重載列車空氣控制閥的研究

范振平，李 強，姚小沛，陶 強

（北京交通大學，北京 100044）

重載列車空氣控制閥的研究

范振平，李 強，姚小沛，陶 強

（北京交通大學，北京 100044）

介紹了重載列車空氣控制閥的開發(fā)背景、常用制動加速作用的實現(xiàn)方式及為提高閥的可靠性及檢修周期所做的技術(shù)改進，并詳細介紹了重載列車空氣控制閥在開發(fā)及應用階段的各種試驗情況。

120－1型貨車；空氣控制閥；常用制動加速作用；技術(shù)改進；試驗

1 引言

大秦重載列車鐵路設計初期預定開行1萬t列車，我國原有的貨車103閥、GK閥已不能滿足1萬t列車運用需要。當時擬引進美國ABDW或德國DB－60閥，但在室內(nèi)試驗中發(fā)現(xiàn)以下3個主要問題：①以我國JZ－7（或DK－1）制動機操縱ABDW閥（或DB－60）的列車時，不論減壓量大小，在保壓期間ABDW閥的常用制動加速部排風不止，必須達到列車主管與副風缸平衡才能停止動作，造成列車制動機失去階段制動作用；②橡膠件在－40℃左右就不能正常工作；③緊急制動后，第一次施行常用制動，其制動波速僅能達到GK閥水平。為此，鐵道部決定終止引進工作。1989年起，鐵道部決定研制新貨車空氣控制閥，目標為滿足1萬t重載列車制動要求。

新研制的貨車空氣控制閥試驗結(jié)果令人滿意，各項指標達到80年代國外先進制動機水平，1993年通過鐵道部鑒定，定名為120型貨車空氣控制閥。1994年起在新造貨車上全面安裝，舊車每年也以一定數(shù)量改造，迄今在列車隊中已占70%左右。120閥的常用制動波速、緩解波速、緊急波速等主要性能已達到國外先進制動機水平，實踐證明這些性能已基本可以滿足重載運輸?shù)囊?。至于常用加速性能，當時因考慮到與幾十萬輛K（GK）閥的混編問題，而且牽引重量目標僅為萬t，因此暫時舍棄了這個功能。

2003年3 月裝備部重載會議上，與會代表提出要求在120閥上增添常用加速制動功能。以便使改進的120閥無論是單獨使用或與ECP、Locotrol配套使用時都能滿足重載運輸要求。鐵道部科技司于2004年科研項目列入計劃，并在7月簽訂合同。

2 設計方案確定

方案設計從2003年初開始，到2003年底，逐步確定了120－1貨車空氣控制閥的設計方案：

（1）考慮到120閥目前已經(jīng)成為我國貨車的主型空氣控制閥，各工廠和站段在120閥的生產(chǎn)、檢修及運用上已經(jīng)積累了大量寶貴經(jīng)驗；同時考慮到控制閥的設計應該保持技術(shù)上的連貫性和可持續(xù)性。因此應盡可能將120閥上成熟、可靠的部分繼承下來，以最經(jīng)濟有效的辦法實現(xiàn)新增功能，以利于現(xiàn)場生產(chǎn)、檢修及運用。

（2）不僅要講究常用加速制動性能效果，而且還必須能適合我國國情，也就是改進后的120閥（120-1 type閥）應該既能適應在壓力保持條件（補風）下運用，又能在沒有壓力保持條件（不補風）下與GK閥、120閥混編使用。

（3）常用加速制動性能實現(xiàn)上不再采取ABDW閥的頻率震動式結(jié)構(gòu)而應吸取ABDX閥的成功經(jīng)驗。

（4）除增加常用加速制動功能以外，還應對120閥近些年檢修、運用中反映出的一些問題進行改進設計。

3 結(jié)構(gòu)、材料的改進設計

3.1 常用制動加速功能的實現(xiàn)

120－1 的常用加速制動作用是由滑閥、節(jié)制閥各孔在不同作用位時開、閉實現(xiàn)的。為了實現(xiàn)常用加速制動作用，對120閥的主閥作用部進行了重新設計，主要包括以下內(nèi)容：

（1）對滑閥進行了重新設計，增加新的氣路、對原有氣路進行了調(diào)整及優(yōu)化。

（2）對節(jié)制閥進行了重新設計。

（3）為保證性能，提高了對滑閥、節(jié)制閥的加工精度。

（4）為適應重載列車的需要，對穩(wěn)定桿進行了改進設計。

（5）主勾貝和滑閥的工作行程增加2mm。

3.2 局減閥的改進設計

環(huán)行道第一階段120km/h貨車可靠性試驗進行了10個月，運行了約18萬km。試驗結(jié)束后，將34輛車的120閥全部拆下，在120閥試驗臺上逐一進行了試驗，其中有3個閥的局減閥橡膠膜板破裂，約占9%。17個閥局減閥蓋通氣孔漏泄超標（但其局減閥橡膠膜板沒有破裂）,約占50%。

如此多的局減閥產(chǎn)生漏泄證明局減閥的設計存在欠缺,我們對局減閥的結(jié)構(gòu)進行了認真分析，提出了如下修改方案：（1）將上活塞與局減閥桿合為一體，以徹底解決漏泄問題，為減少加工量可考慮采用鑄造件;（2）局減閥蓋還應保持2000年改圖的要求，增加4×4的倒角，以減少膜板受拉變形;（3）取消了M8彈性墊圈，因為當擰緊彈性墊圈時易劃傷下活塞，產(chǎn)生鋁屑，造成劃破膜板的隱患，同時改用防松螺母。

我們對改進后的局減閥結(jié)構(gòu)進行了一萬次作用試驗，沒有產(chǎn)生漏泄及松動。達到了預期的效果。鐵道部裝備部已批準按新圖生產(chǎn)局減閥桿，目前新生產(chǎn)的120－1閥和120閥均已按新的局減閥桿圖紙生產(chǎn)，運用中未再發(fā)生類似的局減閥蓋通氣孔漏泄現(xiàn)象。

3.3 緊急閥

3.3.1 緊急制動后不復位。運用部門多次反映，列車有時在施行緊急制動后，因120閥緊急部不能復位造成充氣時大漏，影響行車。經(jīng)反復查對圖紙，分析加工工藝后，發(fā)現(xiàn)在推廣鋁蓋中，緊急放風閥導向桿設計和L13通道開孔位置及下蓋設計不當，造成在緊急制動時，容易使氣路不暢、導向桿傾斜，產(chǎn)生卡住現(xiàn)象，從而使緊急部不易復位，這是近期列車中緊急閥多發(fā)故障的原因之一。為此我們對緊急閥下蓋、緊急放風閥導向桿、緊急下活塞的設計進行了改進。

3.3.2 提高緊急閥穩(wěn)定性

（1）由于鋁蓋的表面光潔度高，在試驗臺試驗時有時出現(xiàn)緊急閥模板被上蓋吸住的現(xiàn)象，從而影響試驗準確性。此次改進設計中在上蓋增加小孔，以防止在快速動作過程中膜板上部形成真空而被吸住，以杜絕這種現(xiàn)象產(chǎn)生。

（2）緊急閥上蓋改為鋁蓋后氣路設計不盡合理，緊急室氣路不通暢，也會造成緊急閥試驗性能不穩(wěn)定。120－1閥設計時對緊急閥上蓋的氣路進行了重新設計。

3.4 緩解閥

3.4.1 緩解閥手柄座容易損壞。據(jù)現(xiàn)場反映，檢修120閥分解檢查時，發(fā)現(xiàn)半自動緩解閥的手柄座更換量很大，占半數(shù)以上。我們分析，緩解閥手柄座套在早期設計中采用尼龍材料制成，運用中發(fā)現(xiàn)南方地區(qū)夏季運用時該件變形而造成故障較多。后改用鐵基粉末冶金材料， 由于該部分零件受力較大，而緩解閥手柄座又采用鋼材，致使緩解閥手柄座易于受損。在改進設計中采用了銅材，以期解決。

3.4.2 緩解閥接觸面漏泄問題。因緩解閥體改為鋁體后，其與主閥的接觸面設計與主閥不一致，致使閥墊不能保證完全密封。120－1閥設計時對閥墊及緩解閥體與主閥的接觸面進行了重新設計。

3.5 主閥與緊急閥體材質(zhì)

120閥閥體栽絲螺紋損傷造成閥體報廢的主要原因是閥體強度不夠及栽絲孔、栽絲及螺帽的加工質(zhì)量和安裝工藝問題。目前使用的HT200拉伸強度僅為200N/mm2，如提高HT200的強度又會出現(xiàn)局部白口并造成該處硬度劇增無法加工。

根據(jù)國外經(jīng)驗我們這次選用了QT450－10，其拉伸強度是HT200的2.25倍并具有10%的延伸率而HT200的延伸率為0。該材質(zhì)的改變不僅將利于減少因閥體栽絲螺紋損傷而造成的閥體報廢，而且還有助于延長控制閥的使用壽命。但同時還應嚴格控制栽絲孔、栽絲及螺帽加工質(zhì)量和安裝工藝。

3.6 閥套材質(zhì)

目前120閥與O型橡膠圈接觸的閥套均采用銅套（HPb59-1），由于銅離子對橡膠的氧化具有強烈的催化作用，對橡膠造成危害，它既影響了閥的性能又縮短了橡膠件的使用壽命。

為了提高120－1閥性能的可靠性并延長橡膠件的使用壽命我們將銅套改為不銹鋼套。不銹鋼套的另一個優(yōu)點是其線膨脹系數(shù)更接近鑄鐵，這將利于穩(wěn)定120－1閥在高、低溫下的性能。

3.7 彈簧

彈簧的生產(chǎn)質(zhì)量將直接影響到控制閥性能的可靠性及使用壽命。彈簧鋼絲的牌號很多，即使碳素彈簧鋼絲也有幾種，而120閥卻對彈簧沒有明確的材質(zhì)要求。

在原120閥彈簧的技術(shù)要求中對安定簧的裝配負荷、工作負荷進行考核，對其總?cè)?shù)和自由高不作為考核依據(jù)。對其余的彈簧，彈簧力僅供參考，不作為考核依據(jù)。此種要求明顯偏低，不利于保證閥的性能。

目前我們已對彈簧進行了調(diào)整設計，明確了彈簧鋼絲的牌號，并對彈簧負荷及幾何尺寸作了明確要求。為了提高彈簧的抗腐蝕能力，對彈簧表面處理后進行鹽霧試驗時要求出現(xiàn)銹蝕的時間提出了明確要求。

4 試驗過程

為了驗證120－1閥是否達到了設計目的，在研究、開發(fā)階段進行了室內(nèi)單車和列車試驗、裝車后進行了裝車運用考驗，對120－1閥與120閥的主要性能進行了詳細對比。

4.1 室內(nèi)單車試驗

為了驗證120－1閥新增常用加速制動功能的效果，對120閥、120-1 type閥進行了單車四位減壓性能試驗，比較兩種閥從制動缸升壓開始至制動管再減壓130kPa的時間。試驗情況見表1。從單車試驗已能初步看出120-1 type閥常用加速制動性能的效果，120-1 type閥制動管減壓時間比120閥縮短了17%。

表1 單車試驗排氣時間比較

4.2 室內(nèi)150輛列車試驗臺試驗

4.2.1 120－1閥常用加速制動性能驗證。為了驗證120－1閥的常用加速制動作用的效果，在室內(nèi)150輛制動試驗臺進行了120閥及120－1閥150輛編組列車的常用全制動性能對比試驗。試驗結(jié)果見表2。

表2 120閥與120-1type閥150輛編組列車減壓時間比較

試驗結(jié)果表明150輛編組的120－1閥列車比同樣編組的120閥列車，常用全制動減壓時間縮短了30～35%。證明了120－1閥的常用加速制動性能達到了預期效果。

4.2.2 120－1閥的混編性能驗證。鐵路貨車由于保有量大、使用年代久遠，其上安裝的制動機的類型也種類繁多，目前我國貨車廣泛使用的制動機類型有120閥和GK閥，另有少量103閥。因此新閥設計出來后能否與現(xiàn)有閥混編就顯得尤為重要。為了驗證120－1閥的混編性能，在室內(nèi)150輛制動試驗臺主要進行了以下幾項試驗。

（1）為驗證120－1閥可以適應機車壓力保持操縱，進行了當列車管漏泄為20 kPa/min時，機車制動機置開通壓力保持，150輛編組的120-1 type閥列車，減壓120 kPa后，保壓1小時的試驗。 保壓1小時后列車仍保持制動位，試驗證明120－1閥能適應壓力保持操縱。

（2）為驗證120－1閥在沒有壓力保持的條件下，其常用加速制動性能仍能正常作用，進行了當列車管漏泄為20 kPa /min時，機車制動機置“不補風位”。100輛編組的120－1閥列車，減壓100kPa的試驗。試驗證明120－1閥在列車管漏泄為20 kPa/min時，機車沒有壓力保持條件下，其常用加速制動性能仍能正常作用。

（3）為驗證120-1type閥能夠在沒有壓力保持的條件下與GK閥、120閥混編使用，進行了機車沒有壓力保持的條件下，100輛編組的120－1、120、GK三種貨車閥混編試驗，其中機后2、50、99輛車為120閥，機后第3、49、98輛車為GK閥，其它車輛均為120-1 type閥。試驗證明120－1閥機車沒有壓力保持的條件下，能與120閥、GK閥正?；炀幨褂谩?/p>

4.2.3 120－1閥與120閥的其它主要制動性能進行了對比試驗。對150輛編組的120－1閥和120閥的常用制動波速、緩解波速及緊急制動波速進行了對比試驗，結(jié)果見表2。試驗證明120－1閥的常用制動波速、緩解波速及緊急波速與120閥基本一致。

表3 120－1閥與120閥制動、緩解波速比較

4.3 裝車運用考驗

2005年1 月鐵道部科技司會同運輸局召開了120－1閥技術(shù)審查會，會后布置了隨同新C80（3輛一組，中間用牽引桿連接，兩端分別是17號車鉤和16號轉(zhuǎn)子鉤，全部安裝了120－1閥）車裝車運用考驗。2005年5月隨204輛新C80敞車投入大秦運用考驗，并與Locotrol技術(shù)（機車無線同步控制技術(shù)）配套進行了2種編組方式（4×5 000t編組和1＋2＋1編組）的2萬噸組合列車試驗，對相同編組方式的新、老C80（120閥、未安裝牽引拉桿）列車的制動及縱向動力學性能進行了詳細對比，取得了大量的試驗結(jié)果，本文僅介紹與120－1閥相關(guān)的試驗結(jié)果。

4.3.1 靜置試驗結(jié)果比較。為了驗證C80車輛改進效果，列車靜置制動試驗時，對不同編組方式均進行了分別采用新、老C80車輛的列車制動性能對比試驗。表4列出了新、老C80列車常用制動時不同編組時的列車減壓時間。

從表4列出的各次試驗結(jié)果統(tǒng)計可以看出，在各種不同編組、不同減壓量時，新C80（安裝120－1閥）列車的常用制動減壓時間比老C80安裝120閥）列車的常用制動減壓時間縮短了20～40%；而且列車編組越長，常用制動減壓時間縮短越多，120－1閥的常用加速制動作用就越明顯。列車常用制動減壓時間的縮短有利于縮短常用制動距離，減小長大列車制動時的車鉤力。

4.3.2 運行試驗結(jié)果比較。1＋2＋1和4×5 000t兩種編組的新、老C80列車運行試驗時都在平道及－12‰下坡道處進行了常用全制動停車試驗。

（1）關(guān)于制動距離。在平道進行常用全制動時，（1＋2＋1編組）新、老C80兩種相同編組列車的制動初速分別為80.5km/h、79.2km/h，制動距離分別為1 051m、1 180m。新C80兩萬噸組合列車比老C80兩萬噸組合列車制動距離縮短129m。

在－12‰下坡道進行常用全制動時，（1＋2＋1編組）新、老 C80兩種相同編組列車的制動初速分別為 80.4km/h、80.6km/h，制動距離分別為1 546m、1 697m。新C80兩萬噸組合列車比老C80兩萬噸組合列車制動距離縮短151m。

試驗證明新C80的制動機經(jīng)過改裝120－1閥后，增加了常用加速制動性能，能夠縮短常用制動距離，這將利于大秦線高密度運輸?shù)男枰?/p>

（2）關(guān)于車鉤力。試驗中所測得的車鉤力結(jié)果見表5。

1＋2＋1 組合兩萬噸列車，新C80列車各測試斷面 （總共10個）中的最大車鉤力比老C80列車的最大車鉤力減小41%～59%左右；各測試斷面最大車鉤力的平均值減小43%～52%左右。

4×5 000 t組合2萬噸列車，坡道時新C80列車各測試斷面中的最大車鉤力比老C80列車的最大車鉤力減小37%左右；各測試斷面最大車鉤力的平均值減小47%左右。

證明C80改裝牽引拉桿、120－1制動機后，能明顯減小列車制動時的車鉤力，這將利于采用LOCOTROL技術(shù)開行2萬噸重載組合列車。

5 結(jié)論

（1）通過系統(tǒng)研究，設計，室內(nèi)列車試驗及大秦線一系列試驗表明，120－1閥已達到鐵道部合同要求的預期目標。

（2）120－1閥在大秦線2萬噸組合列車運用考驗中證明：在各種不同編組、不同減壓量時，安裝了120-1type型貨車空氣控制閥的新C80列車比安裝120型貨車空氣控制閥的老C80列車常用制動減壓時間縮短了20～40%；而且列車編組越長，常用制動減壓時間縮短越多，120-1type閥的常用加速制動作用也越明顯。縮短列車常用制動減壓時間將利于縮短列車常用制動距離，減小長大列車制動時的車鉤力。

（3）通過大秦線2萬噸組合列車試驗證明：120－1閥能與Locotrol系統(tǒng)（機車無線同步控制系統(tǒng)）相互匹配，并能適應Locotrol系統(tǒng)壓力保持的需要。

（4）針對原120閥一些檢修、運用中存在的問題對120閥的改進設計將利于提高120－1閥和120閥的可靠性并延長檢修周期。

[1]陶強.大秦線采用Locotrol技術(shù)開行2萬噸重載組合列車試驗報告[R].中國鐵道科學研究院機車車輛研究所，2006.

[2]陶強.120-1 type型貨車空氣控制閥研究報告[R].中國鐵道科學研究院機車車輛研究所,2006.

Study on the Air Control Valve for Heavy-duty Trains

FAN Zhen-ping,LIQ iang,YAO Xiao-pei,TAO Qiang
（Beijing Jiaotong University,Beijing100044,China）

The paper introduces the developmental back ground of the air control valves for heavy-duty trains,the realization ofits common braking and accelerating functions,and the technical improvements in its reliability and maintenance cycle and then details some of the experimentsin the development and application stages of thevalve.

120-1 freight train;air control valve;common braking and accelerating functions;technical improvement;experiment

U260.351

A

1005-152X（2011）02-0138-04

10.3969/j.issn.1005-152X.2011.02.044

2011-01-10

范振平（1965-）,男，河北行唐人，現(xiàn)在北京交通大學機械工程博士后流動站從事博士后研究工作;李強，北京交通大學博導；姚小沛，中國鐵道科學研究院機車車輛研究所；陶強，中國鐵道科學研究院機車車輛研究所。