高速列車空氣制動(dòng)原理及泄漏處理方法研究與應(yīng)用

謝慶華

(柳州鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院動(dòng)力技術(shù)學(xué)院 廣西柳州 545616)

1 引言

鐵路是旅途舒適、安全系數(shù)高的一種大眾交通出行工具，是國家重點(diǎn)提倡和發(fā)展建設(shè)的民生工程，特別是在“十八大”上國家提出建設(shè)環(huán)境友好型社會(huì)以來，鐵路行業(yè)達(dá)到與航空運(yùn)輸行業(yè)相媲美的出行方式，特別是在以復(fù)興號(hào)為代表的高速標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組問世，給動(dòng)車和高鐵的發(fā)展注入了無限動(dòng)力。鐵路運(yùn)行的運(yùn)力的特點(diǎn)為高聚積信，運(yùn)行環(huán)節(jié)相輔相成、不可缺一，而高速運(yùn)行車輛的制動(dòng)系統(tǒng)又是其重要組成部分，是在運(yùn)行中減速和停車的作用機(jī)構(gòu)。對(duì)于當(dāng)代高速鐵路，制動(dòng)不僅成為制約列車速度和牽引動(dòng)力提高的重要因素，更是行車安全的重要保障。

2 制動(dòng)的分類

2.1 按制動(dòng)的形式分類

黏著制動(dòng)和非黏著制動(dòng)是列車制動(dòng)按制動(dòng)的形式分類的兩種重要類型。其中，由鋼軌與車輪間形成的摩擦力形式作用并執(zhí)行的制動(dòng)方式，稱為黏著制動(dòng)，或摩擦制動(dòng)。施行黏著制動(dòng)時(shí)，制動(dòng)力受輪軌間的粘著力的限制，最大制動(dòng)力不超過粘著力。粘著制動(dòng)是目前主要的制動(dòng)方式，閘瓦制動(dòng)、盤形制動(dòng)、動(dòng)力制動(dòng)（電制動(dòng)）、液力制動(dòng)等制動(dòng)方式都屬于粘著制動(dòng)[1]。制動(dòng)時(shí)，閘瓦壓緊轉(zhuǎn)動(dòng)的車輪踏面后，閘瓦與車輪間的摩擦力借助鋼軌，在與車輪接觸點(diǎn)上產(chǎn)生與列車鋼軌運(yùn)行相同的反作用粘著力，即制動(dòng)力，粘著力制動(dòng)方式中，閘瓦（閘片）、車輪和鋼軌是列車制動(dòng)的三大要素。

而不是由鋼軌與車輪間形成摩擦力形式作用并執(zhí)行制動(dòng)的制動(dòng)形式，為非黏著制動(dòng)。列車電磁制動(dòng)和渦流制動(dòng)等屬于非粘著制動(dòng)，這種制動(dòng)的特點(diǎn)是形成的制動(dòng)作用的程度大小不受車輪和鐵軌的黏著力的限制。非黏著制動(dòng)目前主要作為一種輔助的制動(dòng)方式用于黏著制動(dòng)力不夠的高速旅客列車上。

2.2 按制動(dòng)時(shí)的動(dòng)力源分類

列車制動(dòng)按制動(dòng)時(shí)的動(dòng)力源和制動(dòng)能量轉(zhuǎn)換的不同有電制動(dòng)和空氣制動(dòng)兩種。而空氣制動(dòng)又有純空氣制動(dòng)和非純空氣制動(dòng)，前者以高壓的密閉容積里的氣體作為動(dòng)力源進(jìn)行控制和傳遞制動(dòng)信號(hào)，電制動(dòng)是將列車的動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔芎螅僮兂蔁崮芟牡艋蚍答伝仉娋W(wǎng)的制動(dòng)方式，在高速電力列車上主要有電阻制動(dòng)和再生制動(dòng)，制動(dòng)時(shí)優(yōu)先使用再生制動(dòng)。電制動(dòng)是將列車上的牽引裝置經(jīng)轉(zhuǎn)換和簡化后進(jìn)行執(zhí)行作用的一種制動(dòng)方式，屬于動(dòng)力制動(dòng)的一種類型。

雖然目前的電制動(dòng)從牽引動(dòng)力裝置上能有非常充足的制動(dòng)力提供，但對(duì)于空氣制動(dòng)來講，其在高速動(dòng)車組里的地位仍然非常重要。由于直流牽引電機(jī)的車輛其制動(dòng)力會(huì)跟著列車速度的下降一起減少，這時(shí)，如沒有其他制動(dòng)方式輔助，列車由于慣性力就不可能完全停下來，或者要溜車很長一段時(shí)間后才因?yàn)樽枇μ蠖Ｖ?。而使用交流電機(jī)作動(dòng)力牽引裝置的列車雖然可通過改變轉(zhuǎn)速差來執(zhí)行改變制動(dòng)力大小的目的，從理想的狀態(tài)和理論的角度來講列車速度不直接限制制動(dòng)力，但從高速列車到列車停止均能有效執(zhí)行和作用的、可靠的電制動(dòng)裝置尚處于實(shí)驗(yàn)室的理論研究階段[1-2]。

圖1 自動(dòng)式空氣制動(dòng)系統(tǒng)的組成

過去空氣制動(dòng)分為直通式制動(dòng)和自動(dòng)式制動(dòng)。直通式采用制動(dòng)管增壓制動(dòng)、減壓緩解，列車分離時(shí)不能自動(dòng)停車。司機(jī)操縱手柄在制動(dòng)位停止的時(shí)間長短直接決定制動(dòng)力大小，受到人的感覺和心理因素的影響特別大，因此控制不精確。同時(shí)制動(dòng)作用狀態(tài)下全車作用風(fēng)缸的壓縮空氣由總風(fēng)缸供給，緩解時(shí)每個(gè)制動(dòng)風(fēng)缸的作用空氣都須經(jīng)作用閥排氣口進(jìn)入大氣，此時(shí)會(huì)出現(xiàn)前后車廂的制動(dòng)的同一性不好，給列車交接處站立著和行走著的乘客帶來不舒適的體驗(yàn)。而空氣制動(dòng)自動(dòng)作用系統(tǒng)為作用管降壓執(zhí)行制動(dòng)、增壓執(zhí)行緩解，這種狀況下列車分離時(shí)能制動(dòng)執(zhí)行自動(dòng)作用而停車。作用風(fēng)缸的風(fēng)力離排氣口制動(dòng)作用風(fēng)缸較近，作用閥不在進(jìn)行其制動(dòng)與緩解的過程，因此緩解與制動(dòng)的同一性比直通式制動(dòng)機(jī)優(yōu)異，列車縱向沖動(dòng)較小，給列車交接處站立著和行走著的乘客帶來較佳的體驗(yàn)，適合于較長編組的列車，以及有階段制動(dòng)及一次緩解功能[3]。

3 自動(dòng)式空氣制動(dòng)的原理及泄漏故障

3.1 自動(dòng)式空氣制動(dòng)的組成及各部分的功能

自動(dòng)式空氣制動(dòng)系統(tǒng)的組成見圖1所示，分為壓力空氣供給部分、空氣制動(dòng)控制部分和基礎(chǔ)制動(dòng)裝置。

空氣壓縮機(jī)、總風(fēng)缸等裝置組成壓力空氣供給部分，是為整個(gè)制動(dòng)系統(tǒng)提供原動(dòng)力的重要模塊。 空氣壓縮機(jī)和總風(fēng)缸安裝在機(jī)車部位，它們的功能分別是制造壓縮空氣和儲(chǔ)存壓縮空氣，提供給全列車的制動(dòng)管。

空氣制動(dòng)控制部分由給風(fēng)閥、自動(dòng)制動(dòng)閥、給風(fēng)閥制動(dòng)管等組成。給風(fēng)閥將總風(fēng)缸的壓縮空氣調(diào)至規(guī)定壓力，經(jīng)自動(dòng)制動(dòng)閥充入制動(dòng)管。自動(dòng)制動(dòng)閥是一個(gè)空氣壓力操縱部件，控制制動(dòng)管壓縮空氣的沖入和排出。制動(dòng)管又稱為列車管、剎車管，是貫通全列車的壓縮空氣管，通過它向列車中各車輛的制動(dòng)裝置輸送壓縮空氣。列車運(yùn)行和停止時(shí)機(jī)車乘務(wù)員通過自動(dòng)制動(dòng)閥控制列車制動(dòng)管內(nèi)壓縮空氣的壓力[4]。三通閥和制動(dòng)管連通，在制動(dòng)管壓力的變化時(shí)進(jìn)行工作，是空氣制動(dòng)裝置的主要部件，能控制制動(dòng)機(jī)。

基礎(chǔ)制動(dòng)裝置是以前傳統(tǒng)的機(jī)械杠桿式傳動(dòng)裝置和現(xiàn)在普遍使用夾鉗式裝置。夾鉗式裝置由制動(dòng)夾鉗、支架和剪刀形的夾緊制動(dòng)盤的本體組成?；A(chǔ)制動(dòng)裝置在制動(dòng)時(shí)，將制動(dòng)缸推力傳遞到閘瓦（閘片），使閘瓦（閘片）夾緊車輪（制動(dòng)盤）產(chǎn)生制動(dòng)。

3.2 自動(dòng)式空氣制動(dòng)系統(tǒng)的工作原理

自動(dòng)式空氣制動(dòng)系統(tǒng)的制動(dòng)過程中首先減壓，然后將主風(fēng)管和大氣連接，最后在副風(fēng)缸大氣壓遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于大氣壓狀態(tài)下，三通閥的滑閥向左移動(dòng)使副風(fēng)缸和制動(dòng)缸連接。副風(fēng)缸的壓縮空氣進(jìn)入制動(dòng)缸，制動(dòng)缸的活塞向右移動(dòng)，閥瓦向左移動(dòng)實(shí)現(xiàn)制動(dòng)。

緩解過程，制動(dòng)消除時(shí)首先加壓，然后將主風(fēng)管和總風(fēng)缸連接，最后三通閥滑閥向右移動(dòng)阻斷副風(fēng)缸和制動(dòng)缸相連，同時(shí)連接制動(dòng)缸和大氣，制動(dòng)缸向左移動(dòng)閥壓向右實(shí)現(xiàn)緩解。 特點(diǎn)：加壓緩解，減壓制動(dòng)，階段制動(dòng)，一次緩解。

貫穿整個(gè)列車的制動(dòng)管既是制動(dòng)動(dòng)力渠道又是制動(dòng)控制信號(hào)通道[5]。這種制動(dòng)控制模式的一個(gè)突出缺點(diǎn)是制動(dòng)、緩解波速低,列車中各車輛的制動(dòng)、緩解作用一致性差,列車縱向沖動(dòng)大,客車乘坐舒適性差。這個(gè)缺點(diǎn)不可能通過改進(jìn)空氣制動(dòng)機(jī)各部件的機(jī)械結(jié)構(gòu)得到根本解決。為解決這一問題,對(duì)原有制動(dòng)機(jī)進(jìn)行了加電控的改進(jìn),產(chǎn)生了電空制動(dòng)機(jī)。它是用電來傳輸制動(dòng)控制信號(hào),以此來大大提高信號(hào)傳輸速度,提高列車中各車輛的制動(dòng)、緩解的一致性。對(duì)自動(dòng)式電空制動(dòng)機(jī)來說,電傳送的實(shí)際上只是一個(gè)啟、停原有空氣分配閥動(dòng)作的開關(guān)量信號(hào),具體的制動(dòng)管空氣壓力設(shè)定值仍要由制動(dòng)管通過壓力空氣傳送。

3.3 自動(dòng)式空氣制動(dòng)常見的泄漏故障

空氣制動(dòng)裝置在單車試驗(yàn)中的常見泄漏故障及處理。檢修作業(yè)完畢，應(yīng)進(jìn)行列車制動(dòng)機(jī)性能全部試驗(yàn)。 列車試驗(yàn)器應(yīng)由專人操縱進(jìn)行列車制動(dòng)機(jī)性能全部試驗(yàn)，確認(rèn)車列制動(dòng)機(jī)性能。作業(yè)過程依次傳遞確認(rèn)制動(dòng)機(jī)的性能試驗(yàn)號(hào)志。列車制動(dòng)機(jī)試驗(yàn)發(fā)生問題時(shí)，須登上機(jī)車與司機(jī)共同對(duì)列車制動(dòng)機(jī)試驗(yàn)。以往試驗(yàn)的經(jīng)驗(yàn)來看，漏泄故障是發(fā)生最多和影響最嚴(yán)重的自動(dòng)式空氣制動(dòng)故障，而根據(jù)發(fā)現(xiàn)泄漏故障問題的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)來看，常見的泄漏故障有制動(dòng)管系漏泄故障，副風(fēng)缸、加速緩解風(fēng)缸及管系漏泄故障，制動(dòng)缸及管系漏泄和空重車自調(diào)裝置及管系漏泄故障等。

3.3.1 制動(dòng)管系漏泄故障

《鐵路貨車制動(dòng)裝置檢修規(guī)則》列車泄漏試驗(yàn)必須達(dá)到制動(dòng)系統(tǒng)漏泄1分鐘不允許超過5千帕。根據(jù)研究和實(shí)際檢驗(yàn)，制動(dòng)管一般在下列幾處易發(fā)生漏泄[6]：

（1）列車制動(dòng)管連接處，每個(gè)法蘭頭焊接處，一對(duì)法蘭連接處，由于普遍存在著列車人員對(duì)螺紋管接口不加以認(rèn)真處理的問題，導(dǎo)致列車制動(dòng)管頭泄漏嚴(yán)重。

（2）折塞門與制動(dòng)管或折角塞門與補(bǔ)助管接頭處：可能普遍的問題為發(fā)生松動(dòng)的折角塞門未穩(wěn)固、折角塞門由于穩(wěn)固不當(dāng)造成裂紋而沒有及時(shí)處理。

（3）折角塞門、截?cái)嗳T手把方套處，截?cái)嗳T芯漏泄，特別是錐型折角塞門易發(fā)生漏泄故障。

3.3.2 緩解作用風(fēng)缸、副作用風(fēng)缸及管漏泄故障檢驗(yàn)

制動(dòng)管泄漏檢驗(yàn)無誤，使得截?cái)嗳T在打開位，當(dāng)空氣制動(dòng)充氣工作到高壓后，令手把置于三位，觀察壓力表指針動(dòng)作情況，降低則表示緩解作用風(fēng)缸、副作用風(fēng)缸及制動(dòng)管之中的部位存在漏泄[7]。

這種故障的查找方法是在自動(dòng)作用式制動(dòng)系統(tǒng)穩(wěn)定保壓時(shí)仔細(xì)觀察制動(dòng)機(jī)有無自然緩解作用，若存在則是副作用風(fēng)缸上和制動(dòng)管上的泄漏問題；若無則是緩解作用風(fēng)缸上和制動(dòng)管上的泄漏問題。為方便以及快捷處理此類泄漏，一般要求檢查風(fēng)缸及管漏泄時(shí)，必須按規(guī)定的檢查步驟及順序。

3.3.3 管系泄漏及空重車自動(dòng)調(diào)節(jié)裝置泄漏

傳感閥及調(diào)整閥、傳感閥觸桿、法蘭連接處、夾芯閥、顯示板活塞桿、降壓風(fēng)缸是管系泄漏及空重車自動(dòng)調(diào)節(jié)裝置泄漏的多發(fā)區(qū)域[8]?？罩剀囎哉{(diào)裝置無壓力空氣當(dāng)處于初充風(fēng)或緩解時(shí)，而管減壓并制動(dòng)后則有高壓氣體存在，高壓氣體作用與制動(dòng)執(zhí)行缸，此時(shí)的泄漏也和制動(dòng)缸漏泄危害相當(dāng)。

4 快速查看泄漏故障列車壓力的方法和試驗(yàn)方法

列車制動(dòng)機(jī)試驗(yàn)發(fā)生泄漏時(shí)，須登上機(jī)車與司機(jī)共同對(duì)列車制動(dòng)機(jī)試驗(yàn)。一般的研究人員和車輛乘務(wù)員（隨車機(jī)械師）等幾乎沒有接觸過司機(jī)室設(shè)備，按以下方法在司機(jī)室快速查看列車制動(dòng)壓力。

和諧電力機(jī)車（HXD）司機(jī)室如下圖所示。圖2中，1表是制動(dòng)屏，2表是機(jī)械表，有總風(fēng)管、機(jī)車制動(dòng)缸、制動(dòng)管、均衡風(fēng)缸壓力等，3表是LKJ屏，為列車運(yùn)行記錄控制裝置。

圖2 和諧電力機(jī)車司機(jī)室

制動(dòng)屏、機(jī)械表以及LKJ屏均能查看制動(dòng)管壓力，但因機(jī)械表儀器有誤差，且因不同視角查看機(jī)械表也會(huì)存在一定的偏差，而LKJ顯示的制動(dòng)管壓力最準(zhǔn)確，機(jī)務(wù)部門問題分析也采用的是LKJ數(shù)據(jù)，因此建議查看LKJ顯示的制動(dòng)管壓力。 機(jī)械表如圖3所示，機(jī)械表總共有兩個(gè)表，每個(gè)表又有兩個(gè)指針，一個(gè)指針是紅色，一個(gè)指針是白色，雙壓力顯示。顯示制動(dòng)管壓力指示如圖4所示。

圖3 和諧電力機(jī)車機(jī)械表

圖4 和諧電力機(jī)車機(jī)械壓力顯示表

圖5 和諧電力機(jī)車制動(dòng)屏

圖6 制動(dòng)屏儀表數(shù)值

參照機(jī)械表旁邊的文字標(biāo)簽，從圖4可以看出，上面的機(jī)械表標(biāo)簽有“總風(fēng)缸MR”和“制動(dòng)管BP”，其中“總風(fēng)缸MP”的字體顏色是紅色，“制動(dòng)管BP”字體顏色是白色，因此，紅色字體的“總風(fēng)缸MR”壓力在機(jī)械表則是紅色指針?biāo)鶎?duì)應(yīng)的壓力，白色字體的“制動(dòng)管BP”壓力則是白色指針?biāo)鶎?duì)應(yīng)的壓力。下邊機(jī)械表標(biāo)簽顯示的是紅色“制動(dòng)缸BC I”和白色“制動(dòng)缸BC II”，代表的是機(jī)車制動(dòng)缸壓力。因此，若查看機(jī)械表，則最上方機(jī)械表白色指針?biāo)鶎?duì)應(yīng)的壓力即為制動(dòng)管壓力。

圖7 LJK控制屏藍(lán)色工況顯示區(qū)域

制動(dòng)屏顯示的風(fēng)表是虛擬的風(fēng)表，見圖5，所模擬的正是機(jī)械表指針指示的壓力，均是雙壓力顯示，查看方式與查看機(jī)械表的一致，具體如圖6所示。

首先看制動(dòng)屏壓力表下面的文字，左邊顯示的是紅色“均衡風(fēng)缸”，和白色“制動(dòng)管”，因此左邊壓力表白色指針?biāo)鶎?duì)應(yīng)的正是制動(dòng)管壓力，制動(dòng)屏為數(shù)顯模式，因此“制動(dòng)管”正下面框內(nèi)數(shù)字顯示的則為制動(dòng)管壓力，圖6上顯示制動(dòng)管壓力為612 kPa。右邊壓力表下面顯示的是紅色“總風(fēng)缸”、白色“制動(dòng)缸”，為機(jī)車相關(guān)壓力。

LKJ控制屏上顯示的制動(dòng)管壓力最為直接，一目了然。首先查看LKJ顯示屏右上方藍(lán)色區(qū)域，如圖7所示，然后可看到有“制動(dòng)管壓力”，圖7中顯示的制動(dòng)管壓力為600kPa。

泄漏試驗(yàn)一般方法如下，制動(dòng)管漏泄試驗(yàn)：制動(dòng)管作用力確認(rèn)達(dá)到600 kPa時(shí)，保壓1分鐘，制動(dòng)管作用壓力降低不允許超過20 kPa。車輪緩解度試驗(yàn)規(guī)則：制動(dòng)管壓力達(dá)到600 kPa確認(rèn)后，減壓50千帕，列車檢修員嚴(yán)格按列車數(shù)量檢查直到所有車廂啟動(dòng)制動(dòng)作用，保壓1 min后，不發(fā)生自然緩解為符合。充風(fēng)作用緩解時(shí)，檢修員嚴(yán)格按列車數(shù)量檢查確認(rèn)所有制動(dòng)機(jī)在1 min內(nèi)完成為合格。而制動(dòng)保壓試驗(yàn)規(guī)則為，風(fēng)力達(dá)到600 kPa時(shí)，減壓170 kPa，在制動(dòng)作用狀態(tài)下能保壓1分鐘以上為合格，制動(dòng)主風(fēng)管高壓空氣漏泄不得超過20 kPa?？傦L(fēng)作用管漏泄試驗(yàn)規(guī)則為，在風(fēng)壓達(dá)到600 kPa時(shí)，保壓1 min，總風(fēng)管壓力自然降低不允許超過20 kPa。全部試驗(yàn)保壓5min不得發(fā)生自然緩解，由尾部檢車員顯示試風(fēng)完了信號(hào)，并逐段傳遞。