高系数合成闸瓦在通用货车上的应用

高系数合成闸瓦在通用货车上的应用

1闸瓦制动距离延长使用铸铁门瓦已有100多年的历史。它不仅是历史的产物，而且是限制了卡车的崛起和负荷。随道铁路运输的不断发展,货车重量从过去的30t和40t增加到现在的50t及60t,而闸瓦尺寸一直未变,因而闸瓦压力成倍增加,从而导致闸瓦磨耗加快。目前,每块闸瓦压力已接近40kN,对铸铁闸瓦而言,其承受的压力已经达到了极限。如果使用铸铁闸瓦实现货车的提速,只能延长制动距离。从铸铁闸瓦的材质方面来讲,已经经历了3个历史时期。50年代使用的是普通灰铸铁,到60年代发展为中磷铸铁闸瓦,近十年则逐渐推广高磷铸铁闸瓦。一方面是随着车辆速度的提高,铸铁闸瓦的摩擦系数急剧下降,车辆制动距离延长,在现行技术条件下,列车运行速度只能限制在80km·h-1以下(见表1);另一方面是铸铁闸瓦的耐磨性差,其寿命一般在两个月左右,不但消耗了大量的铸铁,而且增加了作业时间和更换闸瓦的劳动力。2通用卡车装载系统的方案2.1限制动力系统的运行从表1可见,货车使用高磷铸铁闸瓦,速度为90km·h-1时的紧急制动距离是909.6m。因此,目前的货车最高速度限制在80km·h-1。随着旅客列车的全面提速,货车的运营速度严重制约了铁路运力的发挥,而货车的制动系统是其中一个主要的制约环节。为适应4000t～5000t的编组需要,120型控制阀从1995年开始已经大批量装车运用,而基础制动装置仍采用高磷铸铁闸瓦,与之相应的只能是直径355.6mm制动缸,副风缸容积是59L。从1995年到2000年底新造的14万辆货车,已经占1981年以后生产货车的1/3,占全部货车的1/4。如果不能及时改造其制动系统,将限制120型控制阀优越性的发挥。在以后的改造过程中更加困难。2.2制动系统的应用通用货车提速改造制动系统的可行性在旅客列车提速的条件下,线路状态也在不断改进,从基础上为通用货车的提速奠定了基础。转8A转向架的改造为制动系统的改造提供了载体。高摩擦系数合成闸瓦的供应能力如表2所示。从这些厂的生产能力来看,近期能满足我国铁路推广高摩擦系数合成闸瓦的要求。随着生产能力的扩大,我国货车用的高摩擦系数合成闸瓦能得到保障。2.3制动距离的确定从理论上讲,在式(1)中提高制动率或摩擦系数,均可达到通用货车提速规定的制动距离,但是所需的装置是不同的。Sz=v0tk3.6+∑4.17(v21−v22)1000ϑhφh+ω0+ij(1)Sz=v0tk3.6+∑4.17(v12-v22)1000ϑhφh+ω0+ij(1)2.3.1各方式不可能实现提高制动率即提高闸瓦压力,提高闸瓦压力可以从增大制动缸、增加制动倍率、提高制动缸压力和增加制动缸数量等方面入手,但是实际上除增加制动倍率外,其余方式几乎不可能实现。而增加制动倍率又可以增加单侧闸瓦压力,也可以改造双侧闸瓦。2.3.1.闸瓦压力变化如果将高磷铸铁闸瓦压力提高到足够的数量,从理论意义上讲是可以满足通用货车提速的要求。表3为牵引重量4000t～5000t,高磷铸铁闸瓦及直径355.6mm制动缸条件下的制动参数计算值。但是从闸瓦本身性能来讲,闸瓦压力增加到50kN,其压力是目前的1.5倍。不仅使闸瓦的摩擦性能恶化,而且磨耗也会加快。同时必须使用无级空重车自动调整装置,而且该无级空重车自动调整装置也必须修改参数。目前,我国的高磷铸铁闸瓦试验的闸瓦压力是40kN,没有50kN闸瓦压力数据可以参考。但是随着闸瓦压力的增加,也许会带来一些其他问题,如闸瓦和车轮的急剧或恶性磨耗、闸瓦与车轮的粘结以及闸瓦的断裂等。2.3.1.基础制动方案货车采用双侧高磷铸铁闸瓦,最高速度90km·h-1时,制动距离可以达到800m,如22型客车基础制动装置。但这个方案致使转向架结构复杂,运用维护成本也相应提高了。同时在现有转向架上实施改造比较困难。从粘着条件考虑,必需采用改造后的无级空重车自动调整装置。2.3.2空车制动率的影响使用目前成熟的技术,即高摩擦系数合成闸瓦解决通用货车提速后的制动问题是一个有效的方法。但是其中的问题是现在的高磷铸铁闸瓦直接换成高摩擦系数合成闸瓦后摩擦系数较高,必须同时降低车辆制动率。在新造车辆使用高摩擦系数合成闸瓦可一次到位,重新配置制动系统。无技术问题可言。根据粘着条件,空车、半重车和重车的最高闸瓦压力分别为10.29kN、31.60kN和61.04kN。根据这一结果,现有通用货车空车、半重车和重车的最高制动缸压力分别为114.8kPa、352.4kPa和685.4kPa。所以在使用KZW-4G无级空重车调整装置条件下,重车或半重车以上载荷的粘着是没有问题的,而在空车时超过30%。因此必须降低空车制动率,同时考虑到改造后的通用货车必须和未改造的车辆的共存时期,制动率的选择也不宜过高。那么重车的制动缸压力应该是多高呢?表4和表5是根据TB/T1407-1998《列车牵引计算规程》,不同制动缸压力时在不同制动初速度下,空车、半重车和重车的紧急制动距离计算值。其中牵引重量为4000t～5000t,采用高摩擦系数合成闸瓦及直径355.6mm制动缸。由于制动缸压力较低时的制动效率很低(见表6),因此空车制动缸压力取115kPa是可行的。表6是1984年在铁道部科学研究院环行试验基地,对C62A型货车(装有双向闸瓦间隙调整器)基础制动装置传动效率进行的测定。由表中可以看出随着制动缸压力的降低,基础制动装置的传动效率明显下降。在通用货车的最高速度为90km·h-1、制动距离仍然是800m的前提下,牵引重量4000t～5000t,高摩擦系数合成闸瓦及直径355.6mm制动缸,空车制动缸压力为115kPa,重车制动缸压力为260kPa,使用无级空重车自动调整装置。列车最高运行速度100km·h-1时,空车制动缸压力为115kPa,重车制动缸压力为360kPa,必须使用无级空重车自动调整装置。因此,以推广高摩擦系数合成闸瓦方案解决通用货车提速的问题是可行的。那么,怎样降低闸瓦压力呢?答案是多种多样的,而方案的可行性、通用性、简单性和实用经济性是确定方案的必要条件。2.3.2.1、减少抑制性能的方案以前曾以改变制动杠杆倍率的方案试验高摩擦系数合成闸瓦,鉴于诸如结构方面等困难而未能成功。2.3.2.直径243mm制动缸套缸方案,即在直径355.6mm制动缸内加装直径254mm制动缸。采用这一方案,实际上是增加了一个直径254mm制动缸。80年代曾在兰州铁路局进行了列车试验,后来终止了。与其多增加一个直径254mm制动缸,还不如直接更换一个直径254mm制动缸。但是这一方案是在最高速度80km·h-1条件下实施的,最高速度在90km·h-1时可能需要增加一个直径304.8mm制动缸了。2.3.2.自动调整方案的实现无级空重车自动调整装置方案,即在制动缸管中加入无级空重车自动调整装置。这一方案在装设103型分配阀的货车上比较容易实现,而在大多数配置GK型三通阀和120型控制阀的货车上比较复杂,不仅需要重新设计或重新改造后的无级空重车自动调整装置,而且车辆改造成本也较大。2.3.2.动缸更换制动机费用较高直接更新制动杠杆和直径254mm制动缸以适应通用货车提速要求,由于这一方案牵涉到更换制动机费用较高的问题,不易实现,但从长远发展角度考虑是值得的。2.3.2.相关条件和机动在制动缸管中加入一套变更空气压力的机构,以适应配置各种制动机(包括GK型三通阀、103型分配阀和120型控制阀)的货车提速要求。这一变比阀方案本身结构简单,车辆制动系统改造工作量小。其可行性、通用性、简单性和实用经济性是可行的。2.3.2.制动机自身的性能改变40L副风缸方案,即将原有的59L副风缸缩小到40L,但是它已经改变了制动机本身的性能。其中包括副风缸充风时间以及列车充风时间的匹配、制动机制动时间和列车制动性能的匹配以及制动缸压力的变化等。2.3.2.插装式变比阀的改造空重车自动调整装置与变比阀结合方案,即在原有空重车自动调整装置中加入变更比例的机构,使二者的给排阀部分只用一个,而原来的活塞平衡部分采用适当的比例,实现二者的统一。这样虽然在改造成本上比单一的变比阀方案高,但是它又同时实现了无级空重车自动调整装置的功能,更不会使二者在同一制动系统中产生相互干涉的问题,而且其中大部分是KZW-4G的成本,而原有的无级空重车调整装置也可以通过较小的局部改变适应通用货车提速的要求。其可行性、通用性、简单性和实用经济性较之变比阀方案更为优良。2.3.2.高摩擦系数闸瓦采用“适当”摩擦系数的闸瓦在理论上也是可行的,但是实际应用中是有问题的。即:①在目前使用的闸瓦中又增加了一个品种,在管理上更加困难,因为现在的两种闸瓦的管理也是不容易的。②在全球经济一体化的今天,技术也必须和国际接轨,即要么高摩擦系数闸瓦,要么低摩擦系数闸瓦。③即使不考虑上述问题,新的闸瓦的研究与运用也需要一个较长的周期。2.3.3实现最高速度90kmh-1、制动距离84m由于低摩擦系数合成闸瓦的自身特点和要求提高闸瓦压力两方面的原因,即计算闸瓦压力需达到58kN才能实现最高速度90km·h-1、制动距离765m。所以,推广低摩擦系数合成闸瓦的可能性几乎是没有的,故无需赘述。2.4高摩擦系数合成闸瓦的方案研究首先,在通用货车提速改造制动系统方案中,高磷铸铁闸瓦和低摩擦系数合成闸瓦方案已经不可能实现,只有采用高摩擦系数合成闸瓦。其次,无论通用货车提速到90km·h-1还是100km·h-1,在推广高摩擦系数合成闸瓦的诸多方案中,要解决的关键技术问题是,任何一个方案,均须适合我国具体情况,即配置GK型三通阀、103型分配阀和120型控制阀的货车通用性问题,和目前我国通用货车制动系统中的其他问题;其次还须考虑经济性问题和结构简单等问题。因此,最为可行、简单和经济的方案是采用空重车自动调整装置与变化阀结合方案,但是只限于旧车改造,见表7。3国外洗脱液的发展3.1国外高系数合成门瓦的开发3.1.1美国高系数合成门瓦的开发1977年美国亚柏克斯公司“虎”牌高摩擦系数合成闸瓦正式投入生产。现在美国货车上几乎全部使用高摩擦系数合成闸瓦。3.1.2公车合成闸瓦1958年日本首先在151系特快电车上采用高摩擦系数合成闸瓦。到目前为止,日本以高摩擦系数合成闸瓦为主,现共有7家公司生产高摩擦系数合成闸瓦。3.1.3改6k-101964年以前,苏联开始推广5-6-60高摩擦系数合成闸瓦,由于存在金属镶嵌问题,从1965年起改为6KB-10。1966年改用8-1-66高摩擦系数合成闸瓦。8-1-66高摩擦系数合成闸瓦对车轮踏面影响较小,1973年全路已有55%的货车和80%的客车采用高摩擦系数合成闸瓦,到1986年已有95%的货车使用高摩擦系数合成闸瓦,1987年所有货车全部应用高摩擦系数合成闸瓦。3.2国外低系数合成门瓦的开发3.2.1日本低系数合成门瓦的开发日本铁路为了解决闸瓦的耐磨问题,研制了低摩擦系数合成闸瓦。日本使用低摩擦系数合成闸瓦量很少,大多数使用在支线上和私营铁路上。3.2.2高摩擦系数合成闸瓦1965年前后,德国尤利德公司研究了BK64低摩擦系数合成闸瓦,之后又发展了892低摩擦系数合成闸瓦。美国和俄罗斯的运输特点是发展长大和重载列车,没有见到有关研究低摩擦系数合成闸瓦的报道资料。目前,世界各国,特别是美、俄两国都普遍采用高摩擦系数合成闸瓦。推广使用高摩擦系数合成闸瓦是发展提速、重载运输的必要技术途径。因此,从发展的角度看,推广高摩擦系数合成闸瓦也必然成为我国货车提速、重载运输的必要技术途径。4车载制动方案通用货车不论提速与否,均需遵循以下原则:(1)不改变或尽可能少的改变原有车辆的制动系统。(2)不改变原有车辆的基本制动性能。(3)必须保证车辆的联挂性能。通过第2条和第3条讨论的结果,通用货车提速采用高摩擦系数合成闸瓦方案是确定的。最高速度80km·h-1～100km·h-1,制动缸压力如表8。5调整型kzw-4g空重车调整装置1999年,铁道部科学研究院机车车辆研究所研究了一种在制动机管路中加装一套变更空气压力的机构,经试验达到了预期的效果。这一方案可以在不改变现有的制动机条件下,实现高摩擦系数合成闸瓦在通用货车上的推广使用。变更空气压力的机构包括一只变比阀和一个容积风缸,称为变比阀。在2000年又结合KZW-4G进行了研究,使二者统一于一体,结构更简单,称为调整型KZW-4G空重车调整装置。调整型KZW-4G空重车调整装置的作用是在重车制动时,降压风缸无压力空气,而变比阀部分将制动缸压力按照比例降低到要求值;在空车或部分载重工况下制动时,一方面空重车装置根据车重调整其制动缸压力,另一方面变比阀部分将制动缸压力按照比例降低到要求的压力值。图1为调整型KZW-4G空重车调整装置在车辆上的安装示意图,虚线内为调整型KZW-4G空重车调整装置,其余是原有车辆制动系统。5.1kzw-4g商用车空重车调整装置的结构图2为调整型KZW-4G空重车调整装置的结构图。它主要由变比比例阀和传感阀两部分构成。5.2调整型kz