李 臣，晉 杰，楊良坤

(交通運(yùn)輸部公路科學(xué)研究院，運(yùn)輸車輛運(yùn)行安全技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100088)

前言

隨著我國(guó)道路貨物運(yùn)輸業(yè)的迅速發(fā)展，大型載貨車輛發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。載貨車輛在為國(guó)家發(fā)展做出巨大貢獻(xiàn)的同時(shí)，其安全性也不容忽視，目前我國(guó)載貨車輛保有量1 900多萬(wàn)輛，占機(jī)動(dòng)車保有量總數(shù)的7.8%，但載貨車肇事導(dǎo)致的死亡人數(shù)約占交通事故死亡總數(shù)的28%[1]。從事故原因分析，大型載貨車輛制動(dòng)系統(tǒng)失效是發(fā)生交通事故的重要原因之一。目前，我國(guó)大型載貨車輛主要配置鼓式制動(dòng)器，但在制動(dòng)穩(wěn)定性方面，鼓式制動(dòng)器相對(duì)于盤式制動(dòng)器劣勢(shì)明顯。在歐洲的重型載貨車中，從2010年開始盤式制動(dòng)器使用率已超過85%，且該比率還在增加，而我國(guó)中重型載貨車中盤式制動(dòng)器的應(yīng)用不到5%[2]。

隨著我國(guó)載貨車技術(shù)的不斷進(jìn)步和社會(huì)對(duì)運(yùn)輸安全的日益重視，工信部于2011年底發(fā)布了第632號(hào)文，明確要求危險(xiǎn)化學(xué)品運(yùn)輸車前橋必須安裝盤式制動(dòng)器。GB 7258—2012規(guī)定“所有專用校車和危險(xiǎn)貨物運(yùn)輸車的前輪及車長(zhǎng)大于9m的其他客車的前輪應(yīng)裝備盤式制動(dòng)器”[3]。汽車企業(yè)在國(guó)家強(qiáng)制要求情況下開始有了一定規(guī)模的應(yīng)用，但是相對(duì)于巨大的國(guó)內(nèi)載貨車市場(chǎng)來(lái)說(shuō)，這僅占很少的份額。

針對(duì)制動(dòng)器的熱衰退現(xiàn)象，國(guó)內(nèi)外學(xué)者從摩擦材料、行駛車速和道路線形等方面采用有限元仿真、臺(tái)架試驗(yàn)和單車的熱衰退試驗(yàn)等方法開展了深入研究[4-8]，取得了一定的成果。研究多以鼓式制動(dòng)器為主，針對(duì)大型載貨車輛盤式制動(dòng)器熱衰退的研究較少。為對(duì)比大型載貨車輛安裝盤式和鼓式兩種制動(dòng)器的制動(dòng)性能，在同一款半掛車上換裝同一廠家的盤式和鼓式兩種制動(dòng)器進(jìn)行制動(dòng)性能對(duì)比試驗(yàn)，通過分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)，探討我國(guó)重型載貨車輛制動(dòng)器應(yīng)用的發(fā)展趨勢(shì)。

1 試驗(yàn)系統(tǒng)搭建

試驗(yàn)系統(tǒng)由汽車列車性能測(cè)試儀、踏板力計(jì)、多路溫度記錄儀、熱電偶、輪胎氣壓表和電子汽車衡等組成。此外，還包括筆記本電腦和供電設(shè)備。主要試驗(yàn)設(shè)備如表1所示，其中汽車列車性能測(cè)試儀主要測(cè)量行車制動(dòng)性能，包括制動(dòng)距離、平均制動(dòng)減速度和制動(dòng)時(shí)間等；踏板力計(jì)主要測(cè)量制動(dòng)時(shí)施加到制動(dòng)踏板上的制動(dòng)力；多路溫度記錄儀主要連續(xù)采集并存儲(chǔ)熱電偶的溫度值；熱電偶用于測(cè)量制動(dòng)盤和制動(dòng)鼓的溫度；輪胎氣壓表測(cè)量試驗(yàn)前的輪胎氣壓；電子汽車衡測(cè)量試驗(yàn)車輛空載和滿載的軸荷。

表1 主要儀器設(shè)備

2 試驗(yàn)系統(tǒng)安裝

輪胎氣壓表和電子汽車衡在試驗(yàn)前保證試驗(yàn)車輛的胎壓和軸荷符合技術(shù)要求。汽車性能測(cè)試儀安裝在駕駛室中控臺(tái)上部，用大吸力吸盤固定在前風(fēng)窗玻璃上，如圖1所示。踏板力計(jì)安裝在制動(dòng)踏板上表面。多路溫度記錄儀安裝在半掛車左側(cè)儲(chǔ)物箱內(nèi)，用軟質(zhì)泡沫材料固定，如圖2所示。熱電偶分別安裝在盤式制動(dòng)器和鼓式制動(dòng)器的制動(dòng)襯片上，如圖3和圖4所示。襯片打通孔，熱電偶用配有彈簧的銅套固定，以調(diào)整因制動(dòng)片磨損造成的間隙，保證測(cè)量過程中銅套和制動(dòng)盤表面接觸，如圖5所示。

圖1 汽車性能測(cè)試儀安裝

圖2 多路溫度記錄儀安裝

圖3 熱電偶安裝在制動(dòng)盤

圖4 熱電偶安裝在制動(dòng)鼓

圖5 熱電偶固定裝置

3 試驗(yàn)車輛

試驗(yàn)用半掛汽車列車由中國(guó)重汽某6×4型牽引車和邁隆牌三軸廂式半掛車組成。試驗(yàn)車輛示意圖(包括各軸間距)如圖6所示，試驗(yàn)車輛基本參數(shù)見表2。

圖6 試驗(yàn)用半掛汽車列車示意圖

表2 試驗(yàn)車輛基本參數(shù)

4 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)在交通部公路交通試驗(yàn)場(chǎng)長(zhǎng)直線性能路上進(jìn)行，試驗(yàn)前測(cè)量路面任意方向坡度不大于2.50%。廂式半掛車匹配盤式制動(dòng)器試驗(yàn)風(fēng)速1.5m/s，氣壓100.0kPa，溫度25.1～32.2℃；廂式半掛車匹配鼓式制動(dòng)器試驗(yàn)風(fēng)速2.5m/s，氣壓99.7kPa，溫度26.2～31.2℃。

車輛滿載，技術(shù)狀況達(dá)到生產(chǎn)商的技術(shù)要求。試驗(yàn)前，按照GB 12676—2014《商用車輛和掛車制動(dòng)系統(tǒng)技術(shù)要求及試驗(yàn)方法》[9]的要求對(duì)制動(dòng)器進(jìn)行磨合，對(duì)半掛汽車列車進(jìn)行預(yù)熱行駛。

熱衰退性能試驗(yàn)方法如下：半掛汽車列車以初速度60km/h進(jìn)行制動(dòng)，速度降到30km/h時(shí)解除制動(dòng)，然后加速至速度穩(wěn)定在60km/h時(shí)再次制動(dòng)，速度降到30km/h時(shí)解除制動(dòng)，試驗(yàn)反復(fù)20次。另外，根據(jù)我國(guó)目前半掛汽車列車的使用現(xiàn)狀，為更好地考核半掛車的熱衰退性能，解除牽引車的制動(dòng)，只保留半掛車制動(dòng)，按照上述試驗(yàn)方法再進(jìn)行一次熱衰退試驗(yàn)。試驗(yàn)過程中連續(xù)采集半掛車6個(gè)制動(dòng)器的溫度數(shù)據(jù)。

5 試驗(yàn)結(jié)果分析

5.1 汽車列車熱衰退性能

汽車列車60km/h滿載Ⅰ型試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3 汽車列車60km/h滿載Ⅰ型試驗(yàn)結(jié)果

由表3可以看出，汽車列車在60km/h熱態(tài)緊急制動(dòng)時(shí)，半掛車配裝盤式制動(dòng)器和鼓式制動(dòng)器均能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，但半掛車配裝盤式制動(dòng)器性能要優(yōu)于配裝鼓式制動(dòng)器性能，說(shuō)明盤式制動(dòng)器的制動(dòng)力矩更大。從制動(dòng)距離上看，半掛車配裝盤式制動(dòng)器比配裝鼓式制動(dòng)器性能提高27.56%，因此在制動(dòng)器熱態(tài)時(shí)，盤式制動(dòng)器比鼓式制動(dòng)器優(yōu)勢(shì)更明顯。

我國(guó)快遞企業(yè)可以根據(jù)消費(fèi)者對(duì)運(yùn)送時(shí)效的要求不同（4Cs中的顧客需求策略）來(lái)設(shè)計(jì)快遞產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品與消費(fèi)者的需求相關(guān)聯(lián)（4Rs中的關(guān)聯(lián)策略），實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的差異化，進(jìn)而使企業(yè)獲得競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。例如，有的消費(fèi)者需要快遞企業(yè)實(shí)現(xiàn)一日內(nèi)將快遞送達(dá)指定地點(diǎn)或幾小時(shí)內(nèi)送達(dá)指定地點(diǎn)，快遞企業(yè)可根據(jù)其資源或與渠道成員合作來(lái)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的差異化，從而實(shí)現(xiàn)戰(zhàn)術(shù)4Ps中的產(chǎn)品策略與4Cs中的顧客需求策略、4Rs中的關(guān)聯(lián)策略相融合，以獲取競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，為價(jià)值戰(zhàn)打好基礎(chǔ)。

汽車列車滿載Ⅰ型試驗(yàn)盤式制動(dòng)器制動(dòng)盤和鼓式制動(dòng)器制動(dòng)鼓的溫度隨時(shí)間的變化曲線分別如圖7和圖8所示。

圖7 汽車列車滿載Ⅰ型試驗(yàn)盤式制動(dòng)器(制動(dòng)盤)溫度隨時(shí)間的變化曲線

圖7 和圖8中每一段曲線峰值代表一次制動(dòng)，曲線峰值之間部分代表車輛非制動(dòng)行駛。

汽車列車滿載Ⅰ型試驗(yàn)結(jié)束時(shí)制動(dòng)器溫度如表4所示。

圖8 汽車列車滿載Ⅰ型試驗(yàn)鼓式制動(dòng)器(制動(dòng)鼓)溫度隨時(shí)間的變化曲線

表4 汽車列車滿載Ⅰ型試驗(yàn)制動(dòng)器溫度 ℃

由表4可以看出，汽車列車滿載Ⅰ型試驗(yàn)結(jié)束時(shí)盤式制動(dòng)器平均溫度351.83℃，鼓式制動(dòng)器平均溫度241.82℃，二者相差110.01℃。

5.2 僅半掛車制動(dòng)時(shí)熱衰退性能

僅半掛車制動(dòng)時(shí)，汽車列車60km/h滿載Ⅰ型試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。

表5 汽車列車60km/h滿載(僅半掛車制動(dòng))Ⅰ型試驗(yàn)結(jié)果

汽車列車僅半掛車制動(dòng)工況我國(guó)暫無(wú)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，試驗(yàn)方法參照GB 12676—2014。由表5可以看出，60km/h熱態(tài)制動(dòng)時(shí)，配裝盤式制動(dòng)器制動(dòng)距離為86.07m，而配裝鼓式制動(dòng)器制動(dòng)距離為241.40m，配裝盤式制動(dòng)器比配裝鼓式制動(dòng)器性能提高180.47%。半掛車配裝盤式制動(dòng)器在熱態(tài)和冷態(tài)緊急制動(dòng)時(shí)，性能略有下降，熱態(tài)比冷態(tài)制動(dòng)距離僅增加了 19.85m(僅半掛車制動(dòng)時(shí)，汽車列車60km/h滿載0型發(fā)動(dòng)機(jī)脫開試驗(yàn)制動(dòng)距離為66.22m)，能保持較好的制動(dòng)性能；半掛車配裝鼓式制動(dòng)器時(shí)制動(dòng)性能急劇下降，制動(dòng)距離增加152.68m(僅半掛車制動(dòng)時(shí)，汽車列車60km/h滿載0型發(fā)動(dòng)機(jī)脫開試驗(yàn)制動(dòng)距離為88.72m)，從平均發(fā)出的制動(dòng)減速度MFDD為0.61m/s2可以看出，半掛車配裝鼓式制動(dòng)器熱衰退嚴(yán)重，接近失效。

僅半掛車制動(dòng)時(shí)滿載Ⅰ型試驗(yàn)盤式制動(dòng)器的制動(dòng)盤溫度隨時(shí)間的變化曲線如圖9所示，鼓式制動(dòng)器的制動(dòng)鼓溫度隨時(shí)間的變化曲線如圖10所示。

圖9 僅半掛車制動(dòng)時(shí)滿載Ⅰ型試驗(yàn)盤式制動(dòng)器(制動(dòng)盤)溫度隨時(shí)間的變化曲線

圖10 僅半掛車制動(dòng)時(shí)滿載Ⅰ型試驗(yàn)鼓式制動(dòng)器(制動(dòng)鼓)溫度隨時(shí)間的變化曲線

僅半掛車制動(dòng)時(shí)，汽車列車滿載Ⅰ型試驗(yàn)結(jié)束時(shí)制動(dòng)器溫度如表6所示。

由表6可以看出，汽車列車滿載(僅半掛車制動(dòng))Ⅰ型試驗(yàn)結(jié)束時(shí)盤式制動(dòng)器平均溫度525.53℃，鼓式制動(dòng)器平均溫度384.82℃，二者相差140.71℃，說(shuō)明盤式制動(dòng)器比鼓式制動(dòng)器的熱容量小。

表6 汽車列車滿載(僅半掛車制動(dòng))Ⅰ型試驗(yàn)完成制動(dòng)器溫度 ℃

從表4和表6可以看出，在同樣的試驗(yàn)條件下，試驗(yàn)結(jié)束時(shí)總體上盤式制動(dòng)器溫度要比鼓式制動(dòng)器高。結(jié)合表3和表5的制動(dòng)性能可以看出，雖然盤式制動(dòng)器溫度上升快，但盤式制動(dòng)器的熱穩(wěn)定性好，溫度在525℃左右依然能提供較好的制動(dòng)力，鼓式制動(dòng)器在384℃時(shí)已經(jīng)基本失去制動(dòng)能力。

5.3 制動(dòng)前后制動(dòng)器的狀態(tài)

制動(dòng)前后制動(dòng)盤和制動(dòng)鼓的狀態(tài)如圖11～圖14所示。

圖11 試驗(yàn)前摩擦片表面狀態(tài)

圖12 試驗(yàn)后摩擦片表面狀態(tài)

由圖11～圖14可以看出：盤式制動(dòng)的制動(dòng)盤和摩擦片的貼合與鼓式制動(dòng)的制動(dòng)鼓和制動(dòng)蹄片的貼合在低溫階段沒有明顯的區(qū)別，制動(dòng)性能也接近；但在高溫階段，制動(dòng)蹄片兩端在高溫制動(dòng)后產(chǎn)生了磨損，中部變化不大，這從圖14表面大量粉塵分布可以看出。因此，制動(dòng)蹄片在高溫制動(dòng)后和制動(dòng)鼓貼合不良，而盤式制動(dòng)摩擦副的貼合好于鼓式制動(dòng)，可有效地保證行車制動(dòng)安全。

從物理學(xué)的觀點(diǎn)看，制動(dòng)過程是車輛將動(dòng)能轉(zhuǎn)化為熱能的過程。車輛在長(zhǎng)時(shí)間制動(dòng)中，制動(dòng)盤和摩擦片、制動(dòng)鼓和制動(dòng)蹄片的溫度都會(huì)迅速升高，但因制動(dòng)盤和制動(dòng)鼓在高溫下狀態(tài)不同，造成了制動(dòng)效果也不同。盤式制動(dòng)器和鼓式制動(dòng)器在冷熱情況下的狀態(tài)對(duì)比如圖15所示。

圖13 試驗(yàn)前制動(dòng)蹄片表面狀態(tài)

圖14 試驗(yàn)后制動(dòng)蹄片表面狀態(tài)

圖15 制動(dòng)器在冷熱情況下的狀態(tài)

從圖15中可以看出，盤式制動(dòng)在制動(dòng)過程中摩擦片和制動(dòng)盤一直處于面接觸狀態(tài)，保證了制動(dòng)性能的穩(wěn)定。鼓式制動(dòng)在高溫階段，由于制動(dòng)鼓高溫變形和磨損(圖15(d)中標(biāo)記處)，使制動(dòng)蹄片和制動(dòng)鼓之間結(jié)合不緊密，造成接觸面積減小，比壓增大，磨損加快，制動(dòng)性能變差。

6 結(jié)論

(1)從試驗(yàn)結(jié)果看，盤式制動(dòng)器制動(dòng)力矩更大、熱穩(wěn)定性更好，比鼓式制動(dòng)器安全性優(yōu)勢(shì)明顯。

(2)我國(guó)大型載貨車輛盤式制動(dòng)器安裝率較低的主要原因是超載。超載車輛在連續(xù)制動(dòng)時(shí)，盤式制動(dòng)器溫升更快，且由于高溫淋水易發(fā)生斷裂現(xiàn)象，不適合目前我國(guó)的運(yùn)輸市場(chǎng)。但隨著2016年9月五部委聯(lián)合治超的實(shí)施及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)運(yùn)輸安全要求的提高，盤式制動(dòng)器在我國(guó)有望逐步得到推廣。

(3)本試驗(yàn)結(jié)果是在汽車列車額定載荷條件下測(cè)得，試驗(yàn)車輛和試驗(yàn)條件一致，試驗(yàn)結(jié)果具有很高的說(shuō)服力。如需得到更具普遍性的結(jié)論，需更換試驗(yàn)車輛、變換載荷進(jìn)一步對(duì)比分析。

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