歐洲鐵路貨車制動計算與試驗

王小飛，翟鵬軍，李 政

(中車山東機車車輛有限公司，山東 濟南 250022)

隨著貨車出口業(yè)務(wù)的增加，國內(nèi)對歐洲市場的開拓也正在進(jìn)行。本文結(jié)合中車山東機車車輛有限公司(以下簡稱“中車山東公司”)近年來出口歐洲貨車的項目，對UIC歐洲鐵路貨車制動系統(tǒng)進(jìn)行了分析，重點介紹了制動計算及試驗方面的應(yīng)用情況，對國內(nèi)貨車制動方面的研究提出了建議。

1 UIC歐洲鐵路貨車制動系統(tǒng)的特點

UIC歐洲鐵路貨車制動系統(tǒng)是按照適應(yīng)其列車編組特點和運用地理條件等演變成熟發(fā)展而成的，并形成了相對完整的UIC、TSI及EN標(biāo)準(zhǔn)體系。歐洲國家多山地，列車編組較短，對制動力的階段可控性及衰減問題特別重視，因此逐步研發(fā)制成了采用列車管、控制風(fēng)缸及制動缸壓力平衡控制、不衰減性較好的三壓力閥。機車制動閥以自動保壓式為主，與車輛制動機配套構(gòu)成一個完善的自動補氣風(fēng)系統(tǒng)，并且其緩解過程與再充氣同時完成，以防止壓力空氣制動力衰竭[1]。這與AAR及國內(nèi)制動系統(tǒng)適應(yīng)長大列車的特性有明顯區(qū)別。

歐洲鐵路貨車的編組較短，通常不大于700 m，根據(jù)牽引質(zhì)量的不同，制動機可進(jìn)行G/P轉(zhuǎn)換位置(P位制動及緩解時間快于G位)，以保證列車縱向沖擊在合理的范圍內(nèi)。表1為德國鐵路(DB)貨車編組的制動機G/P位切換情況實踐。

2 制動系統(tǒng)配置

以中車山東公司出口的Eanos型敞車為例，制動裝置包括空氣制動裝置和手制動裝置?？諝庵苿友b置主要由具有自動空重車轉(zhuǎn)換裝置的控制閥、稱重閥、制動缸、副風(fēng)缸、閘調(diào)器、軟管連接器、折角塞門、G-P轉(zhuǎn)換裝置、隔離裝置，高摩合成閘瓦等零部件組成。圖1為Eanos型敞車制動系統(tǒng)原理圖。

手制動裝置由手輪、螺旋減速器、拉桿等零部件組成，通過安裝在車輛兩側(cè)的手輪進(jìn)行操作。

其他類型的貨車根據(jù)車體空間、裝載情況及車輛長度等因素，制動系統(tǒng)配置會有不同形式的變化，比如罐車多采用兩級空重車(手動或自動)調(diào)整裝置,手制動裝置安裝在端部；關(guān)節(jié)式平車或馱背運輸車的配置是2個控制閥或1個控制閥加1個中繼閥的組合方式，控制3個制動缸，實現(xiàn)對3臺轉(zhuǎn)向架制動力的精確控制。

表1 DB貨車編組的制動機G/P位切換情況實踐

圖1 Eanos型敞車制動系統(tǒng)原理圖

目前，歐洲一些貨車采用轉(zhuǎn)向架集成制動裝置，雖然單車價格高，但對于業(yè)主來說，全壽命周期成本并不高。集成制動裝置除了自身優(yōu)點外，也簡化了貨車制動裝置系統(tǒng)布局，提高了貨車車體設(shè)計的靈活性。

中車山東公司正在執(zhí)行的歐洲項目，要求車輛能在地鐵和國鐵線路上運行，這就需要制動系統(tǒng)能夠兼容地鐵和國鐵線路的不同制動響應(yīng)時間、速度和減速度等，該車的制動配置采用1個控制閥加2個中繼閥的組合模式，設(shè)置地鐵和國鐵工況切換手柄，實現(xiàn)國鐵和地鐵制動能力的切換，同時配備停放制動系統(tǒng)裝置滿足坡道停車的要求。

3 制動計算

3.1 空氣制動計算

UIC歐洲鐵路貨車關(guān)于制動計算的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)程以經(jīng)驗為主，計算的參數(shù)經(jīng)過大量試驗驗證，比較符合實際應(yīng)用情況。UIC 543:2018標(biāo)準(zhǔn)[2]規(guī)定了運行在S/SS模式下，貨車的制動質(zhì)量百分比通常在65%～125%之間。UIC 544-1:2014[3]標(biāo)準(zhǔn)詳細(xì)說明了制動力、制動質(zhì)量百分比的計算過程。EN 14531-1：2015+A1:2018[4]標(biāo)準(zhǔn)給出了制動距離、制動率、制動功率、制動質(zhì)量百分比、制動質(zhì)量、所需輪軌平均黏著系數(shù)等與制動相關(guān)的參數(shù)計算過程。對于機械制動系統(tǒng)，采用要計算平均減速度、所需輪軌平均黏著系數(shù)進(jìn)行計算，而不需要對制動過程進(jìn)行分段制動距離計算。由于歐洲合成閘瓦的摩擦因數(shù)較為穩(wěn)定，計算時采用平均摩擦因數(shù)。Knorr-Bremse、Faiveley和Dako等歐洲制動公司在制動計算報告中會計算減速度、制動質(zhì)量百分比、制動距離等參數(shù)。

區(qū)別于國內(nèi)和AAR標(biāo)準(zhǔn)中使用制動率(純制動率)來衡量車輛制動能力，UIC歐洲鐵路貨車普遍采用制動質(zhì)量百分比來衡量車輛制動能力，見公式(1)。制動計算以UIC 544-1:2014及EN 14531-1:2015+A1：2018標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)。

(1)

式中：λ——制動質(zhì)量百分比，%；

S——快速模式下的制動距離，m；

C，D——常數(shù)，見UIC 544-1:2014。

3.2 停放制動計算

根據(jù)UIC 543:2018和UIC 544-1:2014標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，對于新造貨車采用螺旋式手制動機，手輪施加0.5 kN的力，計算最大載重下可以產(chǎn)生20 t的制動質(zhì)量，同時保證利用的輪/軌(鋼/鋼)黏著系數(shù)不大于0.12。

停車制動裝置在新版TSI[5]中并非強制要求，通常下需要進(jìn)行通用安全方法(CSM)的評估，確定是否存在風(fēng)險，然后確定是否需要安裝該裝置。

3.3 “關(guān)門車”計算

《鐵路技術(shù)管理規(guī)程》規(guī)定編入列車的關(guān)門車數(shù)不超過現(xiàn)車總輛數(shù)的6%，而UIC標(biāo)準(zhǔn)中并沒有關(guān)門車數(shù)量的說法，但是對列車的總體制動質(zhì)量百分比進(jìn)行了規(guī)定，即不超過標(biāo)準(zhǔn)允許的最小值。列車發(fā)車前需要計算列車的總體制動質(zhì)量百分比，這也是UIC歐洲國家引入制動質(zhì)量百分比的目的和根本所在。

4 制動試驗

4.1 靜態(tài)試驗

單車靜態(tài)制動試驗需要符合UIC 547:1989標(biāo)準(zhǔn)[6]要求，進(jìn)行氣密性、靈敏度、階段制動、階段緩解、制動/緩解時間、制動缸壓力、閘調(diào)器功能等測試，除此之外，還需要進(jìn)行過球測試及閘瓦壓力測試。

以DB Cargo公司的雙層運輸汽車的貨車為例，過球測試要求直徑20 mm的測試球能夠從車輛一端軟管穿過，從車輛另一端軟管落出。閘瓦壓力測試前各杠桿、圓銷及潤滑接觸面需涂適量潤滑脂，測試結(jié)果比理論計算值偏大。表2為閘瓦壓力實測值。

表2 閘瓦壓力實測值 kN

根據(jù)閘瓦壓力測試值推算的傳動效率為0.9～0.93，重車偏大一些，理論計算值是根據(jù)UIC 544-1:2014標(biāo)準(zhǔn)按照傳動效率0.83計算，該傳動效率是考慮了杠桿機構(gòu)在2個維修間隔期的效率損失，如杠桿磨耗、圓銷磨耗等影響因素，圖2為傳動效率隨貨車運用年限增加的基本變化趨勢。此要求與國內(nèi)貨車非潤滑狀態(tài)下測試閘瓦壓力要求(按照運裝貨車[2004]370號執(zhí)行)有差別，計算的制動率(全車測試閘瓦總壓力除以車輛標(biāo)記質(zhì)量)符合主機廠給定的范圍即可，對于新造貨車在潤滑條件下閘瓦壓力和制動率的變化，有必要進(jìn)行測試并校核，以防止空車發(fā)生滑行。

圖2 傳遞效率與貨車運用年限的關(guān)系

4.2 緊急制動試驗

被試車輛需要在線路上通過單車溜放試驗進(jìn)行緊急制動測試，測量緊急制動距離，從而驗證制動質(zhì)量百分比是否滿足要求。通常的做法是，靜止?fàn)顟B(tài)下接通試驗編組和被試車輛的列車管，由機車向被試車輛制動系統(tǒng)充風(fēng)。充至定壓后，關(guān)閉試驗編組和被試車輛間列車管折角塞門，摘開列車管。由機車牽引試驗編組，當(dāng)速度達(dá)到預(yù)定試驗速度后，使被試車輛從試驗編組中脫離、同時打開被試車輛的列車管折角塞門施行緊急制動，記錄制動初速度、制動距離和時間、制動缸、列車管、副風(fēng)缸壓力及閘瓦壓力。

以Eanos型敞車為例，該車需要進(jìn)行空車、部分裝載(此時制動缸壓力達(dá)到最大值)、滿載工況下的溜放試驗。表3為線路制動溜放試驗結(jié)果。該表中制動距離S是取樣4次試驗結(jié)果，并通過修正后確定的平均值；其中B=λ/車輛質(zhì)量。

表3 制動溜放試驗結(jié)果

通過溜放試驗過程中測量的閘瓦壓力，可以確定測試車輛實際的傳動效率。表4為測試數(shù)據(jù)。

因被試車輛狀態(tài)較好，傳動效率較高，與車輛實際運用幾年后的數(shù)值會有差別。因此，需要結(jié)合實際運行的平均傳動效率(即：η=0.83)及正常制動缸壓力，按照UIC 544-1:2014附件F.3.3公式修正平均制動距離，修正后的制動距離有所延遲但仍滿足要求，制動質(zhì)量百分比也滿足要求。表5為制動溜放試驗修正值。

表4 制動裝置的動態(tài)傳動效率

表5 制動溜放試驗修正值

5 總結(jié)

雖然UIC歐州國家的鐵路貨車和國內(nèi)的貨車在制動制式、適應(yīng)編組長度上均有明顯區(qū)別，但是對于基礎(chǔ)制動裝置而言沒有區(qū)別，均為杠桿式的傳動裝置。相比UIC標(biāo)準(zhǔn)對制動計算及試驗的規(guī)定非常明確，國內(nèi)缺乏相對系統(tǒng)完整的與之相對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)，尤其是制動計算時摩擦因數(shù)及傳動效率的定義上，各主機廠的計算報告不統(tǒng)一，鑒于摩擦因數(shù)及傳動效率對空車黏著校核和制動距離的影響，建議有關(guān)單位規(guī)范此方面的內(nèi)容，形成標(biāo)準(zhǔn)體系。