驮背运输半挂车制动性能试验分析

眉山中车物流装备有限公司 四川眉山 620020

1 前言

交通运输和物流业是我国支撑经济社会发展的基础性、战略性和服务性产业，为应对国家节能减排发展战略，解决物流领域长期存在的成本高、效率低等问题，国务院和交通运输部先后发布《物流业中长期发展规划》、《加快推进绿色循环低碳交通运输发展指导意见》等行业指导意见，明确提出建设便捷、安全、经济、高效的综合运输体系，构建高效运行的多式联运体系，实现相互衔接、畅通成网，推进各种运输方式协调发展。铁路运输在我国综合交通体系中一直占据着主导地位，具有安全可靠、绿色环保、成本低、运能大、全天候运行的特点，铁路发展多式联运，对推动交通运输和物流业转型升级、降本增效、低碳发展具有重要的支撑作用。驮背运输就是其多式联运不可缺少的重要组成部分。

2 驮背运输半挂车介绍

驮背运输是一种公路和铁路联合的运输方式，是指公路货车和半挂车在始发地火车站自行开上或吊装至铁路专用车辆，通过铁路长距离运输，到达目的地火车站后，车辆再自行开下或吊离铁路专用车辆并驶往最终目的地的一种公铁多式联运方式[2]，当前驮背运输半挂车分为滚装式和吊装式两种，图1为滚装式驮背运输半挂车，图2为吊装式驮背运输半挂车。

图1 滚装式驮背运输半挂车

图2 吊装式驮背运输半挂车

驮背运输半挂车能够实现真正意义上的公路汽车甩挂运输，减少牵引车的使用数量，有效地缓解公路拥堵，减少公路货车超载、超限、超速现象的发生，有效减少高速公路恶性道路交通事故的发生，保护人民群众生命财产安全。

2017年国内首款公铁联运驮背运输厢式半挂车由中国中车眉山公司自主研发。该车结合我国既有铁路站场、线路、公铁便捷联运铁路货车、装卸设施条件，研究公铁联运公路货车与站场匹配关系，总体规划公铁联运公路货车结构、装卸货方式与站场配套设施，地面状态关系，提出适应我国公铁联运初期、远期的匹配技术方案，研制了以驮背运输公路半挂车为代表的系列化公铁联运车。

驮背运输公路半挂车的制动系统作为车辆安全运行最为关键的一环，对车辆的运行安全和驾驶员的生命安全都起着至关重要的作用，因此，笔者将针对驮背运输半挂车的制动性能进行分析试验。

3 半挂车制动系统的制动原理及影响因素

半挂车制动型式一般采用双管路气压制动，列车行驶时，踩下制动踏板，压缩空气经牵引车上的挂车制动阀进入挂车操纵管路，通过紧急制动阀，顶开阀门，气体进入制动气室，将单腔气室的膜片和双腔气室的制动活塞推到制动位置，将推杆推出，拉动制动调整臂，带动凸转轮转动而实现行车制动。在解除制动时，单腔气室和双腔气室行车制动的气体由快放阀放气，单腔气室膜片和双腔气室制动活塞在回位弹簧作用下回复到不制动位置，但挂车储气筒空气始终向双腔气室的驻车制动腔充入，压缩储能弹簧，使驻车制动活塞处在不制动位置，解除制动。当前半挂车搭载的制动器主要为盘式制动器和鼓式制动器，盘式制动器和鼓式制动器结构如图3所示。对半挂车制动延后时间，整车制动效能的影响因素包括行车制动管路压力、牵引汽车的制动控制系统、半挂车制动管路长度、半挂车紧急继动阀性能、动踏板行程及时间、半挂车制动管路直径、ABS控制总成性能、管路接头的型式等。

图3 制动器结构型式

4 制动系统的制动性能试验

4.1 试验目的

为研究盘式和鼓式两种不同型式制动器的制动性能，笔者在样车上分别匹配盘式和鼓式制动器，与某型牵引车组成汽车列车，测试匹配不同型式制动器部分制动性能。样车具体参数如表1所示。

表1 厢式半挂车、牵引车车辆参数表

4.2 试验过程

本次试验场地位于交通运输部公路交通试验场，试验场内道路纵向任意50 m长度上的坡度均小于1%。根据GB/T 12534-1990 《汽车道路试验方法通则》、GB/T 12674-1990《汽车质量（重量）参数测定方法》、GB 7258-2017《机动车运行安全技术条件》、GB 12676-2014《商用车辆和挂车制动系统技术要求及试验方法》的相关试验要求，分别进行了如下试验：

a.汽车列车动态密封性、前后轴制动滞后时间、半挂车制动响应时间试验；汽车列车30 km/h满载0型发动机脱开试验；

b.汽车列车60 km/h满载0型发动机脱开试验；

c.汽车列车满载Ⅰ型试验；

d.汽车列车60 km/h满载（仅半挂车制动）0型发动机脱开试验；

e.汽车列车满载（仅半挂车制动）Ⅰ型试验；

f.闸片摩擦面状态试验；

g.制动器测温试验；

h.常规热衰退试验；

i.长大坡道试验测温检测。

试验场试验条件如表2所示。

表2 试验场试验条件

4.2.1 汽车列车动态密封性、前后轴制动滞后时间、半挂车制动响应时间试验

表3 汽车列车动态密封性、前后轴制动滞后时间、半挂车制动响应时间

表4 EBS和ABS响应时间对比表

从表3、4的响应时间对比可以看出，EBS响应时间小于ABS，故其优于ABS。

4.2.2 0型试验和Ⅰ型试验

4.2.2.1 汽车列车30km/h满载0型发动机脱开试验

试验要求制动器处于冷态时，汽车列车在满载工况下以30km/h的规定车速进行，且要求试验过程中需达到车辆规定的最低性能要求。汽车列车30 km/h满载0型发动机脱开试验数据参见表5。试验现场照片如图4、5所示。

表5 汽车列车30 km/h满载0型发动机脱开试验

图4 试验现场照片

图5 试验现场照片

从表5可以看出，30 km/h紧急制动时，盘式和鼓式的制动性能接近。都满足标准要求。

4.2.2.2 汽车列车60km/h满载0型发动机脱开试验

试验要求制动器处于冷态时，汽车列车在满载工况下以60 km/h的规定车速进行，且要求试验过程中需达到车辆规定的最低性能要求。汽车列车60 km/h满载0型发动机脱开试验数据参见表6。

表6 汽车列车60 km/h满载0型发动机脱开试验

从表6可以看出，60 km/h紧急制动，盘式制和鼓式的制动性能都满足标准要求，但盘式制动器的制动距离较鼓式制动器更短。

4.2.2.3 汽车列车满载Ⅰ型试验

试验要求汽车列车在满载工况下，对行车制动系统连续进行制动系统连续进行“制动-解除制动”。汽车列车满载Ⅰ型试验数据参见表7。

表7 汽车列车满载Ⅰ型试验

从表7可以看出，满载I型制动，盘式和鼓式的制动性能都满足标准要求。但盘式制动减速度高于鼓式制动，制动距离较鼓式制动器更短。

4.2.2.4 汽车列车60 km/h满载（仅半挂车制动）0型发动机脱开试验

试验要求制动器处于冷态时，半挂车在满载工况下以60 km/h的规定车速进行，且要求试验过程中需达到车辆规定的最低性能要求。汽车列车60 km/h满载0型发动机脱开试验数据参见表8。

表8 汽车列车60 km/h满载（仅半挂车制动）0型发动机脱开试验

从表8可以看出，60 km/h满载（仅半挂车制动）制动，盘式制动减速度明显高于鼓式，制动距离也低于鼓式制动器。

4.2.2.5 汽车列车满载（仅半挂车制动）Ⅰ型试验

试验要求在满载工况下，半挂车对行车制动系统连续进行制动系统连续进行“制动-解除制动”。汽车列车满载Ⅰ型试验数据参见表9。

表9 汽车列车满载（仅半挂车制动）Ⅰ型试验

从表9可以看出，满载（仅半挂车制动）I型制动，盘式制动距离明显低于鼓式制动。

对上述试验在各种条件下，车辆制动减速度统计如表10所示。

表10 制动减速度统计表

制动减速度差异分析：车辆的制动是将车辆的动能转化为热能。在车辆长时间制动过程中，制动盘和闸片/制动鼓和刹车片的温度都会迅速升高。但因制动盘和制动鼓在高温下状态不同，造成了制动效果也不相同。

从图6、7可以看出：盘式制动在制动过程中闸片和制动盘一直处于面接触的状态。保证了摩擦性能/制动性能的稳定。

鼓式制动在高温阶段，由于制动鼓高温变形，接触面积减小，使得制动的摩擦力减小，制动性能产生变化。

图6 盘式制动冷/热态

图7 鼓式制动冷/热态

盘式制动在制动过程中始终处于面接触状态，而鼓式制动在高温阶段，制动鼓高温变形导致接触面减小，使得鼓式制动接触面积小于盘式制动，鼓式制动摩擦力小于盘式制动，从而导致盘式制动在制动过程中（特别是热态时）的制动效果要优于鼓式制动。

4.2.3 闸片摩擦面状态试验

4.2.3.1 盘式制动摩擦面状态试验

图8 试验前闸片表面状态

图9 无牵引车制动试验后闸片表面状态

从图8、9可以看出试验前后闸片和制动盘贴合良好。

4.2.3.2 鼓式制动摩擦面试验

图10 制动鼓安装位置

图11 刹车片试验前状态

图12 无牵引车制动试验后状态

从图11～12可以明显看出刹车片一端在高温制动后和制动鼓贴合不良。

从闸片和刹车片试验前后的照片可以看出，盘式制动制动盘和闸片的贴合与鼓式制动的制动鼓和刹车片的贴合在低温阶段没有明显的区别，制动性能也接近，但在高温阶段，盘式制动摩擦副的贴合好于鼓式制动，可以更有效地保证行车制动安全。

4.2.4 制动器测温试验

测温结构说明：试验中分别在制动盘/制动鼓每个闸片布置两个测温点，一个测温点位于距摩擦表面3 mm处，用于测量闸片在制动过程中的温度变化。另一个测温点位于铜套中，铜套在制动过程中和制动盘接触，测温点距铜套和制动盘接触面3 mm处，用于测量在制动过程中制动盘的温度。测温试验如图13～16所示。

图13 盘式制动测温结构示意图

图14 盘式制动测温结构

图15 鼓式制动测温结构示意图

图16 鼓式制动测温结构

4.2.4.1 常规30 km/h紧急制动测温试验

a.制动盘/制动鼓测温试验

制动盘/制动鼓测温结果如图17、18所示。从图17、18可以看出：每次制动过程中温度上升，单次紧急制动完成后温度下降，由于制动系统在制动过程中各温度阶段盘式制动摩擦副的贴合要好于鼓式制动，且贴合的变化程度都要小于鼓式制动，故每次制动过程中温度变化情况盘式制动各盘温度一致性均优于鼓式制动。

图17 盘式制动30 km/h紧急制动制动盘温升变化

图18 鼓式制动30 km/h紧急制动制动鼓温升变化

b.制动盘/制动鼓对比分析（平均值）

由表11可知：由于车辆的制动是将车辆的动能转化为热能，制动盘温升高于制动鼓，表明盘式制动时车辆动能转化的效果更好，制动效果更优。

表11 制动盘/制动鼓对比分析

4.2.4.2 闸片/刹车片测温试验

a.闸片/刹车片测温结果

闸片/刹车片测温结果如图19、20所示，从图19、20可以看出：由于制动系统在制动过程中各温度阶段盘式制动摩擦副的贴合要好于鼓式制动，且贴合的变化程度都要小于鼓式制动，故每次制动过程中温度变化情况盘式制动各盘温度一致性均优于鼓式制动。

图19 盘式制动30 km/h紧急制动闸片温升变化

图20 鼓式制动30 km/h紧急制动刹车片温升变化

b.闸片/刹车片对比分析

从表12可以看出：制动系统在制动过程中，盘式制动和鼓式制动都能满足制动要求，由于鼓式制动结构较盘式制动较封闭，盘式制动散热性能更好，导致盘式制动温升低于鼓式制动。

表12 闸片/刹车片对比分析

4.2.5 常规热衰退试验

4.2.5.1 制动盘/制动鼓常规热衰退试验

在试验过程中，制动开始时的初始车速为60 km/h，制动次数不小于20次，制动循环周期为60 s，通过调整制动控制力，使第一次制动时，相对于挂车重量的充分发出的减速度达到3 m/s2,并在后续制动中保持该控制力。

a.制动盘/制动鼓测试结果

热衷退试验结果如图21、22所示。

盘式制动在较短时间内温升达到300℃左右，制动效能较高。

图21 盘式常规热衰退试验制动盘温升变化

图22 鼓式制动热衰退试验制动鼓温升变化

鼓式在较长时间后温升达到200℃左右，制动效能较

b.制动盘/制动鼓对比分析

表13 制动盘/制动鼓对比分析

从表13可以看出：制动系统在制动过程中，制动时将车辆的动能转化为热能，盘式制动效果优于鼓式制动，使得盘式制动温升高于鼓式制动。

4.2.5.2 闸片/刹车片常规热衰退试验

a. 闸片/刹车片测试结果

图23 盘式常规热衰退试验闸片温升变化

盘式制动在较短时间内温升达到300℃左右，制动效能较高。

图24 鼓式制动热衰退试验刹车片温升变化

鼓式制动在较短时间内温升达到200℃左右，制动效能较

b.闸片/刹车片对比分析

表14 闸片/刹车片对比分析

从表14可以看出：在制动过程中，盘式制动温升高于鼓式制动。

小结：从热衰退试验制动过程制动盘和制动鼓的温度可以看出，低温或短时间制动，盘式和鼓式的制动性能无明显区别。在长时间制动或是高温制动时，鼓式制动会因制动鼓的高温变形而失效。盘式制动可有效保证行车制动安全。

4.2.6 长大坡道试验测温检测

4.2.6.1 检测内容

在110国道从莲花滩至德胜口路段（试验线路见图25、26）进行下大长坡道试验（盘式制动）。试验坡垂直高度425 m，长度16.7 km。整个试验路段坡度大于6%的坡度共3处，总长6.2 km，下长坡行驶过程中，共制动68次，总制动持续时间291 s，平均行驶速度43.8 km/h。

图25 长大坡试验现场照片

图26 试验线路图

4.2.6.2 长大坡道制动制动盘温升变化

长大坡道试验结果如图27、28所示。从上述试验可以看出，在连续长大坡制动时，盘式制动器制动盘最高温度为500℃，而盘式制度的失效温度约800℃，在长大坡制动时，盘式制动器仍可实现有效制动；而鼓式制动在由于结构比较封闭，搭载鼓式制动器半挂车都加装了淋水器，在下长坡连续制动时，淋水为制动器降温，避免连续制动时出现热失效。本次试验考虑到长坡连续制动时鼓式制动器可能出现热失效而引发安全事故，故未进行鼓式制动的大长坡道制动试验。

图27 长大坡道制动制动盘温升变化

图28 长大坡道制动闸片温升变化

5 结语

在冷态制动试验时盘式制动和鼓式制动的制动性能无明显区别，但是在长时间（连续）制动或者高温制动时，由于鼓式制动器形如密封的锅体，散热性能比盘式制动差，鼓式制动摩擦片会因高温导致摩擦系数快速衰减，从而使制动力矩大大降低，严重影响制动安全性能，特别是车辆在下长坡或者长时间制动时，鼓式制动往往会因为高温变形导致热失效从而引发交通事故。而盘式制动多为通风盘设计，结构外露，散热快，较鼓式系统有更好的热稳定性，在长时间（连续）制动或者高温制动时制动性能更优，能有效避免由于热衰退引发的交通事故。由于盘式制动器在热衰退等方面性能的优点，危险货物运输半挂车、三轴的栏板式和仓栅式半挂车在实际使用过程中发生事故的车辆制动失效，制动不良情况普遍，通过装备盘式制动器可更好地保证车辆制动性能。