列車管小減壓量制動(dòng)后120閥緩解波速的提高方法
——120閥加速緩解作用的改進(jìn)

韓 晟，曹宏哲

（北京南車時(shí)代機(jī)車車輛機(jī)械有限公司，北京102249）

列車管小減壓量制動(dòng)后120閥緩解波速的提高方法
——120閥加速緩解作用的改進(jìn)

韓 晟，曹宏哲

（北京南車時(shí)代機(jī)車車輛機(jī)械有限公司，北京102249）

介紹了120閥存在的列車管小減壓量制動(dòng)以后緩解波速低的問題；對(duì)120閥加速緩解作用的控制方式提出了改進(jìn)方案，并進(jìn)行了驗(yàn)證；對(duì)加速緩解風(fēng)缸容積的增加進(jìn)行了分析；提出了列車管小減壓量制動(dòng)后提高120閥緩解波速的建議。

120閥；加速緩解；改進(jìn)；建議

近年來，中國(guó)鐵路重載貨運(yùn)技術(shù)得到了快速發(fā)展，提速貨車技術(shù)得到了全面推廣應(yīng)用。目前，中國(guó)80%以上貨車具備了120 km/h技術(shù)基礎(chǔ)，新造貨車實(shí)現(xiàn)了載重由60 t級(jí)向70 t級(jí)全面升級(jí)換代，大秦線80 t級(jí)運(yùn)煤專用貨車2萬t重載列車的順利開行，實(shí)現(xiàn)了重載運(yùn)輸?shù)男驴缭健?/p>

車輛動(dòng)力學(xué)理論證明，空氣制動(dòng)時(shí)車輛之間的壓縮反應(yīng)力大致與列車編組輛數(shù)的平方成正比。圖1是編組40，60，80輛的貨物列車，在40 km/h緊急制動(dòng)過程中出現(xiàn)的最大車鉤壓力和拉力沿車長(zhǎng)的分布。由圖1可見，編組60輛最大車鉤力是40輛的兩倍。編組80輛最大車鉤力是40輛的4倍，重載列車編組數(shù)將達(dá)到100輛以上，大秦線2萬t重載列車編組輛數(shù)是210輛，重載列車運(yùn)行中的縱向力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于普通列車。

研究和試驗(yàn)表明，最大的縱向力往往發(fā)生在空氣制動(dòng)機(jī)制動(dòng)及緩解工況，特別是低速緩解和緊急制動(dòng)時(shí)，因此，提高制動(dòng)波速和緩解波速可以減小列車的縱向力，減少制動(dòng)、緩解過程中產(chǎn)生的縱向沖動(dòng)。

120型貨車空氣控制閥（簡(jiǎn)稱120閥）是我國(guó)主型貨車空氣控制閥，但120閥存在列車管小減壓量制動(dòng)以后緩解波速低的問題。

1 120閥緩解波速低的問題

緩解波速不小于150 m/s是120閥的設(shè)計(jì)目標(biāo)之一，為此120閥采用了加速緩解閥和加速緩解風(fēng)缸的結(jié)構(gòu)形式。當(dāng)120閥主活塞動(dòng)作下移到緩解位、本車制動(dòng)缸緩解時(shí)，讓準(zhǔn)備排入大氣的制動(dòng)缸壓力空氣做為壓力信號(hào)先引到加速緩解膜板處、使加速緩解閥產(chǎn)生動(dòng)作，讓本車加速緩解風(fēng)缸的壓力空氣通過加速緩解閥中被頂開的夾心閥充入列車管。這樣，列車管除了有來自機(jī)車供風(fēng)系統(tǒng)的壓力空氣充入以外，還有來自本車加速緩解風(fēng)缸的壓力空氣充入，這就是列車管的“局部增壓”作用，又稱“加速緩解”作用，如圖2所示。由于列車中前后列車管的壓力梯度增大，使列車管增壓作用沿列車由前向后的傳播速度加快，這就大大提高了緩解波速。

圖1 不同編組輛數(shù)的貨物列車緊急制動(dòng)時(shí)最大車鉤力沿列車長(zhǎng)的分布

120閥專列試驗(yàn)結(jié)果表明，120輛120閥編組時(shí)緩解波速為180～200 m/s（按AAR方法計(jì)算），滿足了設(shè)計(jì)要求。但120閥在列車管小減壓量制動(dòng)以后緩解時(shí)，由于制動(dòng)缸壓力低，所以有可能推不動(dòng)加速緩解活塞，這樣就沒有加速緩解作用，會(huì)影響緩解波速，在編組輛數(shù)為100和120輛時(shí)比較明顯。一般在列車管減壓量不小于70 kPa時(shí)，就不會(huì)有這種影響了。表1是不同列車管定壓、不同機(jī)車制動(dòng)機(jī)、不同直徑制動(dòng)缸、不同編組輛數(shù)時(shí)120專列試驗(yàn)緩解波速統(tǒng)計(jì)。

圖2 加速緩解作用原理圖

我國(guó)鐵路電力機(jī)車的DK－1型機(jī)車電空制動(dòng)機(jī)的最小常用制動(dòng)列車管減壓量為40～50 k Pa，內(nèi)燃機(jī)車的JZ－7型空氣制動(dòng)機(jī)最小常用制動(dòng)列車管減壓量為45～55 k Pa（列車管定壓為600 k Pa時(shí)，＋5 k Pa），新型和諧號(hào)機(jī)車采用的CCB2型制動(dòng)機(jī)的最小常用制動(dòng)列車管減壓量為40～50 k Pa。牽引機(jī)車制動(dòng)機(jī)的最小常用制動(dòng)列車管減壓量為50 k Pa左右，無法滿足120閥列車管減壓量不小于70 k Pa的要求。而且，由于管路阻力等因素的影響列車中前后列車管的壓力存在梯度，即使機(jī)車制動(dòng)機(jī)減壓70 k Pa，列車尾部列車管減壓量也達(dá)不到機(jī)車制動(dòng)機(jī)的減壓量。按照120型貨車空氣控制閥試驗(yàn)臺(tái)上試驗(yàn)方法的要求，120閥加速緩解作用是在列車管減壓量為70 k Pa時(shí)進(jìn)行，要求列車管壓力上升10 k Pa以上。沒有對(duì)列車管小減壓量制動(dòng)以后的加速緩解作用進(jìn)行試驗(yàn)。

因此，有必要對(duì)120閥存在列車管小減壓量制動(dòng)以后緩解波速低的問題進(jìn)行分析，解決其對(duì)緩解波速的影響。

表1 120閥專列試驗(yàn)緩解波速統(tǒng)計(jì)

2 120閥加速緩解作用控制方式的改變

（1）現(xiàn)有加速緩解作用控制方式分析

如前所述，加速緩解作用的控制方式是讓準(zhǔn)備排入大氣的制動(dòng)缸壓力空氣做為壓力信號(hào)先引到加速緩解膜板處，使加速緩解閥產(chǎn)生動(dòng)作。

加速緩解閥膜板的有效面積約為1 395 mm2，加速緩解閥彈簧的裝配壓力為11.85 N時(shí)，加速緩解膜板右側(cè)壓力大于8.5 k Pa（沒有考慮橡膠膜板的變形阻力）就可以打開加速緩解閥，使120閥產(chǎn)生加速緩解作用。

但是，閥體內(nèi)滑閥至前蓋氣路和加速緩解膜板右側(cè)的容積約67 cm3，讓準(zhǔn)備排入大氣的制動(dòng)缸壓力空氣做為壓力信號(hào)引到加速緩解膜板處，在有排氣縮堵（主閥前蓋上）的前提下要使該容積的壓力達(dá)到8.5 k Pa（沒有考慮橡膠膜板的變形阻力）以上才能打開加速緩解閥的夾心閥，如圖3所示。這種控制方式下的加速緩解閥作用相對(duì)120閥的緩解在時(shí)間上有一定的滯后，不能對(duì)來自機(jī)車供風(fēng)系統(tǒng)壓力空氣產(chǎn)生的緩解空氣波形成有效的＂局部增壓＂作用，不能提高緩解波速。

圖3 控制加速緩解閥動(dòng)作的氣路原理

（2）加速緩解作用控制方式的改進(jìn)

要解決現(xiàn)有加速緩解作用控制方式存在的問題，就需要改進(jìn)加速緩解作用控制方式：在120主閥下蓋中增加加速緩解閥結(jié)構(gòu)，用主活塞控制加速緩解作用。當(dāng)120閥主活塞動(dòng)作下移到緩解位時(shí)，使下蓋中加速緩解閥產(chǎn)生動(dòng)作，讓本車加速緩解風(fēng)缸的壓力空氣通過加速緩解閥中被頂開的夾心閥充入列車管。這樣，就使加速緩解作用和120閥的緩解在時(shí)間上基本同步，對(duì)來自機(jī)車供風(fēng)系統(tǒng)壓力空氣產(chǎn)生的緩解空氣波能夠形成有效的＂局部增壓＂作用，提高緩解波速。改進(jìn)后加速緩解作用原理如圖4所示。

圖4 改進(jìn)后加速緩解作用原理

（3）改進(jìn)后加速緩解作用控制方式的分析

120閥的緩解、制動(dòng)、保壓等作用的實(shí)現(xiàn)，是主活塞在穩(wěn)定桿、穩(wěn)定彈簧、減速?gòu)椈傻攘悴考呐浜舷拢瑤?dòng)滑閥、節(jié)制閥在主閥體內(nèi)移動(dòng)來實(shí)現(xiàn)的，如圖5所示。120閥主活塞帶動(dòng)節(jié)制閥移動(dòng)的壓差為4 k Pa，由緩解位到制動(dòng)位時(shí)主活塞帶動(dòng)滑閥移動(dòng)的壓差是－9.5～－12 k Pa，由制動(dòng)保壓位到緩解位時(shí)主活塞帶動(dòng)滑閥移動(dòng)的壓差是＋6～＋10.5 k Pa。120閥主膜板的有效面積約為7 500 mm2，對(duì)應(yīng)120閥主控機(jī)構(gòu)的移動(dòng)阻力見表2。

圖5 120閥主控機(jī)構(gòu)組成圖

表2 120閥主控機(jī)構(gòu)的移動(dòng)阻力

120閥主活塞由緩解位到制動(dòng)位時(shí)，主活塞先帶動(dòng)節(jié)制閥克服穩(wěn)定彈簧的彈力向上移動(dòng)6 mm（此時(shí)的力為30 N），產(chǎn)生第一階段局部減壓作用后列車管的壓力空氣通過節(jié)制閥、滑閥向局減室流動(dòng)，促使主活塞兩側(cè)壓力差驟增，主活塞帶動(dòng)滑閥克服摩擦阻力向上移動(dòng)10 mm至制動(dòng)位（此時(shí)的力為71～90 N）?？梢?，只要主活塞的壓差超過4 kPa就可以帶動(dòng)節(jié)制閥上移6 mm產(chǎn)生第一階段局減作用，對(duì)120閥的穩(wěn)定性來說滑閥移動(dòng)的摩擦阻力是沒有作用的。

利用滑閥移動(dòng)的摩擦阻力控制下蓋內(nèi)加速緩解閥的動(dòng)作?；y向下移動(dòng)、距緩解2 mm時(shí)夾心閥開始打開，滑閥向下移動(dòng)至緩解充氣位時(shí)夾心閥打開2 mm（此時(shí)彈簧彈力為5～9 N），滑閥向下移動(dòng)至減速充氣位時(shí)夾心閥打開6 mm。

120閥主活塞由制動(dòng)保壓位到緩解位時(shí)，主活塞帶動(dòng)節(jié)制閥、滑閥向下移動(dòng)的阻力是45～78 N。主活塞移動(dòng)至緩解位時(shí)打開主閥下蓋中新增的加速緩解閥夾心閥，主活塞移動(dòng)至制動(dòng)位時(shí)關(guān)閉夾心閥。

圖6是滑閥向下移動(dòng)、距緩解位2 mm時(shí)滑閥與滑閥座的排氣通路打開情況，通路面積約10 mm2（相當(dāng)于φ3.6 mm孔），而14英寸120閥制動(dòng)缸排氣限制孔為φ3.6 mm、10英寸120閥制動(dòng)缸排氣限制孔為φ2.9 mm?；y向下移動(dòng)、距緩解位2 mm打開下蓋內(nèi)的加速緩解閥時(shí)，原有控制方式不能產(chǎn)生加速緩解作用。

圖6 滑閥、滑閥座排氣通路示意圖

改進(jìn)后加速緩解動(dòng)作由主活塞控制，即主閥下蓋內(nèi)新增的加速緩解閥由主活塞帶動(dòng)滑閥、穩(wěn)定桿控制。原主閥前蓋部的加速緩解閥由緊急二段閥處制動(dòng)缸壓力控制。改進(jìn)后加速緩解作用動(dòng)作順序分析見表3。

表3 改進(jìn)后加速緩解作用動(dòng)作順序分析表

3 增加加速緩解風(fēng)缸容積的分析

120閥加速緩解作用對(duì)列車管的“局部增壓”作用，不但要考慮時(shí)間上的同步性，還要考慮“局部增壓作用”的增壓量。在120閥研制過程時(shí)曾對(duì)加速緩解風(fēng)缸的容積進(jìn)行了反復(fù)試驗(yàn)，加速緩解風(fēng)缸只需11～15 dm3即可達(dá)到令人滿意的效果，最終確定加速緩解風(fēng)缸為11 dm3。120閥存在列車管小減壓量制動(dòng)以后緩解波速低的問題，和加速緩解風(fēng)缸的容積有密切關(guān)系。

120閥加速緩解作用對(duì)列車管的“局部增壓”作用，實(shí)際是高壓力的加速緩解風(fēng)缸和低壓力的列車管進(jìn)行壓力平衡，使列車管的壓力增加。因列車管增壓的峰值不好計(jì)算，暫按平衡壓力進(jìn)行分析。按照120閥在705試驗(yàn)臺(tái)上的試驗(yàn)方法：120閥減壓40 k Pa，壓力穩(wěn)定后手把置2位，從手把移置2位起到主閥的制動(dòng)缸排氣口開始排氣時(shí)間不得超過15 s。705試驗(yàn)臺(tái)2位的增壓速度是2 k Pa/s。

按照主閥13 s緩解考慮，增壓前的列車管壓力為

式中Pl0為列車管定壓；r為列車管減壓量。

不考慮溫度等因素的影響，假定列車管容積為15.5 dm3，按等溫過程氣體狀態(tài)方程，有以下平衡關(guān)系：

式中Pl2為增壓后列車管壓力；Pj0為加速緩解風(fēng)缸初始?jí)毫?；Vj為加速緩解風(fēng)缸容積。

按照式（1）、式（2）可以對(duì)列車管的增壓量進(jìn)行計(jì)算。表4是不同列車管減壓量、不同加速緩解風(fēng)缸容積時(shí)局部增壓作用的統(tǒng)計(jì)。

從計(jì)算結(jié)果中可以看出，減壓量越大，增壓量越大。

列車管減壓量為40 k Pa時(shí)，加速緩解風(fēng)缸的容積由11 dm3增加到15 dm3，增壓量由5.81 k Pa增加到6.89 k Pa。增壓量增加約1 k Pa，這相當(dāng)于705試驗(yàn)臺(tái)2位0.5 s的充氣量，即列車管增壓作用使后一車輛120閥緩解時(shí)間加快0.5 s。

因此，建議將加速緩解風(fēng)缸的容積由11 dm3增加到15 dm3，解決120閥存在列車管小減壓量制動(dòng)以后緩解波速低的問題。

4 改進(jìn)后控制方式的驗(yàn)證

（1）新增緩解閥對(duì)120閥制動(dòng)、緩解動(dòng)作沒有影響

為驗(yàn)證新增緩解閥頂桿對(duì)120閥制動(dòng)、緩解動(dòng)作是否有影響，在120閥主活塞桿上增加了行程測(cè)量桿、行程測(cè)量桿座和O形圈等，能夠?qū)崟r(shí)顯示主活塞桿的行程，如圖7所示。

表4 加速緩解風(fēng)缸容積對(duì)列車管局部增壓作用分析表

在120閥試驗(yàn)臺(tái)上對(duì)改進(jìn)前后120閥在列車管小減壓量制動(dòng)、緩解時(shí)主活塞的動(dòng)作進(jìn)行記錄，如圖8所示。

圖7 行程測(cè)量結(jié)構(gòu)圖

圖8 主活塞動(dòng)作的照片

經(jīng)對(duì)改進(jìn)前后照片的對(duì)比分析，新增緩解閥頂桿對(duì)120閥制動(dòng)、緩解動(dòng)作沒有影響。

（2）改進(jìn)后120閥的性能符合在120閥試驗(yàn)臺(tái)上的要求

改進(jìn)后的120閥在120閥試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行全項(xiàng)連續(xù)性能試驗(yàn)，如圖9所示。除主閥排氣口泄漏試驗(yàn)外，其余結(jié)果全部合格，與改進(jìn)前的試驗(yàn)結(jié)果一致。

5 建 議

用120閥主活塞控制加速緩解作用，使加速緩解作用和120閥的緩解在時(shí)間上基本同步，對(duì)來自機(jī)車供風(fēng)系統(tǒng)壓力空氣產(chǎn)生的緩解空氣波能夠形成有效的“局部增壓”作用，提高120閥在列車管小減壓量制動(dòng)以后的緩解波速。

圖9 改進(jìn)后120閥全項(xiàng)性能試驗(yàn)的照片

將加速緩解風(fēng)缸的容積由11 dm3增加到15 dm3，增加“局部增壓作用”的壓力來源，提高120閥在列車管小減壓量制動(dòng)以后的緩解波速。

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The Method of Improving Release Propagation for Type 120 Valve after Train Pipe Braking with Small Pressure Decrement——Modification of Accelerated Release Function of Type 120 Valve

HAN Sheng，CAO Hongzhe
（Beijing CSR Times Locomotive and Rolling Stock Mechanics Co.，Ltd.，Beijing 102249，China）

This paper mainly introduced the problem that 120 valve’s release propagation is too low at small pressure decrement，and proposes an improvement solution for control mode of 120 valve’s release function，then conducted verification.Furthermore it analyzes increased volume of accelerated release reservoir，and proposes the method of improving release propagation for Type 120 valve after train pipe braking with small pressure decrement.

120 valve；acceleration release；improvement

U270.351

A

10.3969/j.issn.1008－7842.2014.03.29

1008－7842（2014）03－0116－05

?）男，高級(jí)工程師（

2013－10－09）