160 km/h快捷貨運(yùn)列車空氣控制閥的研究*

張成國， 池　海， 閆志強(qiáng)， 林　暉, 劉庸奇

(1　中國鐵道科學(xué)研究院　機(jī)車車輛研究所， 北京 100081；2　北京縱橫機(jī)電技術(shù)開發(fā)公司， 北京 100094)

隨著貨運(yùn)市場結(jié)構(gòu)的變化，開行快捷貨運(yùn)列車是世界鐵路運(yùn)輸?shù)陌l(fā)展潮流，在我國有著更迫切的市場需求。2000年我國啟動了對160 km/h速度等級快捷貨運(yùn)列車(以下簡稱快捷貨運(yùn)列車)技術(shù)的研究。其中，制動系統(tǒng)是影響快捷貨運(yùn)列車運(yùn)行安全的關(guān)鍵技術(shù)之一，《鐵路技術(shù)管理規(guī)程》[1]規(guī)定，160 km/h速度的快捷貨運(yùn)列車緊急制動限距為1 400 m?？旖葚涍\(yùn)列車制動系統(tǒng)配置有ECP電空制動、空氣制動(圖1)等方案，在這些方案中空氣控制閥的選擇是制動系統(tǒng)配置的核心問題之一。

圖1　160 km/h快捷貨運(yùn)列車空氣制動系統(tǒng)配置圖

目前我國鐵路貨車制動主型空氣控制閥120/120-1閥為二壓力直接作用閥，難以與防滑器配套使用，不滿足快捷貨運(yùn)列車二壓力間接作用控制閥的技術(shù)要求；再者120/120-1閥是為長大重載列車設(shè)計，制動性能也不滿足快捷貨運(yùn)列車制動要求。

快捷貨運(yùn)貨車的運(yùn)行速度、編組輛數(shù)與客車相近，客車104分配閥，系二壓力間接作用式，快捷貨運(yùn)列車裝用104閥也是一個方案，但問題在于：難以適配隨重調(diào)整閥來最終控制制動缸壓力；沒有半自動緩解功能，調(diào)車、檢修不便；沒有加速緩解功能。鐵路貨運(yùn)快捷化的發(fā)展形勢，迫切需要一種可滿足快捷貨運(yùn)列車制動要求的空氣控制閥。

1　空氣控制閥功能要求

按照《160 km/h快捷貨車總體技術(shù)條件》及編制說明[2]，為適應(yīng)快捷貨物列車運(yùn)用要求，空氣控制閥應(yīng)滿足以下性能要求：

(1)控制閥在定壓600 kPa和500 kPa時均能正常工作。

(2)制動初速度160 km/h，緊急制動距離≤1 400 m。

(3)制動機(jī)性能與既有機(jī)車、客車和貨車相匹配，并既能適應(yīng)機(jī)車制動機(jī)無壓力保持操縱又能適應(yīng)機(jī)車制動機(jī)有壓力保持操縱的要求。

(4)采用二壓力間接作用式自動空氣制動系統(tǒng)。

(5)應(yīng)具有充氣緩解、常用制動、保壓、緊急制動等作用。

(6)應(yīng)具有半自動緩解功能。

(7)為適應(yīng)短編組(20輛左右)和混編需要，制動缸充、排氣時間范圍為：制動缸上升5～7 s，制動缸緩解7～9 s。

(8)使用環(huán)境溫度：-40℃～+40℃。

2　設(shè)計方案

鑒于我國鐵路貨運(yùn)的實(shí)際情況，本著簡統(tǒng)化、互換性、運(yùn)用檢修方便等原則，空氣控制閥的設(shè)計選型有以下方案[3]并正在實(shí)施：

(1)在120/120-1閥的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)；

(2)研制基于柱塞止閥結(jié)構(gòu)的新型控制閥。

其中，120/120-1閥的主控機(jī)構(gòu)采用金屬滑閥結(jié)構(gòu)，柱塞閥采用柱塞止閥結(jié)構(gòu)。這兩種閥其特點(diǎn)在于：金屬滑閥結(jié)構(gòu)運(yùn)用聯(lián)鎖性好，但需研磨，立式布局對于潤滑油存掛不利；柱塞止閥結(jié)構(gòu)無需研磨，但氣密聯(lián)鎖性對加工精度要求高，對振動和沖擊的影響是否更敏感需進(jìn)一步研究。

文中重點(diǎn)闡述基于滑閥結(jié)構(gòu)研制改進(jìn)的160 km/h快捷貨運(yùn)列車空氣控制閥(簡稱160閥)。根據(jù)快捷貨運(yùn)列車控制閥的功能要求、結(jié)合既有120閥的成熟結(jié)構(gòu)進(jìn)行模塊化設(shè)計，按功能設(shè)充氣部、作用部、局減部、加速緩解部、減速部、緊急部、緩解部7個模塊。將作用部、局減部、加速緩解部、減速部仍集成在主閥中，緊急部和緩解部沿用120閥的緊急閥和半自動緩解閥。對充氣部設(shè)置獨(dú)立模塊，通過集成安裝板座與主閥連通，在工作風(fēng)缸壓力控制下可使列車管向副風(fēng)缸單向充氣。結(jié)合隨重調(diào)整閥配套使用，實(shí)現(xiàn)了二壓力間接作用，可與各型制動缸、防滑器配套使用。將加緩風(fēng)缸改為工作風(fēng)缸，加速緩解作用的空氣由副風(fēng)缸提供，副風(fēng)缸兼為制動缸供風(fēng)。

圖2　160閥及風(fēng)缸組件連接結(jié)構(gòu)示意圖

160閥含主閥、半自動緩解閥、緊急閥、充氣閥以及連接這些閥和風(fēng)缸組件的集成安裝板座等，半自動緩解閥安裝在主閥的側(cè)面；充氣閥、主閥、緊急閥安裝在集成安裝板座上，連接結(jié)構(gòu)示意圖見圖2所示。

3　結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)簡介

(1)主閥

主閥主控部分(作用部)采用金屬滑閥結(jié)構(gòu)。主閥體借用120閥的主閥體，但對滑閥套、滑閥氣路進(jìn)行重新設(shè)計。160閥主控機(jī)構(gòu)由列車管和工作風(fēng)缸的壓力空氣來控制，通過主活塞上方列車管壓力的變化與下方的工作風(fēng)缸壓力在主活塞膜板兩側(cè)產(chǎn)生壓差，由壓緊在滑閥座上的滑閥在主活塞帶動下上下移動，控制各氣路的開放、關(guān)閉和連通，形成充氣、緩解、制動、保壓等作用位。

局減作用能提高列車的制動波速，減少制動空走時間，并或可為制動系統(tǒng)在列車管小減壓量制動時獲得躍升的初壓力。120閥一局減是將部分列車管空氣排入具有一定容積的局減室，再排向大氣；二局減是將部分列車管壓力空氣經(jīng)局減閥通路引入制動缸[4]。在160閥中對局減重新設(shè)計，二局減將列車管空氣引向的是容積室而不是制動缸，容積室(3.85 dm3)容積較制動缸(10.5 dm3)小的多，因此在一局減時適當(dāng)加快了局減室向大氣的排風(fēng)速度，并且適當(dāng)提高了二局減的關(guān)閉壓力。制動時，工作風(fēng)缸壓力空氣經(jīng)主閥體內(nèi)氣道和滑閥、滑閥座氣道也充入容積室。制動缸的最終壓力由隨重閥根據(jù)容積室壓力按車輛載重情況調(diào)整輸出。

為適應(yīng)長大重載列車編組，120閥緊急制動時制動缸壓力分兩段上升；但160 km/h快捷貨運(yùn)列車采用20輛左右的短編組，且緊急制動距離限值1 400 m要求較高，若制動缸壓力也采用兩段上升，難以滿足緊急制動限距要求。因此， 160閥對容積室的升壓速度進(jìn)行調(diào)整，緊急制動時容積室壓力一次上升，由0升至400 kPa時間達(dá)到了3～5 s。制動缸壓力由隨重調(diào)整閥根據(jù)容積室壓力按車輛載重調(diào)整輸出雖有遲滯，但相差不大(單車測試≤0.2 s)。

加速緩解作用能提高列車的緩解波速，減輕列車緩解時的縱向沖動。120閥中副風(fēng)缸既參與主控機(jī)構(gòu)的動作平衡，還為制動缸供風(fēng)。但在160閥中，副風(fēng)缸只作為制動缸的風(fēng)源使用；通過在滑閥和滑閥座上設(shè)計的氣路，副風(fēng)缸也兼為加速緩解作用供風(fēng)。緩解時，由排向大氣的容積室壓力空氣在限流作用下控制加速緩解閥打開副風(fēng)缸與列車管的通路，副風(fēng)缸壓力如高于列車管壓力，則由副風(fēng)缸經(jīng)集成安裝板座的通路、主閥滑閥座及滑閥通路向列車管補(bǔ)風(fēng)施行局部增壓，加速列車管的升壓，提高緩解波速。

在滑閥上設(shè)計了能使列車管與工作風(fēng)缸溝通的氣道，可使列車管與工作風(fēng)缸及其相應(yīng)管系在輕微漏泄時，通過空氣的逆流來實(shí)現(xiàn)活塞上下的壓力平衡，能適應(yīng)機(jī)車制動機(jī)無壓力保持操縱又能適應(yīng)機(jī)車制動機(jī)有壓力保持操縱的要求。

(2)充氣閥

160閥主閥內(nèi)未設(shè)置列車管向副風(fēng)缸的充氣通路，而是將之移出了主閥，設(shè)置了獨(dú)立的充氣閥。充氣閥設(shè)充氣部和止回部(分別對應(yīng)圖3左部和右部)，充氣部可在工作風(fēng)缸和副風(fēng)缸壓差控制下決定充氣通路的開啟和關(guān)閉；止回部可確保列車管向副風(fēng)缸單向充風(fēng)而不發(fā)生逆流。工作風(fēng)缸的充氣速度受主閥作用部控制，依靠列車管和工作風(fēng)缸的壓差控制使列車管向副風(fēng)缸單向充風(fēng)，即協(xié)調(diào)副風(fēng)缸與主閥作用部控制的工作風(fēng)缸充氣速度的一致性。

圖3　充氣閥結(jié)構(gòu)

(3)安裝板座及容積腔室

安裝座既是承載控制閥的基座，也是控制閥與車輛連接的過渡部分。120閥采用了鑄鐵中間體安裝座，容積腔室內(nèi)置，優(yōu)點(diǎn)是經(jīng)濟(jì)而結(jié)構(gòu)緊湊，缺點(diǎn)在于不利于安裝接口擴(kuò)展。160閥采用了板式安裝座，將容積室、緊急室和局減室組成容積組合風(fēng)缸外置。板式安裝的優(yōu)點(diǎn)是便于各種安裝接口的擴(kuò)展，有利于模塊化設(shè)計；但缺點(diǎn)是成本相對較高。

為盡量不改變現(xiàn)有貨車制動機(jī)的生產(chǎn)、檢修及運(yùn)用習(xí)慣，在實(shí)現(xiàn)快捷貨物列車控制閥所需功能的前提下，160閥在結(jié)構(gòu)上與現(xiàn)有120閥的零部件盡可能通用，緊急部和緩解部則整體沿用120閥的緊急閥和半自動緩解閥。調(diào)車和檢修作業(yè)等需排放本車容積室和制動缸的壓力空氣、或排空車輛整個制動系統(tǒng)的時候，配置半自動緩解閥為此提供了便利。

4　性能驗證

為驗證研制的160閥功能是否達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，分別進(jìn)行了試驗臺試驗、室內(nèi)單車試驗、環(huán)境試驗、沖擊振動試驗。

(1)試驗臺性能測試

160閥主閥(含緩解閥)、充氣閥單獨(dú)進(jìn)行試驗臺性能測試。主閥的測試需對120閥試驗臺進(jìn)行改造：將制動缸改造成容積室，將副風(fēng)缸改造成工作風(fēng)缸；改造后的試驗臺需在機(jī)能檢查合格后方可使用。充氣閥通過轉(zhuǎn)換座可在120閥試驗臺上測試。160閥主閥的試驗臺性能測試見表1。

表1　160閥主閥試驗臺性能檢測

[a]試驗標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)《160 km/h快捷貨車總體技術(shù)條件》并參照《120閥試驗臺試驗方法》制定。

(2)室內(nèi)單車試驗

單車試驗測試按TB/T 1492—2002 《鐵道車輛制動機(jī)單車試驗方法》[5]進(jìn)行。單車試驗時將控制閥主閥、充氣閥、緊急閥、隨重調(diào)整閥等集成安裝在板座上，并連接好各風(fēng)缸及管路組件。

從試驗臺(表1)和單車試驗(表2)結(jié)果看，160閥制動、緩解等性能參數(shù)滿足《160 km/h快捷貨車總體技術(shù)條件》提出的要求：與隨重調(diào)整閥配合使用形成二壓力間接作用式，制動缸上升5～7s、制動缸緩解7～9 s，具有半自動緩解功能，適應(yīng)機(jī)車制動機(jī)無壓力保持操縱又能適應(yīng)機(jī)車制動機(jī)有壓力保持操縱的要求。

表2　120閥和160閥制動、緩解時間及快運(yùn)控制閥要求[a]s

[a]：重車工況進(jìn)行單車試驗檢測制動缸壓力，120閥列車管定壓500 kPa， 160閥列車管定壓600 kPa。

160閥緊急制動升壓3～5 s，較快的制動升壓速度能減小制動空走時間，有利于縮短制動距離，按客車104閥的經(jīng)驗似能滿足160 km/h快捷貨車緊急制動限距要求，但尚需進(jìn)一步列車編組試驗的檢驗。

(3)環(huán)境試驗

《160 km/h快捷貨車總體技術(shù)條件》要求在-40℃～50℃環(huán)境溫度下能正常工作。對160閥通過第3方進(jìn)行了環(huán)境試驗驗證，試驗工況如表3所示。為探索160閥功能正常的低溫下限，低溫試驗采用了更嚴(yán)苛的-50℃～-48℃。

表3　環(huán)境試驗溫度及保溫時間

試驗結(jié)果顯示，在常溫、低溫、高溫環(huán)境下160閥作用正常，并且其不僅能滿足-40℃～+50℃使用環(huán)境溫度，甚至還能在更嚴(yán)苛的-50℃低溫環(huán)境下保持功能。

(4)沖擊和振動試驗

沖擊和振動試驗由第3方參照GB/T 21563—2008 《軌道交通 機(jī)車車輛設(shè)備 沖擊和振動試驗》[6]進(jìn)行。試驗時按1類B級車體安裝，試驗頻率：f1=5 Hz，f2=150 Hz。進(jìn)行了長壽命試驗、沖擊試驗和功能性隨機(jī)試驗。功能性隨機(jī)試驗中

160閥功能正常，未產(chǎn)生機(jī)械損壞；沖擊和振動試驗后性能復(fù)測正常。

總之，試驗結(jié)果顯示160閥制動、緩解等性能滿足快捷貨運(yùn)列車空氣控制閥的要求。160閥保留了120閥的諸多優(yōu)點(diǎn)，如適應(yīng)壓力保持操縱，盡管去掉了加速緩解風(fēng)缸但仍具有良好的加速緩解功能等；且很多零部件與120閥通用，其檢修、運(yùn)用和推廣都相對方便。

5　結(jié)　論

介紹了160閥的研發(fā)背景、總體方案、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及部分試驗結(jié)果。160閥含主閥、半自動緩解閥、緊急閥、充氣閥以及連接這些閥和風(fēng)缸組件的安裝座等，與隨重調(diào)整閥配合使用形成二壓力間接作用方式。本方案中主閥采用金屬滑閥結(jié)構(gòu)，設(shè)計了兩步局減結(jié)構(gòu)，因二局減引向的容積室容積較小，故適當(dāng)加快了一局減的排氣速度、提高了二局減的關(guān)閉壓力，將制動缸的升壓時間控制在5～7 s；設(shè)置的加速緩解功能，以容積室緩解時排出的空氣為信號、由副風(fēng)缸(兼為制動缸供風(fēng))為加速緩解作用供風(fēng)；設(shè)置獨(dú)立充氣閥使列車管向副風(fēng)缸單向充風(fēng)。160閥很多零部件與120閥通用互換，其檢修、運(yùn)用和推廣都相對方便。試驗臺試驗、單車試驗、環(huán)境及沖擊振動試驗結(jié)果表明160閥各性能參數(shù)達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，建議進(jìn)行列車試驗驗證和運(yùn)用考驗。