铁路货车制动系统轻量化分析与思考

张俊林

摘 要：重载和快捷是当今世界铁路货车发展的两大主要方向，轻量化是重载和快捷铁路货a车的关键技术。通过对铁路货车制动系统的现状分析，提出了制动系统轻量化的思路和途径，有助于提高铁路货车的轻量化水平。

关键词：铁路货车；制动系统；轻量化

中图分类号：U272 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2015）14-0118-01

重载和快捷是当今世界铁路货车发展的两大主要方向，也是提高铁路货物运输能力和综合经济效益的有效途径，我国目前正在研发27 t、30 t轴重等大轴重铁路货车，同时随着电商物流的兴起和快速发展，也在积极研发时速160～220 km/h的快捷货车。无论重载还是快捷，对车辆轻量化都提出了更高的要求。轻量化是减轻车辆自重、提高载重的关键技术，开展货车轻量化设计，降低车辆自重系数，提高列车运输能力，实现更大的运输经济效益。

铁路货车一般由车体、转向架、钩缓装置、制动系统等组成，车辆轻量化可以在上述各个方面进行，关于车体、转向架等结构的轻量化论述已较多，本文主要从制动系统方面探讨轻量化的相关问题。

1 铁路货车制动系统轻量化的意义

制动系统作为铁路货车的附属装置，本身并不承担车辆运行载荷，虽为车辆正常运行不可缺少的装置，但其自重实属车辆“无效重量”。以C80B型运煤敞车为例，其制动系统风制动装置重量为470 kg，相当于车辆常年背负近500 kg的无效质量循环运行。对制动系统进行轻量化设计，不但可以将无效重量转化为有效货物载重，提高车辆运输经济效益，而且可以减少列车空车运行能耗，达到节能减排的环保效果。仍以C80B型运煤敞车为例，假定其年运行里程为10万 km，按煤炭吨公里运价0.1元计算，如果制动系统中有300 kg的自重转化为有效载重货物，每年可增加运输收入0.3万元，以车辆使用寿命25 a计算，一辆C80B型运煤敞车在其寿命周期内可以增收7.5万元，轻量化经济效益可观。

2 制动系统的铝合金轻量化

铝合金材料的密度约为钢材的1/3，具有比许多合金钢材料更高的比强度，以铝代钢是实现制动系统配件轻量化的一个重要途径。制动系统是货车上起制动作用的零部件组成的一整套机构，主要由控制阀、副风缸、加速缓解风缸、制动缸、制动杠杆、制动管和管接头等组成。制动系统配件非车辆主要承载构件，对使用材料力学性能指标要求不是很高，可采用铝合金材料替代既有的钢质材料，实现制动配件的铝合金轻量化。

2.1 控制阀

控制阀是制动系统的主要部件，是制动系统压力空气交换和分配的枢纽。以当前通用铁路货车主要使用的120阀为例，其自重约45 kg，采用不锈钢材质，承受最高600 kPa的空气压力，适合采用铝合金材料实现轻量化。克诺尔公司制造的DB60型铝合金控制阀及其铝合金支架，均采用铝合金材料铸造而成，自重分别较钢质结构降低50%以上，同时具有良好的耐腐蚀性，外形美观，结构可靠。

2.2 储风缸

储风缸作为车辆压缩空气的存储装置，工作压力≤60 kPa，属于低压容器范畴。我国既有储风缸均采用不锈钢材质。采用铝合金材质并进行结构优化，可大幅降低储风缸自重。目前国内已进行了11 L、28 L、40 L及150 L等多种常用规格铝合金储风缸的研制和相关试验，结果表明：铝合金储风缸可以降低自重60%以上，性能完全满足相关标准的要求，轻量化成效显著。

2.3 制动管路

制动管路是车辆制动压力空气的传输管路，承受最高600 kPa的管压力，对强度、硬度等力学性能指标要求不高，适合采用铝合金材质替代既有不锈钢材质，轻量化效果显著。以C80B型运煤敞车为例，当制动管路全部采用铝合金材质时，重量减少约70 kg。

2.4 制动杠杆

基础制动装置制动杠杆一般安装于制动缸前后或转向架制动梁，主要用于传递制动力，非制动状态下不承受外力。随着铝合金材料机械性能的逐渐提高，高强度铝合金材料不断出现，相关计算表明，采用合理的铝合金材料、杠杆厚度及结构形状，制动杠杆采用铝合金材料完全具有极强可行性，预计可减重50%以上。由于铝合金材料的耐磨性较差，采用铝质杠杆时，杠杆孔处需进行钢套植入等特殊处理。

2.5 管接头及其它制动配件

除上述制动件外，制动系统的各种阀件（限压阀、传感阀等）、制动管接头、组合式集尘器管、折角塞门、制动管接头等均适宜采用铝合金材料实现轻量化。

3 采用中继间接式制动系统

当前我国铁路货车制动机主要采用120型控制阀，该阀为直接作用式。其副风缸压力空气不仅参与制动、缓解作用的控制，而且还要向制动缸充气，其缺点是分配阀只能与固定尺寸的制动缸和副风缸配套使用，其品种将随车辆载重量（或总重）等级不同而增多，因而一个控制阀只能控制单个车辆的1个（或2个）制动缸，控制一个以上车辆的制动缸难以实现。因此，采用120型控制阀的铁路货车通常采用单车单阀的配置型式，即每个车辆均配置独立的控制阀，这也是我国铁路货车制动系统目前采用的主要型式。

120型控制阀经过多年的运用考验，已证明其技术成熟、运用可靠，因而可以预计在未来的较长时期内，我国铁路货车控制阀仍主要采用120阀。随着车辆轻量化水平的提高，在不改变既有120型阀制动机基本配置的前提下，如何增加单个控制阀控制的制动缸数量，进而改变单车单阀的配置型式，从而实现制动系统的轻量化是一个值得思考的问题。借鉴间接作用式分配阀的控制原理，在既有货车制动系统中引入中继阀，可在不改变既有120阀制动机基本配置的条件下，将直接作用式制动系统改造为间接作用式，从而可以改变单车单阀的制动配置型式，采用一个控制阀控制一个以上车辆的制动缸，最终减少列车控制阀数量，实现制动系统的轻量化。

采用基于120型控制阀的间接作用式制动系统可以减少列车制动阀的数量，从而降低车辆自重，同时也降低了制动系统的制造、检修及运用成本。实践运用中可以根据车辆结构特点，采用2车1阀、3车2阀或5车3阀等型式，均可减少制动阀的数量，获得不同程度的轻量化效果。

4 制动系统轻量化实例

采用上述制动系统轻量化技术措施，可以大幅降低制动系统的自重，提高制动系统乃至车辆整体的轻量化水平。以C80B型敞车为例，如按5车3阀的配置方案，同时采用上述配件轻量化措施，平均每辆车可减轻自重约320 kg。

5 结 语

在保证铁路货车制动系统安全、可靠的前提下，采用轻量化技术可有效降低制动系统自重，提高车辆载重和运输能力。本文提出了采用5车3阀、采用铝合金材料等技术措施实现制动系统轻量化的一些做法和思路，同时也进行了相关试验验证，结果表明，制动装置实现轻量化在技术上是完全可行的。

虽然制动系统轻量化技术可行，但在实际运用中却涉及与既有车辆的互换性等诸多技术管理问题，尤其是5车3阀等措施不适用于非固定编组的通用货车，但对于目前正在蓬勃发展的重载、快捷等专用货车，如果列车固定编组运行，就可体现出制动系统轻量化技术经济性的巨大优势。可以预计，随着国民经济的快速发展，用户对铁路货车技术经济性的要求会越来越高，制动系统轻量化将是铁路货车发展的必然趋势。

参考文献：

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