鐵路貨車自動駐車技術(shù)研究

劉毅，全瓊，申燕飛，楊建平，李謀逵，李果，毛富英

（眉山中車制動科技股份有限公司，四川眉山 620010）

駐車制動是鐵路車輛的一種輔助備用制動技術(shù)，在空氣制動力消除后，可使車輛繼續(xù)保持制動力，防止車輛在軌道上移動引起安全事故。目前國內(nèi)外大量采用的是手制動機，人力搬動手制動機，通過基礎(chǔ)制動裝置，在車輛制動摩擦副之間產(chǎn)生作用力，阻止車輛發(fā)生移動。

傳統(tǒng)的手制動機優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，具有制動、緩解和調(diào)力功能，通常增加滑輪或者輔助杠桿，以適應不同駐車制動力的要求。但也存在不足，比如駐車力的大小取決于操作者的力量大??；對操作者的依賴程度高，存在操作者在車輛運行前忘記緩解等誤操作的情況，輪瓦沒有脫開或脫開不充分，造成車輛帶閘運行，導致踏面擦傷等安全隱患；對于整列車而言，要逐一進行駐車制動或者緩解的手動操作，費時費力，工作效率十分低下。

隨著技術(shù)的發(fā)展，為減輕操作者的強度，防止手制動后列車開走而未釋放手制動等誤操作，國內(nèi)外產(chǎn)生了新的駐車制動技術(shù)，即自動駐車制動。

自動駐車制動按制動力來源分為彈簧制動和保持制動。彈簧制動就是駐車制動力來自彈簧，靠壓力空氣作用壓縮彈簧蓄能，駐車時，排壓力空氣，蓄能彈簧推動駐車機構(gòu)形成制動力。該類型的駐車技術(shù)已廣泛用在高鐵、城軌地鐵、機車、工程車的單元制動缸或踏面制動器上，技術(shù)非常成熟。另一種是保持制動，保持制動本身不產(chǎn)生制動力，而是將制動作用發(fā)生時的制動力依靠駐車機構(gòu)保持住，駐車機構(gòu)將制動缸活塞桿鎖定不緩解而形成駐車制動力。

我國目前鐵道貨車絕大部分仍然是以手制動機為主。近些年來，國內(nèi)出口車外方要求車輛帶自動駐車裝置。比如澳大利亞Royhill公司的漏斗車要求裝自動駐車裝置；國內(nèi)的國能集團的自備車開始加裝自動駐車裝置。目前國內(nèi)還沒有一款成熟的、可靠的自動駐車裝置，也沒有相關(guān)的技術(shù)標準。

文中在對目前國內(nèi)外鐵路貨車自動駐車技術(shù)進行分析的基礎(chǔ)上，提出一種新的自動駐車技術(shù)方案，并對貨車自動駐車技術(shù)提出建議。

1 國外自動駐車制動技術(shù)

國外駐車制動技術(shù)中彈簧蓄能駐車制動以KNORR公司的產(chǎn)品為代表，保持制動以西屋公司的產(chǎn)品為代表。

KNORR公 司 的TSPB（Tension Spring Park Brake）型駐車制動屬于彈簧蓄能制動，如圖1所示，其制動力大小取決于彈簧力。

圖1 TSPB駐車制動缸裝車圖

TSPB型駐車制動缸替代手制動機，其活塞與制動缸前杠桿連接。列車管的壓力空氣通過駐車控制閥進入TSPB型駐車制動缸，壓縮駐車缸體中的蓄能彈簧，使駐車制動缸處于緩解狀態(tài)。當列車發(fā)生制動作用后，且列車管壓力降低到某設(shè)定壓力值時，駐車控制閥排出駐車制動缸的壓力空氣，駐車活塞在蓄能簧的作用下回退，從而帶動制動缸前杠桿向制動方向運動，形成駐車制動。當列車管壓力上升到設(shè)定壓力后，駐車制動缸通過駐車控制閥充氣，駐車活塞向緩解方向運動，帶動制動缸前杠桿緩解。這類駐車制動，駐車控制閥一般都有制動力防迭加功能。

西屋公司在集成制動裝置上的制動缸帶駐車機構(gòu)，如圖2所示，屬于保持制動。制動缸活塞桿外表面為非自鎖螺紋，與之配合的螺母外表面為棘輪，也叫棘輪螺母，如圖3所示，靠棘爪來控制棘輪轉(zhuǎn)動，從而控制螺母的轉(zhuǎn)動。

圖2 制動缸（集成駐車制動）安裝在轉(zhuǎn)向架上

圖3 制動缸（集成駐車制動）示意圖

當列車管壓力大于設(shè)定值時，列車管的壓力空氣通過駐車控制閥引入棘爪控制機構(gòu)中，棘爪與棘輪脫開，棘輪處于自由狀態(tài)。制動時，壓力空氣進入制動缸，推動活塞向制動方向移動，螺桿帶動棘輪螺母轉(zhuǎn)動；緩解時，活塞在緩解彈簧的作用下回退，棘輪螺母反方向轉(zhuǎn)動（與制動時的轉(zhuǎn)動方向比較），此時，與普通的制動缸沒有區(qū)別。

當發(fā)生制動作用，且列車管壓力降低到設(shè)定壓力時，駐車控制閥排棘爪控制機構(gòu)中的壓力空氣，棘爪控制機構(gòu)中的蓄能簧帶動棘爪與棘輪螺母嚙合，棘輪螺母僅允許活塞桿（非自鎖螺紋）向制動方向單向運動，緩解方向不能運動，與之嚙合的活塞桿也就被鎖定在制動位，即使制動缸中的壓力空氣完全漏泄，制動缸也處于制動位，即完成駐車制動。

當列車管壓力升高到設(shè)定值時，列車管的壓力空氣通過駐車控制閥引入棘爪控制機構(gòu)中，棘爪控制機構(gòu)帶動棘爪離開棘輪螺母，解除對棘輪螺母的限制，制動缸活塞（活塞桿）在緩解彈簧的作用下回退。處于駐車制動的制動缸，且制動缸中無壓力空氣時，可以通過手動緩解拉條，拉動棘爪離開棘輪螺母，實現(xiàn)駐車制動缸緩解。

保持制動本身不產(chǎn)生制動力，而是保持空氣制動時的作用力。也即駐車制動力的大小取決于最終空氣制動力，最大制動力就是全制動或緊急制動力。

KNORR公司的TSPB型駐車制動替代手制動機，利用列車管壓力信號變化，自動實現(xiàn)駐車制動及緩解，并且能在無壓力空氣時，反復實施手動制動、緩解。西屋公司的駐車制動屬于保持制動，是在制動作用發(fā)生后，當列車管壓力降低到某設(shè)定值時，駐車機構(gòu)動作，將活塞桿鎖定，阻止其回退，即使制動缸中的壓力漏泄為0，駐車制動不受影響，只有一次手動緩解。上述2種駐車制動，都能實現(xiàn)自動駐車制動。

2 國內(nèi)自動駐車制動技術(shù)

我國自動駐車技術(shù)在貨車上的運用目前處于起步階段。

APB-1型駐車制動裝置是國內(nèi)一款自動駐車制動裝置，如圖4所示。列車管的壓力空氣通過駐車控制閥進入駐車制動缸，該裝置具備自動制動、自動緩解功能，同時具備手動緩解功能。

圖4 APB-1型駐車制動器

國內(nèi)某公司出口機車配置的國產(chǎn)彈簧制動器，如圖5所示，直接與制動缸前杠桿連接，實現(xiàn)駐車制動，其中紅色的手柄用于手動緩解。

圖5 某出口機車裝用的彈簧制動器

上述2款駐車制動裝置均屬于彈簧蓄能制動，近年來國內(nèi)出現(xiàn)了保持制動產(chǎn)品。比如C80車安裝的防溜器，如圖6所示。防溜器連接器體（圖6中的件號1）、新增的連桿系統(tǒng)與制動前杠桿連接，列車管壓力空氣從圖示的法蘭進入防溜器，防溜器處于緩解位。發(fā)生制動作用時，防溜器連接器體縮進防溜作用機構(gòu)3中，當列車管壓力降低到設(shè)定壓力時防溜器動作，將防溜器連接器體1鎖定而不能后退，結(jié)果是制動前杠桿不能回退，從而保持制動力，起到駐車防溜作用。防溜器能夠通過快緩解機構(gòu)5緩解駐車作用。

圖6 車輛自動防溜器組成示意圖

從上述分析中知，自動駐車裝置中無論是彈簧制動的TSPB、APB-1，還是保持制動中的自動防溜器都是與制動缸前杠桿相連，代替手制動機，利用列車管壓力信號，實施自動駐車制動、緩解。不僅需要增加控制信號管路，也需要改動車體底部布局以適應自動駐車裝置的安裝，增加了車體的設(shè)計及改造難度。下面介紹一種將駐車制動集成在既有制動缸上的自動駐車技術(shù)，即MPB-1型自動駐車制動缸。

3 MPB-1型自動駐車制動缸

3.1 駐車制動缸在制動系統(tǒng)中的布置

MPB-1型駐車制動缸在外形上與既有制動缸類似，如圖7所示，接口一致，可以直接替換目前的制動缸。從貨車制動管取壓力空氣通過駐車控制閥引入制動缸駐車機構(gòu)，如圖8所示，在貨車制動管壓力低于設(shè)定壓力值時，自動實施駐車制動。MPB-1型自動駐車技術(shù)屬于保持制動。

圖7 MPB-1型駐車制動缸

圖8 駐車制動缸在制動系統(tǒng)中布置（安裝）

MPB-1型駐車制動缸在普通制動缸前蓋上集成駐車制動機構(gòu)，從列車管引入壓力空氣，在列車運行過程中，駐車機構(gòu)在列車管壓力作用下處于緩解狀態(tài)。制動作用發(fā)生，且列車管壓力降低到設(shè)定壓力時，駐車機構(gòu)動作，結(jié)果是將制動缸活塞桿鎖定而無法回退，即使制動缸中的壓力降低為0，制動缸也不能緩解，起到駐車制動作用。當列車管壓力增加，駐車機構(gòu)解鎖，活塞桿在緩解彈簧作用下回退，制動缸緩解。當列車管由于某些原因沒有壓力空氣時，駐車制動缸也可以通過手動緩解機構(gòu)對駐車機構(gòu)進行緩解。

保持制動制動力的大小取決于制動作用發(fā)生直至列車停止時的制動力，停車時的制動力大，保持制動力就大，所以在車輛停穩(wěn)后，司機可以通過追加減壓制動，以提高制動力，從而提高駐車制動力；保持制動不能重復手動制動、緩解，但其制動缸與駐車制動集成在一起，結(jié)構(gòu)更為緊湊。

3.2 結(jié)構(gòu)介紹

MPB-1型駐車制動缸結(jié)構(gòu)如圖9所示，缸體及缸座組成與現(xiàn)有制動缸完全一致。主要區(qū)別是活塞組成、前蓋組成，并增加駐車機構(gòu)。

圖9 MPB-1型駐車制動缸結(jié)構(gòu)

3.2.1 活塞組成

活塞組成中活塞采用沖壓工藝，以減輕活塞重量。通過鎖圈將Y形密封圈鎖固，減小密封圈漲大的趨勢［1］，防止其脫落。為承受駐車制動時來自推桿的作用力，推桿座與活塞桿27螺紋連接，活塞桿與活塞焊接相連，推桿座不能軸向移動，如圖10所示?；钊麠U外圓周有環(huán)狀溝槽，駐車制動時，駐車機構(gòu)中的駐車鎖圈徑向收縮，卡住該凹槽，如圖11所示，防止活塞桿后退，實現(xiàn)鎖緊。

圖10 活塞組成

3.2.2 駐車機構(gòu)

駐車機構(gòu)主要由3部分構(gòu)成，如圖11所示：鎖緊機構(gòu)、駐車缸組成及手動緩解機構(gòu)構(gòu)成。通過安裝座與前蓋組成螺紋相連。

圖11 鎖緊機構(gòu)示意圖

鎖緊機構(gòu)主要由安裝座、駐車鎖圈、鎖頭及斜楔構(gòu)成。當制動作用發(fā)生后，且列車管壓力低于設(shè)定值時，蓄能簧推動駐車活塞、復位套，推動斜楔向左運動，斜楔推動鎖頭向上移動，駐車鎖圈在鎖頭的作用下收攏，卡住活塞桿上的環(huán)形槽，起駐車制動作用。

3.2.3 駐車缸組成

駐車缸組成如圖12所示，主要由安裝座構(gòu)成的缸體、駐車活塞、Y形密封圈、蓄能簧及限位筒構(gòu)成。

圖12 駐車缸組成示意圖（充氣緩解）

列車管的壓力空氣通過左邊的法蘭接頭、過濾器，進入駐車活塞的左腔室，左邊活塞桿通過O形圈密封，活塞通過Y形密封圈與缸體密封，壓力空氣壓縮蓄能簧，直到與限位筒接觸。

當制動作用發(fā)生后，列車管壓力空氣降低到設(shè)定值，駐車控制閥排駐車缸壓力空氣，蓄能簧推動活塞左移，推動復位套，進而推動斜楔，鎖頭徑向向上運動，將駐車鎖圈收攏，卡住活塞桿上的環(huán)形凹槽，阻止活塞回退，起駐車制動作用，如圖13所示。

圖13 駐車缸組成示意圖（駐車制動）

再次充氣時，駐車活塞右移，緩解螺釘帶動斜楔右移，鎖頭在駐車鎖圈的作用下徑向外移，駐車鎖圈復原，制動缸活塞在緩解彈簧的作用下回退緩解。

3.2.4 手動緩解機構(gòu)

在列車管沒壓力空氣，無法靠壓力空氣來克服蓄能簧的作用來緩解時，可拉動手動緩解機構(gòu)來實現(xiàn)，如圖14所示。

圖14 手動緩解機構(gòu)示意圖

手動緩解過程中，斜楔在拉環(huán)的作用下右移，斜楔將來自拉環(huán)的力傳遞給復位套，再傳遞給駐車活塞，最后傳遞給蓄能簧，壓縮蓄能簧。與此同時，手動緩解錐柄在拉環(huán)的作用下向右移，與其錐面配合的卡銷有徑向外移的趨勢，但是由于限位套的限制不能外移，當卡銷隨手動緩解機構(gòu)右移到不受限位套限制的位置時，卡銷徑向伸出，如圖15所示，釋放拉環(huán)時，卡銷被限位套卡住不能縮回，并在蓄能簧的作用力下鎖定在限位套臺階上，如圖16、圖17所示。此時活塞右端面與限位套有一定距離，當列車管充氣時，駐車活塞在壓力空氣作用下克服蓄能簧的作用力右移，卡銷與限位套脫離，卡銷在卡銷簧的作用下縮進手緩安裝座，為下次駐車制動做好準備。

圖15 手動緩解機構(gòu)卡銷伸出

圖16 手動緩解機構(gòu)卡銷被鎖定

圖17 手動緩解機構(gòu)卡銷被鎖定在限位套上

3.3 工作原理

3.3.1 駐車機構(gòu)充氣解鎖（緩解）狀態(tài)

列車在行駛過程中，列車管的壓力空氣通過進氣管座，過濾器充入駐車活塞的左側(cè)，壓縮蓄能簧，直到限位筒限位，駐車活塞不再向右運動，同時，手動緩解機構(gòu)在活塞的帶動下向右移動，通過緩解螺釘帶動斜楔右移，鎖頭徑向外移，駐車機構(gòu)處于解鎖（緩解）狀態(tài)，制動缸也處于緩解狀態(tài)如圖18所示。

圖18 制動缸緩解狀態(tài)（駐車機構(gòu)解鎖）

制動缸處于制動狀態(tài)如圖19所示，但是列車管的壓力空氣沒有降低到設(shè)定值，而是足以克服蓄能簧的作用力，駐車機構(gòu)處于解鎖狀態(tài)。壓力空氣進入活塞組成的左側(cè)推動活塞向制動方向運動，制動力通過推桿頭座，推動推桿，推桿推動基礎(chǔ)制動裝置產(chǎn)生制動力，此時駐車鎖圈未內(nèi)縮，與活塞桿徑向有間隙（圖19）。

圖19 制動缸制動狀態(tài)（駐車機構(gòu)解鎖）

3.3.2 駐車機構(gòu)排氣鎖止（駐車）狀態(tài)

列車制動時，列車管空氣壓力降低，與之相連的駐車活塞左側(cè)壓力降低，當壓力空氣作用在活塞上的力不足以平衡蓄能簧的作用力時，蓄能簧推動駐車活塞向左運動，駐車活塞推動復位套，進而推動斜楔向左運動，斜楔通過斜面推動鎖頭徑向上移，使得駐車鎖圈內(nèi)收，卡住因為制動而伸出的活塞桿（圖10中）的環(huán)形凹槽，如圖20所示，活塞桿就不能回退。

圖20 制動缸駐車制動狀態(tài)（駐車機構(gòu)鎖止）

駐車機構(gòu)充氣解鎖：當列車緩解時，列車管空氣壓力升高，推動駐車活塞向右運動，直到限位套擋住不能繼續(xù)，同時手動緩解機構(gòu)帶動斜楔回退，鎖頭在駐車鎖圈復原力的作用下下移，駐車鎖圈復位而離開活塞桿的環(huán)形凹槽，完成鎖緊機構(gòu)的解鎖，活塞組成在緩解簧的作用下回到缸體底部，緩解結(jié)束（圖18）。

3.3.3駐車機構(gòu)手動解鎖（手動緩解）狀態(tài)

駐車機構(gòu)除了充氣解鎖外，也可以手動解鎖。當沒有壓力空氣充入駐車缸腔室（駐車活塞左側(cè)）又需要解鎖時，拉動拉環(huán)，通過手動緩解機構(gòu)拉動斜楔右移，鎖頭在駐車鎖圈復原力的作用下下移，駐車鎖圈復位而離開活塞桿的環(huán)形凹槽，完成鎖緊機構(gòu)的解鎖。

3.4 試驗驗證

MPB-1型自動駐車制動缸是在既有制動缸的基礎(chǔ)上增設(shè)了駐車制動機構(gòu)，根據(jù)TB/T 2838對駐車制動缸進行例行試驗、型式試驗，試驗結(jié)果表明滿足標準要求。文中重點關(guān)注其駐車制動力試驗。

駐車制動力試驗裝置如圖21所示，用4根彈簧模擬基礎(chǔ)制動裝置的彈性變形，彈簧設(shè)計依據(jù)是空車位制動行程155 mm，重車位行程195 mm，對應的制動缸壓力分別為140 kPa，360 kPa。試驗數(shù)據(jù)見表1。

表1 駐車制動缸試驗記錄

圖21 駐車力測試試驗臺

以C80B為例來看駐車制動力情況，坡道按30‰計算，駐車能力見表2。

表2 駐車能力

從表2可知，C80B車在30‰的坡道上停駐，空車安全系數(shù)1.23，重車在列車管定壓500 kPa時安全系數(shù)1.08，定壓600 kPa時安全系數(shù)1.26。當然，目前C80B運行路線的最大坡道不超過15‰，安全系數(shù)翻倍。

4 結(jié)論及建議

MPB-1型自動駐車制動缸與現(xiàn)有制動缸接口保持一致，增設(shè)了駐車制動機構(gòu)，當列車管壓力降低至設(shè)定值時，駐車機構(gòu)動作，鎖定活塞桿，阻止活塞桿回退，起保持制動作用，即使制動缸壓力空氣完全漏泄，駐車制動力也能保持。

已駐車的MPB-1型自動駐車制動缸可以通過列車管充風來緩解，當列車管壓力超過設(shè)定值時，駐車機構(gòu)動作，解除對活塞桿的鎖定；當列車管無壓力空氣時，也可以通過手動緩解機構(gòu)緩解駐車制動。

通過性能試驗、疲勞試驗等試驗驗證結(jié)果表明，MPB-1型自動駐車制動缸性能參數(shù)能夠滿足TB/T 2838的要求，駐車制動力滿足30‰的坡道駐車要求。

高鐵動車、城軌地鐵、機車、工程車上已廣泛運用自動駐車制動技術(shù)，在制定貨車駐車制動標準時，明確駐車制動技術(shù)不應影響列車的編組，具有快速手動緩解功能，便于列車編組前的摘管、排風操作。就駐車技術(shù)而言，建議優(yōu)先采用保持制動，將制動缸與駐車機構(gòu)集成在一起，實現(xiàn)自動駐車制動，也便于既有車輛的改造。