65t 電機車氣制動系統(tǒng)的設計與應用

徐順利

（中鐵長安重工有限公司，陜西 西安 710032）

在地鐵施工配套設備中，機車的噸位和運輸能力越來越大，因此研究重載電機車剎車性能對公司產(chǎn)品線完善和行業(yè)進步都有積極的推動作用。小噸位電機車組氣制動系統(tǒng)往往采用單氣路，剎車力小，在此基礎(chǔ)上，研究設計大噸位電機車氣制動原理，并在應用過程中找出造成制動速度慢和聲音大的因素，積累重載機車的設計和應用經(jīng)驗。

1 氣制動系統(tǒng)設計

1.1 原理設計

系統(tǒng)由空壓機提供氣源，儲氣罐儲存氣體，經(jīng)手動換向閥、電磁換向閥、梭閥、減壓閥等控制元件控制，實現(xiàn)整列車常規(guī)制動和緊急制動。系統(tǒng)氣壓0.8MPa，對于鋼輪制動過大，氣壓過大將使閘瓦和鋼輪緊緊抱死，從而靠鋼輪和鋼軌之間的滑動摩擦力來制動，制動距離遠大于閘瓦和鋼輪之間滾動摩擦力所產(chǎn)生的制動距離。通過給制動氣路配置減壓閥來降低制動氣壓，減壓閥的壓力計算和調(diào)定對整車制動性能起到很關(guān)鍵的作用。系統(tǒng)首次將梭閥和電磁換向閥配合使用，實現(xiàn)自動剎車緊急制動。正常情況下手動閥制動，制動氣體從手動換向閥直接到梭閥，經(jīng)過減壓后到鋼輪制動；機車行走時，氣體從手動換向閥到電磁換向閥常通位，再到氣缸，解除制動；當遇到機車超速或失速時，電磁換向閥自動帶電，氣體從電磁換向閥通過梭閥、減壓閥再到氣缸，啟動制動狀態(tài)，自動剎車?？倸饴贰⒅苿託饴泛途徑鈿饴贩謩e配備了氣壓傳感器。

1.2 系統(tǒng)的計算

（1）氣缸初始狀態(tài)彈簧的計算。如圖1 機構(gòu)受力圖所示，氣缸活塞桿縮回，鋼輪制動；活塞桿伸出，解除制動。

制動氣缸參數(shù)：缸徑：D=220mm；桿徑：d=50；行程

L=160mm。

彈簧初始力：7328N；彈簧終壓縮力：14391N；系統(tǒng)氣壓：p=0.6MPa。

氣缸內(nèi)部彈簧受力變化如圖2。

圖1 機構(gòu)受力圖

彈簧剛度系數(shù)：氣缸初始狀態(tài)彈簧壓縮量為：

（2）氣缸緩解狀態(tài)下力的計算

圖2 氣缸彈簧受力變化示意圖

緩解完全，彈簧終壓縮量為326mm，終壓縮力為14391N，氣缸無桿腔的氣體壓力F1和彈簧力F2反向。

空氣壓力F1＞彈簧力F2，氣壓0.6MPa 滿足緩解要求。（3）氣缸制動狀態(tài)下力和氣壓的計算

式中：μ 為中磷閘瓦與車輪摩擦系數(shù)，取0.4

氣缸有桿腔空氣壓力F1和彈簧力F2同向，氣缸伸出130mm。

根據(jù)計算，整個制動系統(tǒng)氣壓設定為0.3MPa，即減壓閥壓力為0.3MPa。制動時，當無桿腔氣壓降低到低于彈簧力，彈簧由受壓縮狀態(tài)迅速恢復將活塞桿收回，故制動速度遠遠大于緩解速度。

2 氣制動系統(tǒng)應用

將氣制動系統(tǒng)應用在65t 電機車樣機試制中，在試制過程中，發(fā)現(xiàn)制動效果不好，現(xiàn)就遇到的具體問題及解決方法敘述如下。

在樣機試驗中，氣缸伸縮過程中有以下問題：

（1）氣缸制動速度慢，嚴重影響機車和人員安全。

（2）氣缸緩解速度過慢，有爬行現(xiàn)象，活塞桿端有輕微振動。

（3）氣缸動作時聲音異響大，刺耳，影響操作者感受。

針對以上問題，分析有以下兩個原因。

（1）機械結(jié)構(gòu)問題。如上圖2，觀察當氣缸制動時，活塞桿端銷軸略微有抬起現(xiàn)象，懷疑氣缸和拉桿、閘瓦托之間動作不協(xié)調(diào)，存在卡頓現(xiàn)象，機械摩擦力增大，影響氣缸速度，異響是機械摩擦產(chǎn)生的。為了驗證這個原因，將電機車氣缸耳座處連接的銷軸全部拿掉，觀察氣缸自由工作狀態(tài)時有無異響和對速度的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)異響和速度問題依然存在，排除了機械機構(gòu)卡頓的原因。

（2）快速排氣閥問題?？炫砰y裝在氣缸和換向閥之間，使氣缸的排氣不用通過換向閥而快速排出，從而加快氣缸往復運動速度，縮短工作周期。

快排閥工作原理如圖3，快排閥有三個閥口，P、A、R，P 接氣源，A 接執(zhí)行元件（氣缸），R 接大氣。

圖3

快排閥有以下三種受力情況。

（1）若P 口氣壓高，則皮碗上移，將R 口封閉，空氣從皮碗圓周處泄露進入A 口，P 口和A 口相通。

（2）若A 口氣壓相對高，則皮碗必下移，空氣進入R口排氣，A 口和R 口相通。

（3）若P 口和A 口氣壓相等，也就是電機車的工作狀態(tài)，這種情況下受力很關(guān)鍵。皮碗上表面的受力面積，皮碗下表面受力面積，根據(jù)壓力公式,因下方受力面積大于上方受力面積，所以皮碗受到向上的力，仍然將R 口封閉住。所以在電機車工作狀態(tài)P 口和A 口氣壓相等（0.3MPa）情況下，皮碗還是能將R 口封閉，仍然是P 口和A 口相通，這是快排閥能起作用的關(guān)鍵所在。

經(jīng)過多次試驗注意到一個現(xiàn)象：制動瞬間從手動換向閥排氣量較大，正常手動閥只排除管道內(nèi)氣體，應小于從快排閥排出的氣缸內(nèi)氣體量。而試驗現(xiàn)象是快排閥處排氣量不夠明顯，于是拆掉快排閥進氣口P 處膠管，發(fā)現(xiàn)氣缸內(nèi)氣體（即A 口氣體）從R 口和P 口同時排出，這不符合快排閥工作原理，于是問題找到，出在快排閥本身。

（1）動作緩慢原因是：排氣時，如圖3 所示，快排閥內(nèi)部皮碗發(fā)生傾斜，這樣氣缸內(nèi)氣體從A 口經(jīng)傾斜的皮碗同時進入R 排氣口和P 口，P 口氣體再經(jīng)管道至手動閥處排氣，無形中增加了排氣路徑，形成管道背壓，使得油缸的氣體不能快速從排氣閥排出，造成動作緩慢，影響機車的制動和緩解性能。

（2）異響問題是：壓力氣體經(jīng)傾斜活塞的間隙快速沖擊金屬管道所產(chǎn)生的刺耳聲音。

快排閥全部更換后，排氣聲音恢復正常，氣缸制動速度大大提高，反應迅速，制動性能良好，緩解動作平穩(wěn)、速度合適，故障排除。

3 結(jié)語

經(jīng)過樣機驗證，氣制動原理設計合理、性能可靠，對同類型機車的制動系統(tǒng)有一定指導意義。設計理念必須靠試驗來驗證，如文中所述，即使整車制動原理正確，一個快速排氣閥就能很大影響機車的制動性能。在氣制動系統(tǒng)中每個元件的作用都不可替代，要充分了解每個元件的性能及它們組合在一起的作用，使之達到最好的效果。