丁 喬，張 飛，秦曉波，李海洋

（中國人民解放軍63607部隊(duì)）

0 引言

GCY-307重型軌道車是我單位管內(nèi)鐵路設(shè)備維修、沿線生活物資發(fā)放的主要運(yùn)輸工具，其制動(dòng)系統(tǒng)的性能好壞直接關(guān)系軌道車運(yùn)行安全。目前軌道車多使用摩擦制動(dòng)方式，利用閘瓦與車輪踏面之間的摩擦力來產(chǎn)生制動(dòng)力。實(shí)際運(yùn)行過程遇到夜間行車、風(fēng)沙埋道等緊急情況時(shí)，常出現(xiàn)機(jī)車不能在安全距離內(nèi)停車、閘瓦磨損嚴(yán)重的問題，帶來一定的安全隱患。為縮短制動(dòng)距離、提高該車的運(yùn)行安全性，本文分析了現(xiàn)有基礎(chǔ)制動(dòng)裝置的結(jié)構(gòu)原理，提出了雙側(cè)制動(dòng)改造方案，通過對兩種不同制動(dòng)方式的制動(dòng)力和制動(dòng)距離對比，證明改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)能夠有效提高制動(dòng)性能。

1 現(xiàn)有制動(dòng)裝置

1.1 制動(dòng)原理

GCY-307重型軌道車制動(dòng)裝置主要由空氣制動(dòng)機(jī)和基礎(chǔ)制動(dòng)裝置組成。空氣制動(dòng)機(jī)以壓力空氣作為動(dòng)力來源，通過一系列的傳遞和控制使風(fēng)壓發(fā)生變化。基礎(chǔ)制動(dòng)裝置主要由單側(cè)閘瓦和閘瓦間隙調(diào)整期組成，其基本作用是將壓力空氣作用到制動(dòng)缸活塞上傳出的力，擴(kuò)大適當(dāng)倍數(shù)后傳遞給閘瓦，使閘瓦壓緊車輪踏面產(chǎn)生機(jī)械摩擦，將機(jī)車的動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，從而產(chǎn)生制動(dòng)力；緩解時(shí)則使閘瓦離開車輪踏面并保持6～8 mm間隙，防止閘瓦貼靠車輪磨耗或產(chǎn)生抱閘，其作用原理如圖1所示[1]。

圖1 基礎(chǔ)制動(dòng)裝置原理

當(dāng)機(jī)車實(shí)行制動(dòng)時(shí)，壓縮空氣由總風(fēng)缸進(jìn)入制動(dòng)缸，推動(dòng)橫桿AB以C點(diǎn)為支點(diǎn)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。B點(diǎn)又推動(dòng)叉桿BD將力傳遞到豎桿DF上，使DF以E為支點(diǎn)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，將D點(diǎn)的力傳到閘瓦間隙調(diào)節(jié)器FG、F點(diǎn)的力通過閘瓦壓到車輪上，使機(jī)車制動(dòng)。

1.2 制動(dòng)力的形成

制動(dòng)工況時(shí)，列車依靠慣性惰行。施行制動(dòng)時(shí)，制動(dòng)缸中的空氣壓力通過基礎(chǔ)制動(dòng)裝置的傳遞和放大，使得閘瓦以垂直壓力作用于車輪踏面，引起與車輪的反向摩擦力。該摩擦力為輪對內(nèi)力，不能使車輪停止運(yùn)動(dòng)，但由于車輪與鋼軌的粘著狀態(tài)的存在，使得鋼軌產(chǎn)生了反作用力作用于車輪上，使車輪減速以至停止轉(zhuǎn)動(dòng)，這才是真正阻礙列車運(yùn)行的制動(dòng)力。每塊閘瓦的制動(dòng)力為：

其中ψK是閘瓦的踏面磨擦系數(shù)。上式說明在一定范圍內(nèi)，制動(dòng)力大小由K和ψK這兩個(gè)數(shù)值來決定[2]。

1.3 制動(dòng)力的限制

對于GCY-307重型軌道車，制動(dòng)力大小要受到輪軌間粘著力的限制，不能出現(xiàn)車輪被閘瓦抱緊而導(dǎo)致在軌面上滑行的情況，如圖2所示。

圖2 閘瓦制動(dòng)力示意圖

設(shè)每軸作用在鋼軌上的垂直載荷為Q，輪軌件粘著系數(shù)為μZ，軸上的閘瓦總壓力為∑K，必須使得：

《鐵路技術(shù)管理規(guī)程》中用軸制動(dòng)率δ來判別，其值通常在0.25～2之間。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化

現(xiàn)有單側(cè)制動(dòng)方式是在車輪一側(cè)配置一塊合成閘瓦，通過制動(dòng)缸的控制來實(shí)施制動(dòng)和緩解。其優(yōu)點(diǎn)是閘瓦間隙可調(diào)，結(jié)構(gòu)簡單、檢修方便，缺點(diǎn)是單側(cè)受力容易使得軸承發(fā)熱、閘瓦壽命短，同時(shí)由于閘瓦面積和壓強(qiáng)有限，機(jī)車載重和行駛速度也會(huì)受到一定限制。

增大制動(dòng)力的方法有兩種，其一是通過改變各吊桿尺寸來增大制動(dòng)倍率。要改變制動(dòng)倍率，則各個(gè)吊桿長度都要進(jìn)行改造，過程較為復(fù)雜且費(fèi)時(shí)。其二可通過增加閘瓦與車輪間的摩擦系數(shù)來增大制動(dòng)力。閘瓦壓力一定時(shí)，制動(dòng)力的大小決定于摩擦系數(shù)的大小，要求閘瓦摩擦系數(shù)數(shù)值要高且穩(wěn)定。摩擦系數(shù)與閘瓦接觸面積有關(guān)，閘瓦對車輪單位面積上的壓力越大，摩擦產(chǎn)生的熱量越多，閘瓦溫度升高使得接觸面變軟，降低了摩擦系數(shù)；反之則摩擦系數(shù)越大。

采用雙側(cè)閘瓦制動(dòng)能增加閘瓦摩擦面積，減小單位面積壓力，制動(dòng)時(shí)溫度較低，引起的閘瓦變形也變小，使閘瓦與車輪有較好的接觸狀態(tài)，提高了摩擦系數(shù)。且安裝過程也相對簡單，只需加裝與原來一樣的閘瓦即可實(shí)現(xiàn)[3]。管內(nèi)0279軌道車就是采用雙側(cè)閘瓦制動(dòng)，該車在運(yùn)用過程中有效地解決了制動(dòng)力不足的問題，運(yùn)行安全性能良好。

圖3 雙側(cè)閘瓦制動(dòng)示意圖

雙側(cè)制動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)如圖3所示。機(jī)車實(shí)施制動(dòng)時(shí)，壓縮空氣進(jìn)入制動(dòng)缸推動(dòng)活塞桿伸出，制動(dòng)杠桿BCD繞A點(diǎn)右移，首先在支點(diǎn)C處壓上車輪，待左側(cè)閘瓦壓緊后，制動(dòng)杠桿開始繞支點(diǎn)C順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，制動(dòng)拉桿DE左移，此時(shí)制動(dòng)杠桿GFE繞支點(diǎn)G順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，右側(cè)閘瓦壓緊車輪。

3 制動(dòng)力計(jì)算

（1）制動(dòng)力的計(jì)算公式（3）所示。

式中∑K——一個(gè)輪對的閘瓦壓力；ψK——閘瓦磨擦系數(shù)。

（2）機(jī)車車輛單塊閘瓦壓力為：

式中d——制動(dòng)缸內(nèi)徑；pb——作用在制動(dòng)缸活塞的空氣壓力（KPa）；nk——制動(dòng)缸個(gè)數(shù)；γb——制動(dòng)倍率；ηb——傳動(dòng)效率；nb——閘瓦塊數(shù)。

（3）機(jī)車閘瓦的摩擦系數(shù)跟閘瓦具體材質(zhì)有關(guān)，目前國內(nèi)機(jī)車多以高磷鑄鐵閘瓦為主，其磨擦系數(shù)及計(jì)算公式如下[4]：

式中K——閘瓦壓力，v0——制動(dòng)初始速度，v——制動(dòng)運(yùn)行速度。

本文僅對GCY-307重型軌道車單機(jī)運(yùn)行時(shí)，當(dāng)實(shí)施緊急制動(dòng)和常規(guī)制動(dòng)時(shí)，基礎(chǔ)制動(dòng)裝置裝配單側(cè)閘瓦和雙側(cè)閘瓦時(shí)制動(dòng)力的計(jì)算（計(jì)算過程中各量通過角標(biāo)來表示，如K單緊表示單側(cè)閘瓦緊急制動(dòng)時(shí)的閘瓦壓力，其他依此類推）。計(jì)算過程中所需的技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 ZTY420牽引機(jī)車技術(shù)參數(shù)

查表，代入數(shù)值，計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 ZTY420牽引機(jī)車制動(dòng)力數(shù)據(jù)

可以看出，雙側(cè)制動(dòng)時(shí)的制動(dòng)力要大于單側(cè)制動(dòng)25%左右。

4 制動(dòng)距離計(jì)算

列車制動(dòng)距離指施行制動(dòng)開始到列車停車或達(dá)到所要求的速度為止所行走的全部距離，包括列車制動(dòng)有效距離和制動(dòng)空走距離?！都家?guī)》規(guī)定：列車以不超過120 km/h速度，在任何線路坡道上的緊急制動(dòng)距離為800 m左右。為了利用貨物列車動(dòng)能闖坡，在接近上坡道以前提高列車運(yùn)行速度，可根據(jù)線路狀況適當(dāng)延長制動(dòng)距離，但最大不得超過1 100 m。我處鐵路線路軌道機(jī)車最高限速為70 km/h，在任何線路坡道上的非常制動(dòng)距離為400 m左右，最大不得超過500 m。

制動(dòng)閥手把置于制動(dòng)位置后而列車并不能立即發(fā)生制動(dòng)作用，在列車制動(dòng)后未發(fā)生制動(dòng)力的這一段時(shí)間，稱為制動(dòng)空走時(shí)間（tK），制動(dòng)空走時(shí)間內(nèi)所走的距離稱為制動(dòng)空走距離（SK）。在列車制動(dòng)后產(chǎn)生制動(dòng)力的一段距離，則稱為有效制動(dòng)距離（Se）[5]。列車全制動(dòng)距離（簡稱制動(dòng)距離）以Sb表示，有：

（1）制動(dòng)空走距離：

緊急制動(dòng)時(shí)tK=（1.5+0.18n）（1-0.05ij）

常規(guī)制動(dòng)時(shí)tK=（2.8+0.014rn）（1-0.01ij）

式中：

n——軌道車牽引車輛數(shù)；

r——列車管減壓量（kPa）；

ij——制動(dòng)地點(diǎn)的加算坡道的坡度（‰）；

v0——制動(dòng)初始速度（km/h）。

（2）有效制動(dòng)距離：

式中：

v0——制動(dòng)初始速度（km/h）；

vz——制動(dòng)運(yùn)行速度（km/h）；

θh——換算制動(dòng)率；

ψhdx——距離等效換算磨擦系數(shù)（查表得值0.17）；

w0dx——距離等效列車惰行單位基本阻力。

表3是ZTY420牽引機(jī)車常規(guī)制動(dòng)和緊急制動(dòng)情況下的制動(dòng)距離數(shù)據(jù)。

表3 ZTY420牽引機(jī)車制動(dòng)距離數(shù)據(jù)

通過以上計(jì)算可知，機(jī)車制動(dòng)系統(tǒng)由單側(cè)閘瓦改為雙側(cè)閘瓦，自閥手把在常用制動(dòng)區(qū)減壓量在70 kPa時(shí)，單機(jī)制動(dòng)距離由原來220 m縮短為186 m，自閥手把在非常制動(dòng)位時(shí)，單機(jī)制動(dòng)由原來的116 m縮短為98 m。機(jī)車制動(dòng)力明顯增強(qiáng)，制動(dòng)距離明顯縮短，且符合粘著定律，因而單側(cè)閘瓦改為雙側(cè)閘瓦是可行的，能夠有效提高機(jī)車運(yùn)行安全性。

5 效果

上述措施改進(jìn)前，每臺(tái)軌道車年均閘瓦消耗量在300塊左右，自2015年起如上述改進(jìn)以后，閘瓦偏磨現(xiàn)象得到一定程度改善。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，2016年為264塊，2017年為272塊，2018年為268塊，說明采取的改進(jìn)措施是切實(shí)可行的。