn)場，試驗(yàn)場內(nèi)道路縱向任意50 m長度上的坡度均小于1%。根據(jù)GB/T 12534-1990 《汽車道路試驗(yàn)方法通則》、GB/T 12674-1990《汽車質(zhì)量（重量）參數(shù)測定方法》、GB 7258-2017《機(jī)動車運(yùn)行安全技術(shù)條件》、GB 12676-2014《商用車輛和掛車制動系統(tǒng)技術(shù)要求及試驗(yàn)方法》的相關(guān)試驗(yàn)要求，分別進(jìn)行了如下試驗(yàn)：

a.汽車列車動態(tài)密封性、前后軸制動滯后時間、半掛車制動響應(yīng)時間試驗(yàn)；汽車列車30 km/h滿載0型發(fā)動機(jī)脫開試驗(yàn)；

b.汽車列車60 km/h滿載0型發(fā)動機(jī)脫開試驗(yàn)；

c.汽車列車滿載Ⅰ型試驗(yàn)；

d.汽車列車60 km/h滿載（僅半掛車制動）0型發(fā)動機(jī)脫開試驗(yàn)；

e.汽車列車滿載（僅半掛車制動）Ⅰ型試驗(yàn)；

f.閘片摩擦面狀態(tài)試驗(yàn)；

g.制動器測溫試驗(yàn)；

h.常規(guī)熱衰退試驗(yàn)；

i.長大坡道試驗(yàn)測溫檢測。

試驗(yàn)場試驗(yàn)條件如表2所示。

表2 試驗(yàn)場試驗(yàn)條件

4.2.1 汽車列車動態(tài)密封性、前后軸制動滯后時間、半掛車制動響應(yīng)時間試驗(yàn)

表3 汽車列車動態(tài)密封性、前后軸制動滯后時間、半掛車制動響應(yīng)時間

表4 EBS和ABS響應(yīng)時間對比表

從表3、4的響應(yīng)時間對比可以看出，EBS響應(yīng)時間小于ABS，故其優(yōu)于ABS。

4.2.2 0型試驗(yàn)和Ⅰ型試驗(yàn)

4.2.2.1 汽車列車30km/h滿載0型發(fā)動機(jī)脫開試驗(yàn)

試驗(yàn)要求制動器處于冷態(tài)時，汽車列車在滿載工況下以30km/h的規(guī)定車速進(jìn)行，且要求試驗(yàn)過程中需達(dá)到車輛規(guī)定的最低性能要求。汽車列車30 km/h滿載0型發(fā)動機(jī)脫開試驗(yàn)數(shù)據(jù)參見表5。試驗(yàn)現(xiàn)場照片如圖4、5所示。

表5 汽車列車30 km/h滿載0型發(fā)動機(jī)脫開試驗(yàn)

圖4 試驗(yàn)現(xiàn)場照片

圖5 試驗(yàn)現(xiàn)場照片

從表5可以看出，30 km/h緊急制動時，盤式和鼓式的制動性能接近。都滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

4.2.2.2 汽車列車60km/h滿載0型發(fā)動機(jī)脫開試驗(yàn)

試驗(yàn)要求制動器處于冷態(tài)時，汽車列車在滿載工況下以60 km/h的規(guī)定車速進(jìn)行，且要求試驗(yàn)過程中需達(dá)到車輛規(guī)定的最低性能要求。汽車列車60 km/h滿載0型發(fā)動機(jī)脫開試驗(yàn)數(shù)據(jù)參見表6。

表6 汽車列車60 km/h滿載0型發(fā)動機(jī)脫開試驗(yàn)

從表6可以看出，60 km/h緊急制動，盤式制和鼓式的制動性能都滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，但盤式制動器的制動距離較鼓式制動器更短。

4.2.2.3 汽車列車滿載Ⅰ型試驗(yàn)

試驗(yàn)要求汽車列車在滿載工況下，對行車制動系統(tǒng)連續(xù)進(jìn)行制動系統(tǒng)連續(xù)進(jìn)行“制動-解除制動”。汽車列車滿載Ⅰ型試驗(yàn)數(shù)據(jù)參見表7。

表7 汽車列車滿載Ⅰ型試驗(yàn)

從表7可以看出，滿載I型制動，盤式和鼓式的制動性能都滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。但盤式制動減速度高于鼓式制動，制動距離較鼓式制動器更短。

4.2.2.4 汽車列車60 km/h滿載（僅半掛車制動）0型發(fā)動機(jī)脫開試驗(yàn)

試驗(yàn)要求制動器處于冷態(tài)時，半掛車在滿載工況下以60 km/h的規(guī)定車速進(jìn)行，且要求試驗(yàn)過程中需達(dá)到車輛規(guī)定的最低性能要求。汽車列車60 km/h滿載0型發(fā)動機(jī)脫開試驗(yàn)數(shù)據(jù)參見表8。

表8 汽車列車60 km/h滿載（僅半掛車制動）0型發(fā)動機(jī)脫開試驗(yàn)

從表8可以看出，60 km/h滿載（僅半掛車制動）制動，盤式制動減速度明顯高于鼓式，制動距離也低于鼓式制動器。

4.2.2.5 汽車列車滿載（僅半掛車制動）Ⅰ型試驗(yàn)

試驗(yàn)要求在滿載工況下，半掛車對行車制動系統(tǒng)連續(xù)進(jìn)行制動系統(tǒng)連續(xù)進(jìn)行“制動-解除制動”。汽車列車滿載Ⅰ型試驗(yàn)數(shù)據(jù)參見表9。

表9 汽車列車滿載（僅半掛車制動）Ⅰ型試驗(yàn)

從表9可以看出，滿載（僅半掛車制動）I型制動，盤式制動距離明顯低于鼓式制動。

對上述試驗(yàn)在各種條件下，車輛制動減速度統(tǒng)計如表10所示。

表10 制動減速度統(tǒng)計表

制動減速度差異分析：車輛的制動是將車輛的動能轉(zhuǎn)化為熱能。在車輛長時間制動過程中，制動盤和閘片/制動鼓和剎車片的溫度都會迅速升高。但因制動盤和制動鼓在高溫下狀態(tài)不同，造成了制動效果也不相同。

從圖6、7可以看出：盤式制動在制動過程中閘片和制動盤一直處于面接觸的狀態(tài)。保證了摩擦性能/制動性能的穩(wěn)定。

鼓式制動在高溫階段，由于制動鼓高溫變形，接觸面積減小，使得制動的摩擦力減小，制動性能產(chǎn)生變化。

圖6 盤式制動冷/熱態(tài)

圖7 鼓式制動冷/熱態(tài)

盤式制動在制動過程中始終處于面接觸狀態(tài)，而鼓式制動在高溫階段，制動鼓高溫變形導(dǎo)致接觸面減小，使得鼓式制動接觸面積小于盤式制動，鼓式制動摩擦力小于盤式制動，從而導(dǎo)致盤式制動在制動過程中（特別是熱態(tài)時）的制動效果要優(yōu)于鼓式制動。

4.2.3 閘片摩擦面狀態(tài)試驗(yàn)

4.2.3.1 盤式制動摩擦面狀態(tài)試驗(yàn)

圖8 試驗(yàn)前閘片表面狀態(tài)

圖9 無牽引車制動試驗(yàn)后閘片表面狀態(tài)

從圖8、9可以看出試驗(yàn)前后閘片和制動盤貼合良好。

4.2.3.2 鼓式制動摩擦面試驗(yàn)

圖10 制動鼓安裝位置

圖11 剎車片試驗(yàn)前狀態(tài)

圖12 無牽引車制動試驗(yàn)后狀態(tài)

從圖11～12可以明顯看出剎車片一端在高溫制動后和制動鼓貼合不良。

從閘片和剎車片試驗(yàn)前后的照片可以看出，盤式制動制動盤和閘片的貼合與鼓式制動的制動鼓和剎車片的貼合在低溫階段沒有明顯的區(qū)別，制動性能也接近，但在高溫階段，盤式制動摩擦副的貼合好于鼓式制動，可以更有效地保證行車制動安全。

4.2.4 制動器測溫試驗(yàn)

測溫結(jié)構(gòu)說明：試驗(yàn)中分別在制動盤/制動鼓每個閘片布置兩個測溫點(diǎn)，一個測溫點(diǎn)位于距摩擦表面3 mm處，用于測量閘片在制動過程中的溫度變化。另一個測溫點(diǎn)位于銅套中，銅套在制動過程中和制動盤接觸，測溫點(diǎn)距銅套和制動盤接觸面3 mm處，用于測量在制動過程中制動盤的溫度。測溫試驗(yàn)如圖13～16所示。

圖13 盤式制動測溫結(jié)構(gòu)示意圖

圖14 盤式制動測溫結(jié)構(gòu)

圖15 鼓式制動測溫結(jié)構(gòu)示意圖

圖16 鼓式制動測溫結(jié)構(gòu)

4.2.4.1 常規(guī)30 km/h緊急制動測溫試驗(yàn)

a.制動盤/制動鼓測溫試驗(yàn)

制動盤/制動鼓測溫結(jié)果如圖17、18所示。從圖17、18可以看出：每次制動過程中溫度上升，單次緊急制動完成后溫度下降，由于制動系統(tǒng)在制動過程中各溫度階段盤式制動摩擦副的貼合要好于鼓式制動，且貼合的變化程度都要小于鼓式制動，故每次制動過程中溫度變化情況盤式制動各盤溫度一致性均優(yōu)于鼓式制動。

圖17 盤式制動30 km/h緊急制動制動盤溫升變化

圖18 鼓式制動30 km/h緊急制動制動鼓溫升變化

b.制動盤/制動鼓對比分析（平均值）

由表11可知：由于車輛的制動是將車輛的動能轉(zhuǎn)化為熱能，制動盤溫升高于制動鼓，表明盤式制動時車輛動能轉(zhuǎn)化的效果更好，制動效果更優(yōu)。

表11 制動盤/制動鼓對比分析

4.2.4.2 閘片/剎車片測溫試驗(yàn)

a.閘片/剎車片測溫結(jié)果

閘片/剎車片測溫結(jié)果如圖19、20所示，從圖19、20可以看出：由于制動系統(tǒng)在制動過程中各溫度階段盤式制動摩擦副的貼合要好于鼓式制動，且貼合的變化程度都要小于鼓式制動，故每次制動過程中溫度變化情況盤式制動各盤溫度一致性均優(yōu)于鼓式制動。

圖19 盤式制動30 km/h緊急制動閘片溫升變化

圖20 鼓式制動30 km/h緊急制動剎車片溫升變化

b.閘片/剎車片對比分析

從表12可以看出：制動系統(tǒng)在制動過程中，盤式制動和鼓式制動都能滿足制動要求，由于鼓式制動結(jié)構(gòu)較盤式制動較封閉，盤式制動散熱性能更好，導(dǎo)致盤式制動溫升低于鼓式制動。

表12 閘片/剎車片對比分析

4.2.5 常規(guī)熱衰退試驗(yàn)

4.2.5.1 制動盤/制動鼓常規(guī)熱衰退試驗(yàn)

在試驗(yàn)過程中，制動開始時的初始車速為60 km/h，制動次數(shù)不小于20次，制動循環(huán)周期為60 s，通過調(diào)整制動控制力，使第一次制動時，相對于掛車重量的充分發(fā)出的減速度達(dá)到3 m/s2,并在后續(xù)制動中保持該控制力。

a.制動盤/制動鼓測試結(jié)果

熱衷退試驗(yàn)結(jié)果如圖21、22所示。

盤式制動在較短時間內(nèi)溫升達(dá)到300℃左右，制動效能較高。

圖21 盤式常規(guī)熱衰退試驗(yàn)制動盤溫升變化

圖22 鼓式制動熱衰退試驗(yàn)制動鼓溫升變化

鼓式在較長時間后溫升達(dá)到200℃左右，制動效能較

b.制動盤/制動鼓對比分析

表13 制動盤/制動鼓對比分析

從表13可以看出：制動系統(tǒng)在制動過程中，制動時將車輛的動能轉(zhuǎn)化為熱能，盤式制動效果優(yōu)于鼓式制動，使得盤式制動溫升高于鼓式制動。

4.2.5.2 閘片/剎車片常規(guī)熱衰退試驗(yàn)

a. 閘片/剎車片測試結(jié)果

圖23 盤式常規(guī)熱衰退試驗(yàn)閘片溫升變化

盤式制動在較短時間內(nèi)溫升達(dá)到300℃左右，制動效能較高。

圖24 鼓式制動熱衰退試驗(yàn)剎車片溫升變化

鼓式制動在較短時間內(nèi)溫升達(dá)到200℃左右，制動效能較

b.閘片/剎車片對比分析

表14 閘片/剎車片對比分析

從表14可以看出：在制動過程中，盤式制動溫升高于鼓式制動。

小結(jié)：從熱衰退試驗(yàn)制動過程制動盤和制動鼓的溫度可以看出，低溫或短時間制動，盤式和鼓式的制動性能無明顯區(qū)別。在長時間制動或是高溫制動時，鼓式制動會因制動鼓的高溫變形而失效。盤式制動可有效保證行車制動安全。

4.2.6 長大坡道試驗(yàn)測溫檢測

4.2.6.1 檢測內(nèi)容

在110國道從蓮花灘至德勝口路段（試驗(yàn)線路見圖25、26）進(jìn)行下大長坡道試驗(yàn)（盤式制動）。試驗(yàn)坡垂直高度425 m，長度16.7 km。整個試驗(yàn)路段坡度大于6%的坡度共3處，總長6.2 km，下長坡行駛過程中，共制動68次，總制動持續(xù)時間291 s，平均行駛速度43.8 km/h。

圖25 長大坡試驗(yàn)現(xiàn)場照片

圖26 試驗(yàn)線路圖

4.2.6.2 長大坡道制動制動盤溫升變化

長大坡道試驗(yàn)結(jié)果如圖27、28所示。從上述試驗(yàn)可以看出，在連續(xù)長大坡制動時，盤式制動器制動盤最高溫度為500℃，而盤式制度的失效溫度約800℃，在長大坡制動時，盤式制動器仍可實(shí)現(xiàn)有效制動；而鼓式制動在由于結(jié)構(gòu)比較封閉，搭載鼓式制動器半掛車都加裝了淋水器，在下長坡連續(xù)制動時，淋水為制動器降溫，避免連續(xù)制動時出現(xiàn)熱失效。本次試驗(yàn)考慮到長坡連續(xù)制動時鼓式制動器可能出現(xiàn)熱失效而引發(fā)安全事故，故未進(jìn)行鼓式制動的大長坡道制動試驗(yàn)。

圖27 長大坡道制動制動盤溫升變化

圖28 長大坡道制動閘片溫升變化

5 結(jié)語

在冷態(tài)制動試驗(yàn)時盤式制動和鼓式制動的制動性能無明顯區(qū)別，但是在長時間（連續(xù)）制動或者高溫制動時，由于鼓式制動器形如密封的鍋體，散熱性能比盤式制動差，鼓式制動摩擦片會因高溫導(dǎo)致摩擦系數(shù)快速衰減，從而使制動力矩大大降低，嚴(yán)重影響制動安全性能，特別是車輛在下長坡或者長時間制動時，鼓式制動往往會因?yàn)楦邷刈冃螌?dǎo)致熱失效從而引發(fā)交通事故。而盤式制動多為通風(fēng)盤設(shè)計，結(jié)構(gòu)外露，散熱快，較鼓式系統(tǒng)有更好的熱穩(wěn)定性，在長時間（連續(xù)）制動或者高溫制動時制動性能更優(yōu)，能有效避免由于熱衰退引發(fā)的交通事故。由于盤式制動器在熱衰退等方面性能的優(yōu)點(diǎn)，危險貨物運(yùn)輸半掛車、三軸的欄板式和倉柵式半掛車在實(shí)際使用過程中發(fā)生事故的車輛制動失效，制動不良情況普遍，通過裝備盤式制動器可更好地保證車輛制動性能。