第二節 150型貨車制動機
一、重載貨車制動機
鐵路貨車制動機技術的發展與進步，始終是伴隨著鐵路貨物運輸方式的改變、列車牽引噸位、車輛載重、軸重、速度等的增長而不斷發展與進步。隨著新型大軸重鐵路貨車生產的需要，對鐵路貨車制動機提出了新的要求。
目前我國70t級貨車全部安裝的是120型空氣制動機，雖然后來對制動機中的120型控制閥進行了技術改造（命名為“120-1型控制閥”），但仍然有一些問題沒有得到根本解決，其中針對120型貨車制動機迫切需要解決的問題主要有以下幾個方面：
（1）提高制動機部件的可靠性，延長檢修周期。
（2）輕量化設計，提高運輸效率。
（3）適應更大的貨車軸重和更多的列車牽引輛數。
（4）提高基礎制動裝置的適應能力，能夠適應各型鐵路貨車。
為解決上述問題，采取主要技術措施如下：
（1）采用更先進的制動系統技術及制動機部件，提供更加優越的制動性能。例如：電空制動技術、微機控制技術等。
（2）采用新的材料與新的結構。例如：新型高摩合成材料閘瓦、橡膠密封件代替金屬研磨滑閥的控制閥、長壽命橡膠膜板部件等。
二、150型貨車制動機系統組成
為保證制動機作用性能良好、延長檢修周期、提高車輛運用的可靠性，中國中車四川制動科技股份有限公司根據國內外鐵路貨車制動系統技術的發展和長期積累的制動技術研究成果，以滿足運用要求、作用性能先進、提高動作可靠性、檢修操作方便為目標，試制出以150型空氣控制閥（以下簡稱：150閥）為核心的新型鐵道車輛制動機——150型貨車制動機（以下簡稱：150型制動機）。
150型制動機由與空重車限壓閥集成安裝且具有電空制動接口的150閥、新型組合式集塵器、集成梁形制動單元、TZD型貨車脫軌自動制動裝置、KZW-A型空重車自動調整裝置、雙室風缸、副風缸、A型球芯直端塞門、制動軟管連接器、符合TB/T 2403要求的高摩合成閘瓦等組成，如圖2-9所示。
圖2-9 150型貨車制動機組成
三、150型制動機的研制
在研制150型制動機的過程中盡量采用既有、成熟、可靠的產品，重點是對150閥、新型組合式集塵器、集成梁形制動單元進行了研制。
（一）150閥的研制
1.研制依據
150閥的研制主要依據原中國南車股份有限公司2009年科技項目《30t軸重貨物列車制動系統的研制》的相關要求，并滿足原中國鐵道部運裝貨車〔2009〕318號文件《關于新型大軸重鐵路貨車技術研究有關工作的通知》中提出的關于“新型大軸重鐵路貨車綜合技術”要求：“空氣控制閥為在120閥基礎上的改進型或新型空氣控制閥；控制閥與空重車限壓閥集成安裝，并具有整體防護裝置；控制閥應提高常用制動安定性和關鍵部件可靠性，提高濾塵性能，與既有貨車制動機無條件混編，不改變機車操縱習慣?！?/p>
2.研制目標
150閥應滿足新型貨車制動要求，以先進、成熟、可靠為原則，在滿足與既有車輛無條件混編的前提下，采用新技術提高適應性、延長檢修周期。
具體目標為：
（1）與既有車輛無條件混編，不改變司機操縱習慣。
（2）采用柱塞結構，同時提高橡膠膜板的可靠性；檢修周期達到4年以上。
（3）常用制動波速大于220m/s；緊急制動波速不低于250m/s。（100輛編組，常用制動減壓50kPa后，所有控制閥均應在18s之內開始緩解。）
（4）安裝形式與120閥一致；同時應具有多種安裝方式，以適應座式、吊式安裝或集成化安裝等要求。
（5）具備電空制動接口，條件成熟時可改裝為電空制動系統。
3.研制過程
從方案設計開始到樣機試驗、單車試驗、循環耐久試驗、振動試驗、高低溫試驗、列車靜置試驗等前期大量準備工作，到2009年底按照運裝貨車〔2009〕318號文件要求，完成優化設計，并完成商品機試制與各項性能試驗。
2010年開始在新型大軸重貨車上安裝試用，到2013年裝用150閥的大軸重貨車完成了鐵路總公司組織的運用考驗。
2012年開始在中國眉山車輛公司出口澳大利亞的集裝箱平車上安裝使用，如圖2-10所示。
圖2-10 出口澳大利亞車輛上安裝的150閥
2014年開始在30t軸重新型煤炭漏斗車上安裝150型電空閥試用，如圖2-11所示。
圖2-11 安裝在新型煤炭漏斗車上的150型電空閥
2014年6月中旬，原中國南車股份有限公司組織專家，對四川制動科技股份有限公司研制的150型制動機及配套技術進行了各項資料查閱和實物現場審核，最終專家們一致通過了150型制動機及配套技術的評審。
（二）150閥主要新技術
150閥是在120閥基礎上研制開發，大量借鑒了120閥的設計和部件結構（包括局減閥、加速緩解閥、緊急二段閥、半自動緩解閥等）。150閥在保持與120閥作用性能和接口尺寸一致的前提下，提高可靠性，延長檢修周期。
150閥的作用原理與120閥一致，為二壓力直接作用形式，其主要作用性能指標與現有120閥一致，既可以用150閥改裝到120型制動機上，也可以與安裝120型制動機的貨車混編運行。
新技術的研制主要包括無滑閥結構設計、新型夾布橡膠膜板研制、鋁合金鑄件研究、多種安裝方式設計、緊急增壓接口設計、電空制動接口設計、加速常用制動功能設計等七項新技術。主要研制部件為：150閥的主閥、集成式安裝座、緊急二段閥安裝座等。
1.無滑閥結構的作用部
150閥的作用部由制動閥、主活塞、副風缸充氣閥、加速緩解風缸充氣閥和局減控制閥組成，如圖2-12所示。其中，主活塞采用全新的膜板止閥結構，徹底解決滑閥副密封不良的問題。充氣緩解、制動、保壓等通路變為相應的止閥，通過主活塞上下帶動各止閥的開關，實現原來滑閥副上下移動所產生的各個作用。
圖2-12 150閥作用部組成
（1）制動閥
制動閥由制動閥桿、制動閥（閥座）、制動閥彈簧組成，如圖2-13所示。
制動閥桿根據主活塞組成的上下移動，向上推動制動閥即產生制動作用，向下移動則產生保壓作用，與制動閥脫離即形成緩解位。
圖2-13 制動閥組成
（2）主活塞組成
主活塞組成（含減速部）包括活塞桿、上下活塞、主膜板、緊固螺栓、減速彈簧和減速彈簧座，如圖2-14所示。
圖2-14 主活塞組成及風缸充氣閥組成
主活塞上方為制動管壓力，下方為副風缸壓力，通過感知制動管壓力的變化，上下移動驅動制動機實現充氣、減速充氣、制動、保壓、緩解等作用。
主活塞動作阻力由局減彈簧（制動）和平衡彈簧（緩解）來模擬，作用性能完全由加工工藝和精度控制，徹底摒棄技藝型生產和閥面漏泄這一慣性質量問題。降低了對檢修人員的技能要求和勞動強度。
（3）副風缸充氣閥與加速緩解風缸充氣閥
兩個閥在結構上一樣，均包括充氣閥桿、充氣閥座、充氣閥彈簧、充氣閥、減速充氣膠墊、彈簧擋圈。
兩個閥的作用原理一樣，當列車管壓力增加時，主活塞下移推動充氣閥桿打開充氣閥，使列車管壓縮空氣分別向副風缸、加速緩解風缸充氣。
當主活塞克服減速彈簧阻力繼續下移到充氣閥桿與減速充氣膠墊密貼后，充氣閥桿上的減速充氣孔起作用，列車管壓縮空氣只能通過充氣限孔（ф1.4mm）以規定的充氣速度分別向副風缸、加速緩解風缸減速充氣。
（4）局減閥
局減閥包括局減控制閥、局減控制閥彈簧（相當于穩定部）、一局減閥、一局減閥座、一局減閥桿、一局減閥彈簧，如圖2-15所示。
圖2-15 局減閥
在初制動開始前，主活塞上移克服局減控制閥彈簧頂開局減控制閥，打開通往一局減閥和二局減閥通路的開關。列車管壓縮空氣首先通過開放的一局減閥排向局減室，最終排向大氣。當平衡閥開始動作，副風缸壓縮空氣進入一局減閥桿下方使一局減閥桿上移，一局減閥在彈簧作用下關閉，停止一局減作用。
在作用部中，除上述結構外還設計了“保證制動機準確到達制動位”的平衡閥（或稱平衡活塞），以及“保證主活塞上下兩側壓差恒定”的眼淚孔（或稱呼吸孔）等。
2.新型夾布橡膠膜板
為滿足橡膠膜板保用期4年的運用要求，150閥借鑒國外成熟技術，采用夾布合成橡膠膜板，提高橡膠膜板的強度，延長使用壽命。如圖2-14所示的“主膜板”。
（1）結構設計
150閥內的主活塞行程為9mm，比120閥縮短50％，減少了主膜板的行程，因此主膜板可采用接近平面的淺梯形結構，夾布工藝簡單，有利于質量控制。此外，由于夾布膜板與閥體不接觸，可解決主膜板長期與閥體相互接觸、摩擦產生的變形與破損問題。
（2）織物結構研究
150閥中膜板的使用情況比較復雜，必須達到-50℃的連續工作耐低溫要求。同時膜板是氣動元件，有靈敏度要求，設計時工作面比較薄，所以應考慮到布的厚度、強度與柔軟性的關系。根據長期的研究積累，又經過一系列的試驗后，確定采用0.2mm厚度、耐低溫的尼龍66布作為夾布材料。根據有關資料，這種夾布材料的使用壽命可達到100萬次。
3.鋁合金閥體及閥蓋
（1）新型制造技術
為解決閥體銹蝕問題，150閥的閥體采用新型鋁合金鑄造技術。其鑄造性能、切削加工性能較好，經過表面處理后，其耐蝕性也大大提高。同時大大減輕了控制閥的質量。
閥蓋類采用液態模鍛技術，強度、硬度同步提高，組織致密性高、無針孔，氣密性好、可取消浸滲。
（2）選取材料（表2-1）
表2-1 國內外兩種材料力學性能比較
如表2-1所示，通過對國外閥體鋁合金材質進行的一系列研究及綜合比較，選取的材料強度、硬度、鑄造性能、切削加工性能都比較好，經過表面處理后，其耐蝕性也較好，且其化學成分及綜合力學性能與國外對比閥體所用鋁合金材質基本一致。
（3）結構設計
鋁合金的閥體、蓋類部件均采用重力鑄造結構，且所有閥蓋沒有工藝堵，如圖2-16所示。
圖2-16 主閥體和閥前蓋
主閥體僅重6.47kg，相對120主閥體減輕了約45.6％。質量的減輕，一方面可降低生產人員、檢修人員的勞動強度，另一方面也減輕了車輛的自重，符合鐵道車輛輕量化的要求。
4.多種安裝方式
150閥具有多種搭配與安裝方式，可適應各種貨車的要求。
（1）傳統配置
傳統配置方式是將150閥的主閥與鋁合金中間體、鋁合金緊急閥安裝在一起，與既有車輛安裝形式一致，如圖2-17所示。
圖2-17 150閥的傳統安裝形式
（2）集成限壓閥配置
集成限壓閥配置方式是將150閥與空重車限壓閥有效集成，簡化制動管系，減少漏泄環節，利于管路合理布局，還可以兼顧特殊車輛的安裝要求，便于安裝和檢修，能夠更好的滿足制動系統狀態修、集中修的要求，如圖2-18所示。
圖2-18 集成限壓閥安裝形式
（3）風缸集成式配置
風缸集成式配置是利用集成式安裝座，將150閥、空重車限壓閥、組合式集塵器、加速緩解風缸、降壓氣室等用五根風管全部集成在一起，取消了120型制動機上的空重車限壓閥安裝座、雙室風缸及安裝吊及相關風管，如圖2-19所示。
對集成式安裝座及安裝吊座的結構強度和剛度進行了有限元分析和結構優化分析。結果表明，靜強度及剛度滿足TB 1335《鐵道車輛強度設計及試驗鑒定規范》的要求。
（4）緊急二段閥接口
150閥將緊急二段閥單獨設置，安裝在主閥體側面（圖2-17）。緊急二段閥除閥體、閥蓋外全部借用120閥中的緊急二段閥結構，其性能也與120閥中的緊急二段閥一致。
圖2-19 風缸集成式配置形式
（5）電空制動接口
為適應專用長大列車使用電空制動技術的要求，150閥設計了電空制動接口，可安裝車輛電空單元（CCD）。
車輛電空單元安裝在分配閥與中間體之間，安裝時只需要把原有四根雙頭螺栓更換為更長的螺栓即可。接線盒在車體上預留四個安裝螺栓孔即可安裝。
車輛電空單元裝車后不通電時不影響150閥原有氣路連通，不對原有氣路施加影響，通電后自動切換內部氣路，可以實施電空制動。
綜上所述，150型制動機及配套技術主要是采用了150閥、新型組合式集塵器及新型集成梁形制動單元，能夠適應通用貨車及大軸重長大編組重載貨物列車的運用要求；150閥采用了柱塞結構、新型夾布橡膠膜板、鋁合金閥體、集成式安裝形式等技術，提高了150閥的可靠性和適應性，延長了檢修周期；新型組合式集塵器采用了大通量W形粉末冶金濾塵器、大容量集塵盒等技術，提高了壓縮空氣過濾效果，保證了控制閥風源質量；采用對推式結構的基礎制動裝置；采用制動缸與雙向閘瓦間隙自動調整器集成等技術，結構緊湊、質量輕、受力狀態合理。
150型制動機，完全符合中國鐵路企業標準，適用于中國鐵路運用的各種貨車；其改型符合澳大利亞鐵路企業標準，已安裝在出口澳大利亞的鐵路貨車上及部分國產大軸重貨車進行運行考核，運用情況良好。