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              • 論文
              主辦單位:煤炭科學研究總院出版傳媒集團、中國煤炭學會學術期刊工作委員會

              70年來我國鐵路重載貨運制動技術發展歷程

              2021-04-06   來源:鐵道機車車輛

                最新相關:為進一步提升鐵路貨車運輸能力和綜合效益,提高車輛服役可靠性,近日,國家能源集團鐵路裝備公司重載列車電制動系統研究實施方案順利通過專家評審,正式進入系統研制階段。


                國內外既有制動系統主要有空氣制動系統(空空)和ECP電控空氣制動系統(電空)兩種,二者除信號傳遞方式不同外,均采用以空氣壓力作為動力、以杠桿進行機械傳遞的模式,在運用檢修中存在諸多問題,限制了列車運輸效益提升,甚至影響運輸組織和秩序。公司研究的電制動系統將全面采用信息技術、自動控制技術、以及智能感知技術,開創性的構建了從控制到執行、從管理到安全的全電制動技術架構。該系統以電取代壓縮空氣作為動力,以邏輯電路取代機械傳動,以智能化實現精準控制,以信息感知保證運行安全,具有結構簡單,安全性好,集成化程度高等特點,可徹底解決現有制動系統空氣漏泄故障。研制成功后,預計將降低30%制動距離,提高列車速度約20km/h,減少運維故障,提升貨物運輸效益。


                “重載列車電制動系統研究”項目以世界領先的鐵路新一代高端制動技術為目標,實現制動技術由“空空”及“電空”模式向”電電”模式轉變的顛覆性突破,是鐵路貨車領域一次重大的技術革命,為公司實現創新驅動、技術引領、提質增效,打造智能運維綠色運輸平臺奠定了基礎。

                

              我國鐵路重載運輸開始于上世紀80年代初。改革開放以后,國民經濟快速發展,鐵路貨運量猛增,運量與運能的矛盾日益突出,發展重載運輸成為不二選擇。

                

                1980年鐵科院機輛所首次向國家計委、國家經委和鐵道部建議實施重載運輸。國家經委和鐵道部采納了該建議,并安排鐵科院開展相關科研課題。1981年由國家科委、國家計委、國家經委及國家建委下達的交通系統主要技術政策研究中,鐵科院承擔了“鐵路牽引動力發展方向和發展步驟”、“提高旅客運輸能力及客車發展方向”、“鐵路大型貨車發展方向”等課題。鐵科院機輛所在1983~1984年期間,首次完成了4 000~5 000 t重載列車制動配套技術的試驗研究,并第一次在環行線進行了雙機牽引7 000~10 000 t貨運列車的探索性制動試驗。1984年,機輛所與北京鐵路局合作,在環形線和豐沙大線首次進行了5 000 t列車縱向動力學試驗,基本上摸清了長大重載列車的縱向力分布規律。

                

                在此期間,為了適應貨車制動技術研究和發展需要,鐵科院將建于1964年的100輛編組貨車制動試驗臺,擴展為150輛編組。本世紀初為了適用于長大貨運列車制動試驗的需要,又將試驗臺擴展到200輛編組。

                

                發展鐵路重載貨運的核心問題之一是制動問題。在開展重載列車研究初期,機輛所與南京摩擦材料廠合作,研制成功了407G型高摩合成閘瓦;與齊齊哈爾車輛廠等合作,研制了ST1-600型雙向閘瓦間隙自動調整器;研制了400A/B型貨車制動機空重車自動調整器。這些新技術與103制動閥、新型制動缸等配套,運用于重載C62A敞車。與此同時,鐵科院機輛所與齊廠合作,成功研制了用于大秦線單元運煤列車的縮短型專用C63A敞車,為開行重載組合列車而研制了組合列車空氣同步制動裝置和列車尾部主管壓力遙測裝置。

                

                空氣同步制動的基本原理是將組合列車前部列車尾部車輛的列車管與第2列車的機車自動制動閥連接,利用前部列車的列車管壓力變化控制后部列車的機車自動制動閥,代替了后部列車機車的司機操縱。列車制動時由本務機車操縱,第2列車的機車也參與列車的充風、制動和緩解作用,使組合列車制動和緩解過程加快。當時我國鐵路貨車主要是GK型制動機,在長大列車后部制動和緩解性能遲緩,再充風時間長,調速緩解沖動大,造成組合列車操縱困難,影響列車運行速度和通過能力。采用空氣同步制動裝置的8 000 t左右組合列車試驗數據表明,制動時間縮短了31~41%,緩解時間縮短了41~48%,再充風時間縮短了60%。空氣同步制動裝置為開行重載組合列車創造了條件,但是在試驗中出現的列車縱向沖動大的問題并沒有徹底解決。1984年在環行線進行的5 000 t103閥專列縱向動力學試驗中,20 km/h低速緩解試驗時出現列車中部車鉤鉤銷拉斷現象。在運行試驗時也曾經發生多次低速緩解斷鉤事故。造成斷鉤事故的原因,除了因為當時使用的2號車鉤強度低以外,制動機性能引起的列車沖動也是重要原因。試驗時還發現由于中部有機車,其質量大、制動率高,列車制動時中部的沖動更為明顯。

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                圖 重載組合列車示意圖

                

                120型貨車制動機研制

                

                在開展重載列車研究的初期,對于重載列車制動技術是進行自主研制還是直接采用國外技術,存在著很大的爭議。1983年國務院決定新建大秦鐵路運煤專線,計劃開行重載列車,初步考慮列車牽引質量要達到1萬t。1983~1984年國家經委、國家計委和鐵道部對已經開行重載列車的澳大利亞和美國進行考察,鑒于103閥和原有的鉤緩裝置不能滿足要求,因此制動裝置、車鉤、緩沖裝置成為考察的重點。經過考察初步決定引進美國的ABDW型制動控制閥等以解決我國萬噸重載列車縱向力問題。

                

                1988年3月對引進美國的ABDW制動閥與我國的GK制動閥專列和混編列車進行了制動試驗,試驗中發現3個問題:

                

                (1)用既有機車制動機操縱ABDW制動閥列車時,施加常用減壓后,保壓期間ABDW制動閥中的常用制動加速部排風不止,列車主管與副風缸壓力達到平衡才能停止,導致無法實現階段制動;

                

                (2)ABDW制動閥在-40 ℃時無法正常工作;

                

                (3)緊急制動后,第一次實施常用制動時,制動波速與GK閥相當。

                

                基于上述試驗結果,鐵道部決定停止引進ABDW制動閥。后續又購買了德國BD-60制動閥進行試驗,也出現上述前兩個問題。鐵道部決定自主研制重載列車制動裝置,并把新型貨車制動閥的研制任務交給了鐵科院機輛所和眉山車輛廠,目標為滿足萬噸重載列車制動要求。

                

                1989年鐵道部下達了設計任務書,要求新型制動閥的緊急制動波速>250 m/s、常用制動波速不小于180 m/s、緩解波速不小于150 m/s;采用直接作用方式,與既有貨車制動閥能夠無條件混編使用,可以與直徑φ254 mm和φ356 mm制動缸配套使用;與既有JZ-7、DK-1等型號機車制動機匹配,滿足最高速度80 km/h、長度1 500 m、質量10 000 t的重載貨運列車及最高速度100 km/h的快運列車在規定距離內停車的要求等。

                

                在鐵路行業制動機設計時,普遍遵循如圖2所示的列車管減壓曲線。從圖中可以看出,當列車管壓力空氣的漏泄或減壓速度小于40 kPa/min 時,制動機不應發生制動作用,這是對制動機的穩定性要求;當減壓速度為10~40 kPa/s時,制動機應產生制動作用,這是對制動機的靈敏度要求;當減壓速度為70~80 kPa/s時,制動機應產生緊急制動作用,這是對制動機的緊急制動靈敏度要求。滿足了這些要求才能保證新制動閥與既有制動閥動作協調一致。

                

                列車管減壓曲線.jpg

                圖 列車管減壓曲線

                

                新制動閥設計中保留了103閥原有優點,吸取了國外制動機的先進經驗,全面調整了參數。采用直接控制方式,減小了風缸容積,更適應重載列車要求。新設置加速緩解閥和11 dm3加速緩解風缸,采用排風口壓力來控制加速部動作,由加速緩解風缸向列車管逆流從而達到加速緩解的目的,提高了緩解波速。在原103閥緊急閥中增設小尺寸的先導閥,提高了緊急制動波速。主閥的作用部滑閥上增設一個φ0.2 mm的呼吸孔,在常用制動后保壓時,可溝通列車管與制動缸,以平衡主活塞兩側壓力,以適應機車壓力保持操縱。新制動閥設計圖號為120,因此該閥被命名為120閥。

                

                在室內試驗、大秦線萬噸運用試驗、耐寒運用考核、耐濕熱運用考核、高坡地區混編和壓力保持操縱試驗、低溫試驗等一系列試驗中,均取得良好的試驗結果。緊急制動波速達到270~280 m/s常用制動波速為225~255 m/s、緩解波速為180~200 m/s, 各項指標達到了同時代國外先進制動機水平。120閥的研制成功,為大秦線開行萬噸重載貨運列車創造了條件。1994年起在全路推廣,迄今在全路已經有超過80%的貨車安裝了120閥。120閥的研制成功也使1954年制動會議制定的目標得以全部實現。

                

                表1 貨車制動機的制動波速對比

              貨車制動機的制動波速對比.jpg

               

                120閥在設計之初,考慮到與GK閥混編運用的要求,暫時舍棄了常用制動加速功能。2002年大秦鐵路已經開行萬噸重載列車,年運量實現1億t。2003年鐵道部決定在大秦鐵路開行2萬t組合列車。隨著列車長度增加,制動系統的充排風時間越來越長,而常用制動的排風時間直接關系到常用制動距離,影響列車的安全與效率。在2003年3月鐵道部的重載會議上提出在120閥上增加常用加速制動功能,滿足萬噸以上重載運輸要求,并能與ECP、Locotrol等裝置配套使用。該項工作由鐵科院機輛所承擔,并列入2004年鐵道部科研項目。

                

                美國制動機在常用加速制動功能上也是走了一段彎路的。1975年,為了適應長大貨運列車進一步發展的需要,美國威斯汀豪斯公司在ABD閥基礎上增設了常用制動加速閥,以改善常用制動性能,縮短常用制動距離,這就是ABDW型閥。其常用制動加速閥采用脈沖式排風方式,運用中發現這種排風方式效果較差。在我國進行的ABDW閥與GK閥混編試驗時,正是這種排風方式導致振蕩不止而無法與GK閥混編使用。1994年美國威斯汀豪斯公司將ABDW閥的脈沖式排風改為連續排風,這就是后來的ABDX閥。ABDX閥改善了加速常用制動性能且比較穩定(試驗曲線如圖22所示)。

                

                120閥在改進時借鑒了ABDX閥的成功經驗,增加了加速常用制動功能。適用在壓力保持條件(補風)下運用的同時,又能在沒有壓力保持條件下與GK閥、120閥混編使用。改進后的120閥定型為120-1閥。試驗表明,從制動缸升壓開始至制動管再減壓130 kPa,120-1閥制動管減壓時間比120閥縮短了17%。在大秦線進行的2萬t編組列車靜置試驗中,常用全制動時120-1閥排風時間比120閥縮短了28%。而且隨著列車編組增加,常用制動減壓時間縮短越多。

                

                2005年120-1閥開始在大秦鐵路進行運用考核,并與Locotrol技術配套,進行了一系列不同編組的2萬t組合列車試驗。在1+2+1編組2萬t列車試驗中,各測試斷面中最大車鉤力比安裝120型制動機的敞車減小了41%~59%,平均值減小了30%~52%。4×5 000 t編組2萬t列車試驗中,各測試斷面中最大車鉤力比安裝120型制動機的敞車減小了37%~58%,平均值減小了21%~48%。說明采用120-1型制動機等設備后能明顯減小列車制動時的車鉤力。目前120-1型制動機已廣泛應用于我國鐵路重載列車及貨車。

                

                 CCBⅡ電空制動機和Locotrol無線同步操縱技術

                

                2萬t重載列車除了貨車采用120-1制動機,機車還采用了CCBⅡ電空制動機和Locotrol無線同步操縱技術。

                

                為了開行2萬t重載列車,2003年鐵道部組織考察組對美國、南非鐵路重載運輸技術進行研究及考察,對Locotrol技術和ECP(Electronically Controlled Pneumatic,電控空氣制動系統)技術等進行對比分析。通過考察認為Locotrol由于采用技術無線同步控制方式,牽引動力分布在列車的不同位置,有利于列車按不同目的地解編。而且Locotrol裝置結構簡單,只需對機車加裝改造,成本較低,有利于維護管理。在保障無線通信可靠性的前提下,采用Locotrol技術更適合中國國情和大秦線實際情況。因此決定引進Locotrol技術,并對CCBⅡ電空制動機進行試驗驗證。

                

                CCBⅡ電空制動機是NYAB公司(New York Air Brake,后來被Knorr公司收購)開發的基于LonWorks網絡技術、為滿足干線貨運和客運機車需要而設計的采用微機控制的電空制動系統。可通過網絡連接每個可替換單元(LRU),對制動系統的功能進行實時控制。

                

                CCBⅡ制動系統主要由電子制動閥EBV、電空控制單元EPCU、繼電器接口模塊RIM、集成處理器模塊IPM、協議轉換器等組成。電子制動閥EBV是一個雙手柄控制器,司機可在機車上施加自動制動和單獨制動,還能夠快速緩解或單獨緩解機車控制系統施加的自動制動。電空控制單元EPCU集成了空氣制動系統的大部分電子和氣動部件。繼電器接口模塊RIM為機車系統和常用列車線信號提供接口,繼電器的動作由不同的空氣制動系統部件控制。集成處理器模塊IPM是控制系統的主處理器,并與機車進行通信。協議轉換器通過一個共用通信總線把制動系統與機車其他電子部件和系統相連接。

                

                CCBⅡ制動系統具有自動制動、單獨制動、緊急制動、后備空氣制動、列車管流量檢測、空電聯合制動、防滑控制、停放制動控制等功能。還具有自檢、校準以及故障和事件記錄功能。

                

                在2004年10~12月鐵科院承擔的大秦線2萬t重載組合列車試驗中,試驗用機車為SS4電力機車,機車上安裝了CCBⅡ電空制動機和Locotrol裝置。試驗前期敞車配置了120型制動機,后期安裝了120-1型制動機。試驗列車由4臺SS4電力機車和204輛C80運煤專用敞車按分散動力方式組成組合列車,另外加掛了試驗車。列車制動性能試驗數據如表2所示。從表中可以看出,兩種組合列車制動性能基本一致,組合列車減壓時間比單編2萬t列車縮短70%以上、比單編1萬t縮短35%以上。兩種組合列車開始制動、緩解時間比單編2萬t列車縮短50%,與單編1萬t列車相當。說明采用Locotrol裝置可以大大縮短超長列車的減壓時間和再充風時間,全列車的制動、緩解作用更趨一致,使列車操縱更加靈活,有利于減小制動時的縱向車鉤力。試驗證明采用Locotrol技術和CCBⅡ電空制動機的技術方案是可行的。目前CCBⅡ電空制動機和Locotrol裝置已經廣泛應用于我國鐵路重載運輸。

                

                2014年4月在大秦線進行了3萬t重載組合列車試驗,試驗列車由4臺電力機車動力分散牽引,采用1主3從控制方式。其中3臺為HXD1機車,尾部加掛1臺SS4機車;每個單元105輛C80重載貨車,共315輛,外掛1輛試驗車。列車總編組320輛、總牽引質量31 550 t,編組形式如圖26所示。

                

                試驗表明,在通信正常情況下,3萬t組合列車主從機車之間空氣制動、緩解同步時間均在4 s之內、牽引級位調整同步時間基本在6 s之內,同步時間與1+1編組2萬t列車基本相當,列車編組長度及從控機車數量的增加對Locotrol同步作用時間沒有明顯影響。列車再充風時間比1+1編組2萬t列車縮短了50%~66%,尾部加掛SS4機車改善了列車制動、緩解同步性。電空配合循環制動調速區段出現的車鉤力大值與空氣制動的施加、保壓、緩解過程沒有明顯的對應關系,而與線路縱斷面、牽引/電制動施加及退出、機車過分相操縱方式等關聯性較強。

                

                ECP電控空氣制動系統

                

                目前長大重載組合列車基本是采用了動力分散同步控制技術,提高了列車牽引和制動的同步性,減小了列車縱向沖動。但在組合列車各單元內的制動、緩解作用仍然是依靠空氣制動機實現的。由于受到空氣制動系統制動波速和泄漏等因素的影響,運行中由于列車前后部制動作用不同步造成的縱向沖動難以避免。大秦線的2萬t重載組合列車試驗也證明了這一點。另外,列車在長大坡道運行時,由于貨車空氣制動機沒有階段緩解功能,長大編組重載列車制動后再充風時間比較長,再充風不足可能導致制動力衰減,存在列車速度失控的安全隱患。

                

                針對這些問題,美國從1995年開始研制列車電控空氣制動系統 (ECP),1997年開始在北美裝車試驗。目前,美國、加拿大、澳大利亞、南非等國已在重載鐵路上采用了該項技術。

                

                ECP制動技術分為有線和無線2種方式。由于無線 ECP 方式受到諸多因素的約束, 其技術尚未成熟,目前ECP 制動技術以有線方式為主,有線方式采用網絡控制技術。ECP電控空氣制動系統由機車和各車輛上的控制單元及列車網絡組成,通過貫穿列車的總線電纜將機車及車輛設備連接成一個系統,在尾部車輛設有尾車裝置,形成列車通訊的首尾呼應。

                

                2013年開始鐵科院機輛所陸續承擔了鐵路總公司和科技部多項ECP科研項目。鐵科院ECP技術方案如圖所示,列車根據機車發出的制動、緩解電氣指令實現制動、緩解作用。在ECP故障或在傳統編組列車的空氣制動方式下,可以根據列車管壓力的變化實現車輛制動和緩解作用。車輛的電空制動裝置采取與120-1型制動閥疊加的方案,因此車輛不需要任何改動就可與既有貨車混編運用。

                

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                圖 ECP技術方案示意圖

                

                ECP制動系統利用傳統的制動缸和副風缸,列車管相當于總風管,始終向副風管充風。機車制動控制器通過電纜將指令發送給各車的控制單元,車輛控制單元控制電磁閥使副風缸向制動缸充風,或使制動缸排風,實現列車的制動、緩解。

                

                由于是電氣指令,各車幾乎同時接收到制動命令,能夠實現全列車同步制動、緩解和再制動。從ECP與空氣制動的對比試驗能夠看出二者的明顯差異。ECP系統還具有接受車輛狀態信息、對列車狀態進行監控、向司機提供相關信息等功能。

                

                2014年7月至2015年1月在瓦日線的重載列車試驗中對空氣制動系統和ECP系統進行了對比試驗。試驗機車和車輛均安裝了鐵科院機輛所研制的ECP制動裝置。試驗列車編組包括5 000 t、8 000 t、10 000 t和12 000 t 4種形式,其中12 000 t列車編組為:2臺機車+1輛試驗車+100輛C96敞車+2臺機車。

                

                試驗結果表明,與傳統的空氣制動系統相比,由于ECP具有階段緩解功能,使列車操縱更加靈活。ECP制動系統制動指令傳輸快、同步性好,制動后再充風時間明顯小于空氣制動。列車的緩解速度顯著提高,使得列車的制動緩解更具有操作性。尤其是在長大坡道循環制動時,列車再制動能力可靠,可提高列車在長大坡道上的平均運行速度。由于制動空走時間短,常用制動距離及緊急制動距離比空氣制動縮短了8%~14%。列車的制動、緩解同步性好,減小了各車輛間的縱向力,最大壓鉤力比空氣制動減小約50%,縱向加速度最大值4.7 m/s2,遠小于空氣制動最大值17.6 m/s2。采用ECP制動系統的縱向動力學性能明顯優于空氣制動。

               

              作者簡介:李和平(1958—),男,中國鐵道科學研究院集團有限公司機車車輛研究所研究員。


                責任編輯:宮在芹

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