120閥內(nèi)孔徑對(duì)制動(dòng)系統(tǒng)性能的影響*

趙 陽(yáng)，魏 偉

(大連交通大學(xué)載運(yùn)工具先進(jìn)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧大連 116028)

120型空氣控制閥是吸收國(guó)內(nèi)外先進(jìn)制動(dòng)技術(shù)，并結(jié)合我國(guó)實(shí)際情況研制而成的新型重載列車分配閥.120型空氣控制閥是現(xiàn)階段我國(guó)鐵路貨車上使用的主型閥，其制動(dòng)、緩解特性對(duì)貨運(yùn)線路的作業(yè)效率及運(yùn)行安全都有很大的影響［1］。為了獲得更好的制動(dòng)系統(tǒng)特性，優(yōu)化制動(dòng)系統(tǒng)功能，有必要詳細(xì)研究120閥各種參數(shù)對(duì)制動(dòng)緩解特性的影響。本文研究120閥的部分孔徑參數(shù)對(duì)列車制動(dòng)緩解特性的影響，以期對(duì)優(yōu)化分配閥和開(kāi)發(fā)新分配閥起到借鑒作用。

對(duì)120閥的定性分析，可以確定改變120閥的各孔徑對(duì)其制動(dòng)、緩解特性影響的趨勢(shì)，但是很難定量分析其影響的程度。120閥列車制動(dòng)系統(tǒng)仿真系統(tǒng)是根據(jù)氣體流動(dòng)理論和分配閥工作原理建立的列車空氣制動(dòng)仿真系統(tǒng)模型。該仿真系統(tǒng)通過(guò)計(jì)算每時(shí)刻氣體狀態(tài)，機(jī)車閥、車輛閥內(nèi)移動(dòng)部件狀態(tài)和通路，各缸室氣體流量，從而獲得制動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特征。通過(guò)仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比表明，仿真得到的列車管、制動(dòng)缸、副風(fēng)缸加緩風(fēng)缸等空氣壓力隨時(shí)間的變化與試驗(yàn)結(jié)果非常接近［2－4］，說(shuō)明基于氣體流動(dòng)理論的空氣制動(dòng)仿真系統(tǒng)能夠很好的模擬制動(dòng)系統(tǒng)中氣體流動(dòng)和閥內(nèi)動(dòng)作過(guò)程。該軟件可以改變閥的各個(gè)參數(shù)以分析各參數(shù)對(duì)制動(dòng)系統(tǒng)性能的影響。因此，該軟件為120閥的定量分析提供了很好的平臺(tái)，可以應(yīng)用于新閥的開(kāi)發(fā)和舊閥的改造工作中。

120閥自推廣以來(lái)，顯示出優(yōu)良的性能，但是在運(yùn)用和實(shí)踐中也暴露出一些如制動(dòng)閥、緩解閥故障的現(xiàn)象［5－6］。而緊急閥III孔、局減閥上的局減孔、加緩風(fēng)缸向列車管充氣孔是120閥中重要的孔徑并且對(duì)列車的制動(dòng)緩解特性具有明顯的影響［7］，因此分別對(duì)上述3孔進(jìn)行討論，以得到各自的規(guī)律，解決分配閥在運(yùn)用過(guò)程中暴露的問(wèn)題。

1 仿真系統(tǒng)基本原理

空氣制動(dòng)系統(tǒng)根據(jù)其流動(dòng)特點(diǎn)，可以將制動(dòng)系統(tǒng)分為管路系統(tǒng)和缸系統(tǒng)。管路系統(tǒng)重點(diǎn)研究其流動(dòng)特性;缸系統(tǒng)主要有2類缸，一類是容積可變的缸，如制動(dòng)缸，另一類是容積固定的缸，如副風(fēng)缸、加速緩解風(fēng)缸等，缸內(nèi)研究重點(diǎn)是穩(wěn)定壓力。因此對(duì)于管路和缸分別作如下假定。對(duì)于管路，假設(shè)管路系統(tǒng)內(nèi)氣體流動(dòng)是一維流動(dòng)，考慮到管路內(nèi)氣體可能和外部有熱交換，管內(nèi)壁有摩擦，管路面積可變及氣體熵可變。根據(jù)氣體流動(dòng)的連續(xù)性、動(dòng)量守恒和能量守恒得到如下方程［2］:

式中:ρ，u，p，a，k，D，F(xiàn)，q，x，t分別為氣體密度、流速、壓力、聲速、比熱比、管路直徑、管截面積、傳熱率、距離和時(shí)間。

對(duì)于固定容積缸內(nèi)壓力的計(jì)算，引入定容積開(kāi)口系統(tǒng)熱力學(xué)第一定律。方程如下:

2 分配閥內(nèi)孔徑對(duì)制動(dòng)特性的影響

為了計(jì)算具有典型性，在仿真計(jì)算時(shí)，選取的重載列車編組方案為:一輛HXd1機(jī)車牽引一百輛C80型貨車(軸重25 t);首車列車管初始?jí)毫?00 kPa(相對(duì)壓力)，末車列車管初始?jí)毫?80 kPa。

2.1 緊急閥III孔徑的影響

緊急閥III孔為緊急活塞桿的限孔，緊急閥的緊急活塞上方的緊急室壓力空氣先經(jīng)此孔向列車制動(dòng)管逆流，常用制動(dòng)時(shí)，此孔上下壓力差小，孔徑相對(duì)較大，不足以在緊急活塞上產(chǎn)生緊急制動(dòng)需要的作用力。當(dāng)緊急制動(dòng)時(shí)緊急活塞兩側(cè)形成足以壓縮安定彈簧的壓力差時(shí)，緊急活塞下移，下移量為3 mm時(shí)，緊急活塞桿的下端面與先導(dǎo)閥頂桿接觸并克服先導(dǎo)閥彈簧的阻力，通過(guò)先導(dǎo)閥頂桿向下頂開(kāi)先導(dǎo)閥，于是，列車制動(dòng)管壓力空氣經(jīng)開(kāi)啟的先導(dǎo)閥口、放風(fēng)閥桿的徑向孔排入大氣。

對(duì)120閥緊急部結(jié)構(gòu)的定性分析可知，緊急閥III孔徑減小，緊急靈敏度將提高，反之緊急靈敏度降低，但是該孔徑的大小只能在較小的范圍內(nèi)變化，當(dāng)該孔徑過(guò)大時(shí)，將使緊急制動(dòng)不能正常發(fā)生，而該孔徑過(guò)小時(shí)，在常用制動(dòng)時(shí)可能發(fā)生意外緊急制動(dòng)。目前，該孔徑大小對(duì)緊急靈敏度影響的定量分析和對(duì)其他緊急制動(dòng)性能影響的定量分析還沒(méi)有研究結(jié)論。本文使用仿真系統(tǒng)來(lái)定量分析緊急閥III孔徑對(duì)緊急制動(dòng)特性的影響。

在120閥中，該孔徑的標(biāo)準(zhǔn)大小為2.5 mm，在仿真時(shí)分別修改該孔徑為2.4 mm和2.6 mm，進(jìn)行仿真計(jì)算。圖1是緊急閥III孔徑在2種孔徑情況下首(第1輛車)、中(第50輛車)、末車(第100輛車)的列車管壓力變化曲線。從列車管曲線看，該孔徑大小對(duì)中、末車的列車管開(kāi)始排氣時(shí)間有較為明顯的影響:中車在該孔徑為2.6 mm時(shí)，3.8 s列車管開(kāi)始排氣，而該孔徑為2.4 mm時(shí)，2.9 s列車管開(kāi)始排氣;末車在該孔徑為2.6 mm 時(shí)，6.6 s開(kāi)始排氣，而該孔徑為2.4 mm 時(shí)，5.5 s開(kāi)始排氣。

圖1 緊急閥III孔徑對(duì)列車管壓力的影響Fig.1 The effect of emergency valve III hole on the train pipe pressure

該孔徑的大小在影響列車管開(kāi)始排氣時(shí)間的同時(shí)對(duì)列車管的排氣速度也有明顯的影響。由圖可知，增大該孔徑后，末車在剛開(kāi)始減壓時(shí)速度較慢，之后才進(jìn)入緊急制動(dòng)的狀態(tài)，從而導(dǎo)致列車管的排氣速度較慢。在該孔徑為2.6 mm時(shí)，末車列車管開(kāi)始減壓到壓力為0用時(shí)2.9 s，而該孔徑為2.4 mm 時(shí)，該過(guò)程只用了1.1 s，減小該孔徑明顯提高了列車管的排氣速度。

從圖2的制動(dòng)缸曲線可以看出，緊急閥III孔的孔徑增大后，中、末車的制動(dòng)缸升壓開(kāi)始時(shí)間明顯滯后，并且剛開(kāi)始升壓時(shí)速度較慢，這是由于該孔徑增大后，緊急活塞上下的壓力差增大的速度較慢，導(dǎo)致先導(dǎo)閥打開(kāi)的時(shí)間滯后，先導(dǎo)閥打開(kāi)之后才發(fā)生緊急制動(dòng)。如果緊急閥III孔過(guò)小，在常用制動(dòng)時(shí)就會(huì)發(fā)生緊急作用，如圖3中就是該孔徑減小到2.2 mm時(shí)，常用制動(dòng)發(fā)生緊急作用的列車管和制動(dòng)缸曲線。

孔徑對(duì)緊急制動(dòng)波速有明顯影響，表1是在緊急閥III內(nèi)孔徑不相同時(shí)的緊急制動(dòng)波速。

圖2 緊急閥III孔徑對(duì)制動(dòng)缸壓力的影響Fig.2 The effect of emergency valve III hole on the brake cylinder pressure

圖3 緊急閥III孔徑為2.2mm時(shí)常用全制動(dòng)的列車管壓力曲線與制動(dòng)缸壓力曲線Fig.3 The curve of the train pipe pressure and the brake cylinder pressure as full service as emergency valve III hole equal 2.2 mm

表1 緊急閥III內(nèi)孔徑對(duì)緊急制動(dòng)波速的影響Table 1 The size of emergency valve III hole effect the emergency braking propagation speed

從表1的仿真結(jié)果看，緊急閥III內(nèi)孔徑的大小對(duì)緊急波速影響非常明顯，孔徑越小，制動(dòng)波速越快。盡管緊急閥III內(nèi)孔徑減小可以提高緊急波速，但是過(guò)小的緊急閥III孔徑，將使常用制動(dòng)發(fā)生緊急作用，從而導(dǎo)致制動(dòng)故障。通過(guò)多次仿真計(jì)算后發(fā)現(xiàn)，當(dāng)緊急閥III內(nèi)孔徑的大小為2.2 mm時(shí)，在常用全制動(dòng)時(shí)先導(dǎo)閥已經(jīng)打開(kāi)，常用全制動(dòng)時(shí)會(huì)發(fā)生以外緊急制動(dòng)。而當(dāng)孔徑不斷增大時(shí)，緊急制動(dòng)也將不能發(fā)生，仿真計(jì)算發(fā)現(xiàn)，當(dāng)緊急閥III內(nèi)孔徑為2.8 mm時(shí)，先導(dǎo)閥未打開(kāi)，已經(jīng)不發(fā)生緊急制動(dòng)。

通過(guò)仿真計(jì)算發(fā)現(xiàn)，緊急閥III內(nèi)孔徑在2.3～2.7 mm范圍內(nèi)能夠保證在常用制動(dòng)時(shí)不發(fā)生緊急作用，同時(shí)緊急作用也能正常發(fā)生。緊急閥III內(nèi)孔徑的大小在影響制動(dòng)波速的同時(shí)，也將直接影響緊急制動(dòng)停車時(shí)間和制動(dòng)距離，以100輛編組，初速度70 km/h列車為例，在緊急制動(dòng)時(shí)，制動(dòng)時(shí)間及制動(dòng)距離見(jiàn)表2。緊急閥III孔徑在有效緊急制動(dòng)作用發(fā)生范圍內(nèi)發(fā)生緊急制動(dòng)，該孔徑越大，制動(dòng)波速越慢，停車時(shí)間越長(zhǎng)。在該孔以原孔徑為基準(zhǔn)增加到2.65 mm時(shí)，制動(dòng)距離約增加15.01 m，延長(zhǎng)了約3.0%。

表2 緊急閥III孔徑對(duì)緊急制動(dòng)時(shí)間及制動(dòng)距離的影響Table 2 The effect of emergency valve III hole on the time of emergency braking and the stop distance

2.2 局減閥孔徑大小對(duì)常用制動(dòng)的影響

局部減壓的作用是在常用制動(dòng)時(shí)，加速列車管局部減壓作用，目的是加速常用制動(dòng)作用傳遞速度。局減閥開(kāi)放后，位于局減閥套中部沿圓周均布的8個(gè)孔與滑閥座相通，第2階段局部減壓開(kāi)始，列車制動(dòng)管壓力空氣經(jīng)過(guò)局減閥套上的8個(gè)徑向小孔充入制動(dòng)缸。

局減閥套上的8個(gè)徑向小孔的內(nèi)孔徑的標(biāo)準(zhǔn)大小為1 mm，將小孔改為0.5 mm及1.5 mm后進(jìn)行減壓100 kPa的仿真實(shí)驗(yàn)。

圖4 局減閥孔對(duì)列車管壓力的影響Fig.4 The effect of the local reduction valve hole on the train pipe pressure

圖4是局減閥孔徑為0.5 mm及1.5 mm時(shí)的列車管減壓曲線，隨著孔徑的增大，首、中、末車列車管減壓速度隨之加快，尤其以中車和末車最為明顯。中車減壓到520 kPa時(shí)，孔徑為0.5 mm時(shí)耗時(shí)33 s，而孔徑為1.5 mm時(shí)耗時(shí)28 s，耗時(shí)減少5 s，減少了15.2%;末車減壓到520 kPa時(shí)，孔徑為0.5 mm 時(shí)耗時(shí)35 s，而孔徑為1.5 mm 時(shí)耗時(shí)30 s，耗時(shí)減少5 s，減少了14.3%。

圖5 局減閥孔對(duì)制動(dòng)缸壓力的影響Fig.5 The effect of the local reduction valve hole on the brake cylinder pressure

圖5是兩種局減孔時(shí)的制動(dòng)缸壓力曲線，從曲線可知局減孔孔徑對(duì)制動(dòng)缸壓力影響非常明顯，其影響主要有兩點(diǎn)，其一是制動(dòng)缸開(kāi)始充氣時(shí)間，隨局減孔的增加而提前;其二是制動(dòng)缸壓力上升速度，隨著局減孔的增加而增大。以0.5 mm孔徑為基準(zhǔn)，1.5 mm孔徑時(shí)末車制動(dòng)缸開(kāi)始動(dòng)作時(shí)間縮短4 s，縮短了36.4%，末車制動(dòng)缸達(dá)到平衡壓力的時(shí)間縮短11 s，縮短了19.3%。

圖6 局減閥孔徑對(duì)制動(dòng)波速的影響Fig.6 The effect of the local reduction valve hole on the braking propagation speed

局減主要影響常用制動(dòng)特性，因此觀察常用制動(dòng)時(shí)制動(dòng)波速的變化非常必要。圖6是局減閥孔徑對(duì)制動(dòng)波速的影響。

圖6為列車管減壓100 kPa時(shí)，制動(dòng)波速隨局減閥內(nèi)孔徑變化的曲線。由圖可知，局減閥套上的8個(gè)徑向小孔內(nèi)孔徑越大，常用制動(dòng)波速越快。該孔徑從0.5 mm增加到1.5 mm常用制動(dòng)波速約增加 112.4 m/s，增大了 77.4%。

2.3 加緩風(fēng)缸向列車管充氣孔的大小對(duì)緩解的影響

在列車管減壓制動(dòng)之后進(jìn)入緩解過(guò)程時(shí)，120閥主活塞下移到緩解位，此時(shí)車輛制動(dòng)缸開(kāi)始緩解。準(zhǔn)備排入大氣的制動(dòng)缸壓力空氣，先作為壓力信號(hào)被引到加速緩解膜板處，使加速緩解閥產(chǎn)生動(dòng)作，從而加緩風(fēng)缸向列車管充氣孔與列車管形成通路，使本車加速緩解風(fēng)缸的壓力空氣，通過(guò)加緩風(fēng)缸向列車管充氣孔充入列車管。列車管除了有來(lái)自機(jī)車供風(fēng)系統(tǒng)的壓力空氣之外，還有來(lái)自本車加速緩解風(fēng)缸的壓力空氣充入，從而起到了加速緩解的作用。

加緩風(fēng)缸向列車管充氣孔的標(biāo)準(zhǔn)大小為1.0 mm，在改變?cè)摽讖酱笮〉那闆r下進(jìn)行減壓100 kPa之后進(jìn)行緩解的仿真實(shí)驗(yàn)。

2.3.1 列車管壓力

改變加緩風(fēng)缸向列車管充氣孔大小后的首、中、末車列車管壓力曲線見(jiàn)圖7。由圖可知，增大加緩風(fēng)缸向列車管充氣孔的大小在緩解過(guò)程中使末車的列車管增壓曲線的尖峰提前發(fā)生，并且尖峰值明顯加大，說(shuō)明加速緩解風(fēng)缸向列車管補(bǔ)風(fēng)能力隨著孔徑增加而加強(qiáng)，孔徑為1.5 mm時(shí)比0.5 mm時(shí)的發(fā)生時(shí)間提前了6.5 s。

圖7 加緩風(fēng)缸向列車管充氣孔對(duì)列車管壓力的影響Fig.7 The effect of acceleration release cylinder to the train pipe＇hole on train pipe pressure

圖8 加緩風(fēng)缸向列車管充氣孔對(duì)制動(dòng)缸壓力的影響Fig.8 The effect of the acceleration release cylinder to the train pipe＇hole on the brake cylinder pressure

2.3.2 制動(dòng)缸壓力及緩解波速

由圖8可知，增大加緩風(fēng)缸向列車管充氣孔的大小，制動(dòng)缸壓力開(kāi)始下降的時(shí)間有所提前，以圖中孔徑為0.5 mm和1.5 mm為例，孔徑為1.5 mm時(shí)，比孔徑為0.5 mm時(shí)，末車的制動(dòng)缸壓力開(kāi)始下降的時(shí)間提前了5 s。制動(dòng)缸壓力開(kāi)始下降的時(shí)間提前意味著緩解波速有所提高。

從120閥的結(jié)構(gòu)及原理上分析，當(dāng)作用部處于充氣緩解位時(shí)，加緩風(fēng)缸向列車管充氣孔越大，緩解波速越快。在減壓100 kPa之后進(jìn)行緩解，加緩風(fēng)缸向列車管充氣孔對(duì)緩解波速的影響見(jiàn)表3。

表3 加緩風(fēng)缸向列車管充氣孔對(duì)緩解波速的影響Table 3 The effect of the acceleration release cylinder to the train pipe＇hole on the release propagation speed

由表3可見(jiàn)，隨著加緩風(fēng)缸向列車管充氣孔由0.5mm 增大到1.5mm，緩解波速隨之增大74.8m/s，增大了 53.1%。

2.3.3 小減壓量制動(dòng)后的緩解波速

研究和試驗(yàn)表明，在緩解波速較慢時(shí)，往往會(huì)發(fā)生列車的最大縱向力，這主要是由于緩解波速較慢產(chǎn)生的縱向沖動(dòng)引起的。因此，提高緩解波速可以減小列車的縱向力。通過(guò)上面分析可知，增大加緩風(fēng)缸向列車管充氣孔的大小，可以提高緩解波速。由于在小減壓量制動(dòng)后，機(jī)車供風(fēng)系統(tǒng)與列車管的空氣勢(shì)能差較小，從而導(dǎo)致在小減壓量時(shí)的緩解波速較慢，現(xiàn)以減壓50 kPa為例來(lái)研究加速緩解風(fēng)缸向列車管充氣孔孔徑的大小對(duì)小減壓量緩解波速的影響。

表4 加緩風(fēng)缸向列車管充氣孔對(duì)緩解波速的影響Table 4 The effect of the acceleration release cylinder to the train pipe＇hole on the release propagation speed

由表4可知，增大該孔徑為1.5 mm時(shí)，緩解波速增大 7.6 m/s，增大了 8.99%;該孔徑增大到 2.0 mm 時(shí)，緩解波速增大 17.8 m/s，增大了21.1%。但是該孔徑繼續(xù)增大，緩解波速有減小的趨勢(shì)，因此通過(guò)改變加緩風(fēng)缸向列車管充氣孔孔徑的大小并不能完全解決小減壓量緩解波速較慢的問(wèn)題。

3 結(jié)論

(1)緊急閥III孔徑在2.3～2.7 mm范圍內(nèi)能夠保證常用制動(dòng)時(shí)不發(fā)生緊急作用，同時(shí)緊急作用能正常發(fā)生。當(dāng)該孔徑從 2.35 mm增加到2.65 mm時(shí)，列車管開(kāi)始排氣的時(shí)間滯后 1.1 s，制動(dòng)缸開(kāi)始升壓時(shí)間滯后2 s，制動(dòng)波速減小39 m/s，減小了13.8%，緊急制動(dòng)時(shí)的制動(dòng)距離也隨之增長(zhǎng)了 16.44 m。

(2)局減閥內(nèi)孔徑越大，其列車管減壓速度越快，制動(dòng)缸開(kāi)始充氣時(shí)間提前，制動(dòng)缸壓力上升速度增大，以該孔徑為 0.5 mm為基準(zhǔn)，孔徑為1.5 mm時(shí)，末車列車管壓力降到520 kPa的時(shí)間提前14.3%，制動(dòng)缸開(kāi)始動(dòng)作時(shí)間縮短5 s，并且該孔徑越大，制動(dòng)波速越快。

(3)隨著加緩風(fēng)缸向列車管充氣孔的增大，加速緩解風(fēng)缸向列車管補(bǔ)風(fēng)能力加強(qiáng)，制動(dòng)缸壓力開(kāi)始下降的時(shí)間有所提前，緩波速提高。在減壓50 kPa后緩解時(shí)，該孔徑由1.0 mm增大到2.0 mm，緩解波速由 84.5 m/s增大到 102.3 m/s，增大了21.1%，但是不能完全解決小減壓量緩解波速較慢的問(wèn)題。

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