HXD2系列機(jī)車制動(dòng)系統(tǒng)分配閥設(shè)計(jì)及運(yùn)用分析

王樹海, 劉治國

(中車大同電力機(jī)車有限公司 技術(shù)中心， 山西大同 037038)

在機(jī)車車輛制動(dòng)系統(tǒng)中，分配閥至關(guān)重要，它根據(jù)列車管的壓力變化來控制制動(dòng)缸的充氣和排氣，實(shí)現(xiàn)機(jī)車車輛的制動(dòng)、保壓和緩解作用。分配閥的特點(diǎn)是列車管減壓時(shí)制動(dòng)、增壓時(shí)緩解，分配閥在空氣制動(dòng)機(jī)中很重要，如果發(fā)生故障，作用就會(huì)完全失效，行車安全就沒有保障[1]。在國內(nèi)，大多數(shù)機(jī)車車輛裝用的是二壓力分配閥，例如電力機(jī)車裝用的109分配閥，客、貨車輛裝用的104、120分配閥都屬于二壓力分配閥，該類分配閥為一次緩解型分配閥，緩解速度快、時(shí)間短。

隨著我國鐵路裝備技術(shù)的飛速發(fā)展及技術(shù)全球化，法國法維萊先進(jìn)的機(jī)車車輛制動(dòng)機(jī)隨著和諧機(jī)車的技術(shù)引進(jìn)被帶入我國，法維萊制動(dòng)系統(tǒng)主要包括制動(dòng)控制單元(BCU)、EUROTROL模塊、SW4分配閥、轉(zhuǎn)向架中繼閥等部件，其中SW4分配閥為三壓力結(jié)構(gòu)分配閥，與我國常用的二壓力結(jié)構(gòu)分配閥在性能上有明顯差異。

HXD2系列機(jī)車是由中車大同電力機(jī)車有限公司在阿爾斯通機(jī)車平臺(tái)上研制并生產(chǎn)的大功率交流傳動(dòng)電力機(jī)車，該機(jī)車自交付以來，一直作為主型機(jī)車承擔(dān)大秦鐵路的重載牽引運(yùn)輸任務(wù)，其出色的牽引、制動(dòng)性能得到了用戶的廣泛贊譽(yù)，尤其是該機(jī)車采用的法維萊EUROTROL空氣制動(dòng)系統(tǒng)，性能穩(wěn)定，為保證機(jī)車的正常安全運(yùn)行提供了堅(jiān)實(shí)的保障[2]。目前，已裝用法維萊EUROTROL空氣制動(dòng)系統(tǒng)，包括SW4分配閥的機(jī)車有HXD2機(jī)車、HXD2B機(jī)車、HXD2C機(jī)車、HXD2新八軸機(jī)車、FXD2B機(jī)車等。圖1為HXD2新八軸機(jī)車制動(dòng)控制部分空氣管路原理圖。

圖1 HXD2新八軸機(jī)車空氣管路原理圖

從原理圖中可以看出，該機(jī)車制動(dòng)控制部分主要包括：制動(dòng)控制單元、EUROTROL模塊、隔離模塊、分配閥模塊、SW4分配閥、直接制動(dòng)模塊和轉(zhuǎn)向架中繼閥模塊。其中，分配閥模塊為電子分配閥，用于計(jì)算機(jī)控制實(shí)現(xiàn)機(jī)車制動(dòng)缸的充氣和排氣作用； SW4分配閥為純機(jī)械結(jié)構(gòu)分配閥，只在電子分配閥故障或機(jī)車無動(dòng)力回送情況下使用，是機(jī)車制動(dòng)系統(tǒng)使用的基本保障。

1 問題的引出

SW4分配閥是符合UIC標(biāo)準(zhǔn)并通過UIC認(rèn)證的制動(dòng)系統(tǒng)主要部件，該閥在歐洲的機(jī)車、客車、貨車、調(diào)車機(jī)車、動(dòng)車、高速列車及地鐵列車中均有裝車使用經(jīng)驗(yàn)。該閥結(jié)構(gòu)簡單，具有良好的運(yùn)用性能，與市場上的其他分配閥相比，維修較為簡單。此外，從安裝角度看，SW4分配閥具有明顯優(yōu)點(diǎn)，該閥可以安裝在裝有"三通閥"型法蘭盤的支架上，也可以裝在與德國克諾爾公司的KE分配閥相似的法蘭盤支架上，或通過更換接口組件，安裝在其他的結(jié)構(gòu)上，安裝方式的適應(yīng)性很強(qiáng)。

SW4分配閥的主要相關(guān)部件包括：副風(fēng)缸、控制風(fēng)缸以及這兩個(gè)風(fēng)缸的充氣和截?cái)嘌b置、副風(fēng)缸的延遲充氣裝置、手動(dòng)和自動(dòng)緩解閥等。結(jié)合這些部件SW4分配閥可以實(shí)現(xiàn)的主要功能有：

(1)有效控制制動(dòng)缸的最大壓力；

(2)有利于適應(yīng)列車管的不同容積；

(3)通過加速器鎖閉裝置避免在特殊情況下導(dǎo)致的分配閥泄漏；

(4)實(shí)現(xiàn)客運(yùn)/貨運(yùn)轉(zhuǎn)換，客、貨車通用。

該閥可以實(shí)現(xiàn)當(dāng)制動(dòng)控制器處于運(yùn)轉(zhuǎn)位時(shí)，列車管與控制風(fēng)缸相通。當(dāng)列車管壓力在60 s內(nèi)下降小于4 kPa時(shí)，制動(dòng)機(jī)不產(chǎn)生制動(dòng)作用，保證機(jī)車車輛制動(dòng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

SW4分配閥一般通過支座固定在制動(dòng)柜上，通過氣路接口和列車管、制動(dòng)缸、輔助風(fēng)缸、控制風(fēng)缸相連。如圖2所示，在分配閥內(nèi)部，主要包括：主活塞1、密封閥2、切斷閥5以及活塞4和止回閥3等部件。

1-主活塞；2-密封閥；3-止回閥；4-活塞；5-切斷閥。圖2 SW4分配閥充氣過程氣路原理

如圖2所示，SW4分配閥的充氣過程：來自列車管的壓縮空氣到達(dá)A區(qū)并通過止回閥3進(jìn)入了D區(qū)和輔助風(fēng)缸。同時(shí)，由于活塞4中彈簧的作用，導(dǎo)致切斷閥5處于打開的狀態(tài)，于是來自列車管的壓縮空氣通過縮孔進(jìn)入B區(qū)和控制風(fēng)缸。當(dāng)A區(qū)和B區(qū)的壓力相同時(shí)，充氣過程就完成了。制動(dòng)缸通過C區(qū)的排風(fēng)孔和主活塞1的中空閥桿進(jìn)行排氣。

1-主活塞；2-密封閥；3-止回閥；4-活塞；5-切斷閥。圖3 SW4分配閥制動(dòng)過程氣路原理

如圖3所示，SW4分配閥的制動(dòng)過程：由于列車管壓力的下降，導(dǎo)致A區(qū)壓力下降。由于縮孔的作用，B區(qū)的壓力比A區(qū)壓力下降的更慢，這就導(dǎo)致主活塞1向上運(yùn)動(dòng)，阻止了主活塞1的中空桿和被推起的密封閥2的聯(lián)通。這時(shí)，輔助風(fēng)缸的壓縮空氣開始向制動(dòng)缸充氣，制動(dòng)開始實(shí)施。當(dāng)制動(dòng)缸壓力到達(dá)E區(qū)，活塞4上升切斷了列車管和控制風(fēng)缸的通路。

1-主活塞；2-密封閥；3-止回閥；4-活塞；5-切斷閥。圖4 SW4分配閥中立過程氣路原理

如圖4所示，SW4分配閥制動(dòng)或緩解后的中立過程：當(dāng)列車管的排風(fēng)終止，C區(qū)的制動(dòng)缸壓力作用在主活塞1上，該壓力和由于A區(qū)、B區(qū)壓力不一致產(chǎn)生的力正好相同。這時(shí)，主活塞處于一個(gè)平衡狀態(tài)，密封閥2的排風(fēng)口處于關(guān)閉狀態(tài)。當(dāng)列車管的壓力繼續(xù)下降后，主活塞1的平衡被破壞，C區(qū)增加的壓力作用在主活塞1上，主活塞1開始上升，密封閥2的排風(fēng)口重新打開排氣，直到達(dá)到新的平衡時(shí)，密封閥2的排風(fēng)口關(guān)閉。

1-主活塞；2-密封閥；3-止回閥；4-活塞；5-切斷閥。圖5 SW4分配閥制動(dòng)后緩解過程氣路原理

如圖5所示，SW4分配閥制動(dòng)后的緩解過程：列車管充氣增壓時(shí)，導(dǎo)致主活塞1向下運(yùn)動(dòng)，推動(dòng)中空閥桿離開密封閥2，這時(shí)，制動(dòng)缸的壓力空氣排大氣。如列車管停止增壓。主活塞1上下壓力一致，制動(dòng)缸排大氣口關(guān)閉，制動(dòng)缸壓力停止排大氣，壓力保持不變，實(shí)現(xiàn)了階段緩解。當(dāng)C區(qū)壓力下降到和A區(qū)、B區(qū)的壓力差一致時(shí)，制動(dòng)缸停止排氣。列車管壓力增加時(shí)，在制動(dòng)緩解狀態(tài)中，輔助風(fēng)缸重新充氣。在完全制動(dòng)緩解狀態(tài)，制動(dòng)缸的壓力小于10 kPa，此時(shí)，活塞4向下移動(dòng)推動(dòng)閥5離開閥座，最終，控制風(fēng)缸的壓力通過縮孔和列車管的壓力保持一致。

通過以上原理分析說明，可以看出，SW4分配閥也具有列車管減壓制動(dòng)，增壓緩解特點(diǎn)，但緩解特點(diǎn)是屬于階段緩解，就是在緩解時(shí)，制動(dòng)缸壓力隨著列車管壓力上升而減小，使得制動(dòng)缸的緩解時(shí)間較長，并且只能在列車管壓力接近或等于定壓時(shí)，分配閥方能將制動(dòng)缸壓力完全排出，達(dá)到機(jī)車車輛的完全緩解。這就造成了國內(nèi)車輛與裝用法維萊使用三壓力分配閥的機(jī)車在列車緩解時(shí)的不匹配，尤其是裝用SW4機(jī)車作為無火回送狀態(tài)使用時(shí)，當(dāng)本務(wù)機(jī)車緩解時(shí)，在列車中裝備二壓力分配閥的車輛已經(jīng)緩解后，但裝用三壓力分配閥的無火機(jī)車尚未完全緩解，此時(shí)機(jī)車往往已開始施加牽引動(dòng)力，可能造成無火回送機(jī)車車輪踏面擦傷或列車斷鉤的風(fēng)險(xiǎn)，影響列車行車安全。

2 解決方案

為了使SW4分配閥滿足國內(nèi)鐵路機(jī)車車輛的使用要求，必須對該分配閥進(jìn)行適應(yīng)性改造，下面就中車大同公司和諧2型電力機(jī)車法維萊制動(dòng)機(jī)SW4分配閥改造原理進(jìn)行闡述。

2.1 具有階段緩解功能三壓力分配閥控制原理

原引進(jìn)機(jī)車SW4三壓力分配閥控制原理如圖6所示，該分配閥具有階段緩解功能，其在國外使用時(shí)與之相配套使用的車輛制動(dòng)機(jī)分配閥也需具有階段緩解功能。

所謂的三壓力為列車管壓力、控制風(fēng)缸壓力和制動(dòng)缸壓力。其中控制風(fēng)缸壓力一般為定壓，在列車管完全充滿風(fēng)后與列車管壓力一致，并且在正常制動(dòng)過程中維持定壓，制動(dòng)缸壓力則與列車管的減壓有關(guān)，制動(dòng)缸壓力的大小與列車管的減壓量成一定比例關(guān)系。

圖6 三壓力分配閥控制原理

2.2 三壓力分配閥改造成具有一次緩解功能控制原理

改造的基本原則是，保留原SW4三壓力分配閥外觀及性能，通過對原三壓力分配閥外圍增加一些設(shè)備，使之具有一次緩解功能，在制動(dòng)后能夠?qū)崿F(xiàn)快速緩解，從而能夠與我國現(xiàn)運(yùn)行二壓力分配閥匹配；并且在使用時(shí)，也可以根據(jù)需要選擇使用階段緩解功。SW4分配閥改造成具有一次緩解功能控制原理如圖7所示。

圖7 具有一次緩解功能的SW4分配閥控制原理

圖7中的SW4分配閥與圖6中的完全相同，是具有階段緩解功能，當(dāng)控制風(fēng)缸隔離閥處于關(guān)閉位時(shí)，此時(shí)圖7與圖6功能完全相同，具有階段緩解功能，無一次緩解功能。當(dāng)控制風(fēng)缸隔離閥處于聯(lián)通位時(shí)，此時(shí)分配閥控制具有一次緩解功能，無階段緩解功能。為了滿足一次緩解功能，如圖7在SW4分配閥部分增加了控制風(fēng)缸隔離閥、控制風(fēng)缸單向閥和控制風(fēng)缸中繼閥等部件。

具體設(shè)計(jì)條件為：當(dāng)司機(jī)將制動(dòng)手柄打到運(yùn)行位，列車管壓力開始上升，當(dāng)壓力大于300 kPa時(shí)才會(huì)發(fā)生一次緩解，通過控制風(fēng)缸中繼閥可確保此功能。

控制風(fēng)缸中繼閥壓力值的選取：

由于我國列車采用的列車管定壓是500 kPa或600 kPa兩種模式，所以下面就列車管分別處于500kPa和600 kPa兩種狀態(tài)分別討論一次緩解臨界壓力值300 kPa，即控制風(fēng)缸中繼閥壓力值的選取。當(dāng)列出管定壓為500 kPa時(shí)，由于SW4分配閥處于常用制動(dòng)時(shí)，列車管路最小減壓量為50 kPa，列車管路最大減壓量為140 kPa，所以，當(dāng)分配閥處于常用制動(dòng)狀態(tài)時(shí)，列車管的最大值為500 kPa-50 kPa=450 kPa，列車管的最小值為500 kPa-140 kPa=360 kPa，所以列車管壓力值范圍為360～450 kPa。也就是說，當(dāng)緩解SW4分配閥要產(chǎn)生一次緩解狀態(tài)時(shí)，列車管壓力值為360 kPa～450kPa。由于在管路里壓縮空氣的壓力值處于一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡的狀態(tài)，考慮到管路泄漏，壓縮空氣壓力在管路的傳遞速度，可以保證當(dāng)分配閥要發(fā)生一次緩解狀態(tài)時(shí)，列車管的壓力值大于300 kPa，故將一次緩解的臨界壓力值選取300 kPa。

當(dāng)列車管定壓為600 kPa時(shí)，由于三壓力分配閥處于常用制動(dòng)狀態(tài)時(shí)，列車管路最小減壓量為50 kPa，列車管路最大減壓量為170 kPa，所以，當(dāng)階段緩解分配閥處于常用制動(dòng)狀態(tài)時(shí)，列車管的最大值為600 kPa-50 kPa=550 kPa，列車管的最小值為600 kPa-170 kPa=430 kPa，所以列車管壓力值范圍為430～550 kPa。同列車管定壓為500 kPa的分析，可以保證當(dāng)三壓力分配閥要發(fā)生一次緩解狀態(tài)時(shí)，列車管的壓力值大于300 kPa。

下面就以列車管定壓為500 kPa為例，來說明三壓力分配閥一次緩解功能。

三壓力分配閥常用制動(dòng)后，列車管壓力下降，從上面分析得知，列車管壓力值為360～450 kPa，列車管的壓力大于300 kPa，控制風(fēng)缸中繼閥打開，使緩沖風(fēng)缸的壓力值與當(dāng)前列車管壓力值相同，當(dāng)機(jī)車開始緩解時(shí)，列車管壓力值開始增大，由于控制風(fēng)缸單向閥2及1 mm縮孔和控制風(fēng)缸單向閥3及1.5 mm縮孔的作用，使得緩沖風(fēng)缸的壓力值略小于列車管壓力值，當(dāng)緩沖風(fēng)缸與列車管壓力值差大于20 kPa時(shí)，控制風(fēng)缸開始通過控制風(fēng)缸隔離閥→控制風(fēng)缸單向閥1→控制風(fēng)缸止回閥向列車管充風(fēng)，三壓力分配閥輸出制動(dòng)缸控制壓力差快速變?yōu)榱?，制?dòng)缸完全緩解；當(dāng)列車管與緩沖風(fēng)缸之間壓力差小于20 kPa時(shí)，控制風(fēng)缸止回閥將自行關(guān)閉，切斷控制風(fēng)缸與列車管之間的通路。當(dāng)制動(dòng)缸完全緩解后，列車管壓縮空氣通過分配閥重新充入控制風(fēng)缸，直到控制風(fēng)缸達(dá)到定壓為止。當(dāng)列車管定壓為600 kPa時(shí)，三壓力分配閥常用制動(dòng)后，列車管壓力值為430～550 kPa，從上面的分析與說明可以得知，列車管壓力值大于300 kPa，也可以實(shí)現(xiàn)一次緩解。

方案實(shí)施前，SW4分配閥的緩解功能如圖8所示；方案實(shí)施后，該閥的緩解功能如圖9所示，通過圖示，可以明確通過方案的實(shí)施，SW4分配閥已實(shí)現(xiàn)了二通閥的緩解要求。

圖8 SW4分配閥階段緩解功能

圖9 SW4分配閥一次緩解功能

3 結(jié) 論

通過對滿足UIC標(biāo)準(zhǔn)的SW4分配閥進(jìn)行分析、改進(jìn)和運(yùn)用，使得只能在UIC標(biāo)準(zhǔn)框架下使用的分配閥滿足了中國鐵路使用要求，在原來只有階段緩解的基礎(chǔ)上增加了一次緩解，增加了使用范圍和功能，滿足了和諧2型機(jī)車制動(dòng)系統(tǒng)分配閥設(shè)計(jì)及運(yùn)用需求，該方案已在和諧2型系列機(jī)車上批量裝車運(yùn)用，驗(yàn)證效果良好；在整個(gè)使用期間內(nèi)沒有發(fā)生緩解不到位的制動(dòng)現(xiàn)象，滿足了使用需求，取得了良好的運(yùn)用效果。SW4分配閥的成功改造應(yīng)用，擴(kuò)展了該閥的使用范圍，為今后SW4分配閥的使用推廣創(chuàng)造了條件，也為其他類似成熟產(chǎn)品運(yùn)用提供了參考。