列車制動系統(tǒng)ZY3型作用閥研制

朱 宇， 劉文軍， 申燕飛， 劉亞梅， 賀才建， 杜 霞

(眉山中車制動科技股份有限公司， 四川眉山 620010)

作用閥也叫中繼閥，主要用于列車制動系統(tǒng)的輸出回路，可輸出與預(yù)控壓力相同的大流量壓縮空氣。DK-2型機車制動機，通過計算機精確控制機車制動缸預(yù)控壓力，再利用109H分配閥的均衡部作為作用閥，控制輸出到機車制動缸的壓力。109H分配閥內(nèi)部結(jié)構(gòu)還是沿用上世紀(jì)70年代的設(shè)計，由于設(shè)計結(jié)構(gòu)所限，其均衡部控制精度較低，為20 kPa左右，檢修期也較短，為1年。最近幾十年，國外機車制動技術(shù)卻有較大發(fā)展，最先進的同類產(chǎn)品的控制精度已經(jīng)達到10 kPa，檢修期長達6年，2012年前，國外產(chǎn)品幾乎壟斷了我國和諧機車制動系統(tǒng)。因此，研發(fā)一款控制精度高、檢修期長的作用閥可以提高DK-2機車制動機整體技術(shù)水平，提升國產(chǎn)制動機競爭力，打破國外高技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)壁壘。

1 設(shè)計方案確定

作用閥的控制精度可以用預(yù)控壓力與輸出壓力的接近程度來衡量，二者越接近，也就是壓差越小，控制精度越高。列車制動系統(tǒng)用作用閥種類較多，設(shè)計結(jié)構(gòu)也不同，但總的來說都是由作用活塞所承受預(yù)控壓力和輸出壓力差來控制活塞移動，從而控制輸出通路的充氣或排氣，直到所有作用力平衡。以109分配閥均衡部為例，根據(jù)設(shè)計結(jié)構(gòu)分析，作用在均衡閥組成的總風(fēng)壓力和輸出壓力已經(jīng)平衡，因此，109分配閥均衡部作用力可以簡化為圖1所示。

Pr為預(yù)控壓強；Sr為預(yù)控側(cè)作用面積；Pz為輸出壓強；Sz為輸出側(cè)作用面積；Fx為橡膠密封圈摩擦阻力之和；Ft為彈簧裝配力。

平衡方程如下：

Pr×Sr=Pz×Sz+Fx+Ft

Pr=(Sz/Sr)×Pz+(Fx+Ft)/Sr

圖1 109分配閥均衡部作用力示意圖

由此方程可得出以下結(jié)論：

當(dāng)Sr越大、Fx和Ft越小、Sz和Sr越接近時，Pr和Pz就越趨于相等，也就是作用閥的控制精度越高。

Sr是活塞面積，由于結(jié)構(gòu)空間所限，不可能繼續(xù)做得太大。Fx是橡膠圈固有阻力，只要是氣壓密封結(jié)構(gòu)，也是無法消除的。因此，在新的作用閥設(shè)計方案中，應(yīng)該把活塞預(yù)控側(cè)作用面積Sr和輸出側(cè)作用面積Sz設(shè)計成相等，把彈簧力和其他平衡阻力做到最小。

2 結(jié)構(gòu)及設(shè)計要點

根據(jù)設(shè)計方案，眉山中車制動科技股份有限公司于2015年研制完成了高精度和長檢修期的作用閥，型號定為ZY3。

ZY3作用閥結(jié)構(gòu)如圖2所示，閥體、上蓋、下蓋和安裝板通過螺釘固定，組成外部零件。作用活塞與作用活塞桿壓裝在一起，作用膜板套在作用活塞環(huán)形槽內(nèi)，形成活塞組成。2個O形橡膠圈套裝在雙膠閥桿上形成一個整體，橡膠圈外形自然形成球面。活塞組成和雙膠閥桿可以沿閥體中心軸向上下移動，形成作用閥的不同作用位。濾塵套可以防止總風(fēng)的雜質(zhì)進入閥內(nèi)部，消聲器可以減少排氣時噪聲。

1-閥體；2-下蓋；3-作用膜板；4-作用活塞；5-作用活塞桿；6-作用閥座；7-O形橡膠圈10X6；8-雙膠閥桿；9-上蓋；10-彈簧；11-安裝板；12-濾塵套；13-消聲器。圖2 ZY3作用閥結(jié)構(gòu)圖

ZY3作用閥設(shè)計要點如圖3：

(1)活塞預(yù)控側(cè)作用面積Sr和輸出側(cè)作用面積Sz相等

將活塞組成設(shè)計為空心，下端為排氣口通大氣，這樣，活塞預(yù)控側(cè)作用面積Sr和輸出側(cè)作用面積Sz可以設(shè)計為完全相等。109分配閥均衡部活塞兩側(cè)面積相差1 cm2。

(2)減少彈簧裝配力

球面形狀的橡膠閥可以在徑向方向微調(diào)，和金屬閥口自動對中。這樣，橡膠閥只需要較少變形就能保證平衡時，各閥口密封，從而減少抵消橡膠件變形所需的彈簧裝配力。ZY3作用閥比109分配閥均衡彈簧的裝配力減少約10 N，相當(dāng)于提高控制精度1.5 kPa。

(3)采用平膜板，減少摩擦力，提高膜板壽命

ZY3作用閥采用了平膜板，該結(jié)構(gòu)中心不固定，依靠膜板兩側(cè)壓力差自動密封。在活塞上下移動過程中，由于中心是浮動的，所以可以自動調(diào)整膜板拉伸量，保證膜板平順，并且?guī)缀醪怀惺芾旌湍Σ亮?，既提高作用閥控制精度，又延長了膜板使用壽命。

圖3 ZY3作用閥作用力示意圖

3 試驗驗證及運用

為了驗證其可靠性，制定了比鐵標(biāo)更加嚴(yán)格的型式試驗大綱，耐久次數(shù)由10萬次提高到30萬次，并且規(guī)定，同一套閥，在完成耐久試驗后，不進行維護，繼續(xù)進行環(huán)境試驗，并且各項參數(shù)要求合格。型式試驗表明，該閥功能適用，性能可靠，控制精度可達10 kPa，能適應(yīng)6年檢修期的要求。

2015年開始新造DK-2機車制動機全部采用ZY3作用閥代替109H分配閥均衡部，如圖4紅色圓圈內(nèi)所示。目前首批產(chǎn)品連續(xù)使用了4年，狀態(tài)正常。ZY3作用閥提高了DK-2制動機的控制精度和可靠性，也使國產(chǎn)機車制動機的整體技術(shù)水平進一步提高，目前，DK-2制動機在我國新造和諧機車市場占有率已近提高到30%。

圖4 ZY3作用閥裝車實拍

4 技術(shù)參數(shù)

4.1 應(yīng)用環(huán)境

(1)環(huán)境溫度：-40℃～+70℃。

(2)振動和沖擊：GB/T 21563-2008中I類的規(guī)定。

(3)工作介質(zhì)：壓縮空氣，其質(zhì)量應(yīng)符合ISO 8573-1-2001中規(guī)定的固體顆粒3級、濕度等級2級、含油量3級的要求。

(4)防護等級：IP54。

4.2 性能參數(shù)

(1)最大工作壓力1 000 kPa；總風(fēng)壓力：750～900 kPa。

(2)預(yù)控壓力在5～600 kPa范圍內(nèi)控制精度：10 kPa。

(3)通量：充氣通徑15 mm，排氣通徑15 mm。

(4)檢修期6年，使用壽命30年。

5 外形接口

ZY3作用閥為平面安裝，預(yù)留4個M8安裝螺釘孔，有預(yù)控、總風(fēng)輸入和輸出3條外接通路。ZY3作用閥只有2.5 kg，外形和質(zhì)量與我國既有同類產(chǎn)品有較大縮減，見圖5。

圖5 ZY3作用閥接口圖

6 工作原理

ZY3作用閥有3個作用位置：升壓位、降壓位和保壓位。如圖6所示。

(1)升壓位圖6(a)

圖6 ZY3作用閥壓力位

當(dāng)預(yù)控口壓力上升時，活塞組成下方壓力升高，推動活塞組成上移。首先，活塞組成上閥口頂住雙膠閥桿下面橡膠圈，切斷輸出口與排氣口的通路，然后，克服彈簧力使雙膠閥桿繼續(xù)上移，雙膠閥桿上面密封圈與作用閥座閥口分開?？傦L(fēng)壓力空氣經(jīng)開啟的閥口進入輸出口，輸出口壓力上升，輸出口壓力還可以通過閥體內(nèi)部小孔，進入活塞組成上方，使其上方壓力上升。

(2)降壓位圖6(b)

當(dāng)預(yù)控口壓力下降時，活塞組成下方壓力降低，上方壓力推動活塞組成下移到下極限位，彈簧向下推動雙膠閥桿，使其上方橡膠圈與作用閥座的閥口接觸，關(guān)閉總風(fēng)進入輸出口通路?；钊M成上端閥口離開雙膠閥桿下面橡膠圈，開啟活塞組成上端閥口。輸出口壓力空氣經(jīng)開啟的閥口，進入活塞組成中心孔，排入大氣，輸出口壓力下降，活塞組成上方壓力空氣通過閥體內(nèi)小孔，與輸出口壓力一起排入大氣。

(3)保壓位圖6(c)

保壓位有升壓過程中保壓和降壓過程中保壓2種情況。

在升壓過程中，當(dāng)預(yù)控口壓力停止上升而保持壓力時，活塞上方壓力初期還會通過小孔，與輸出孔壓力一起繼續(xù)上升，直到與活塞下方壓力平衡，活塞組成就會下移，在彈簧共同作用下，雙膠閥桿上部橡膠圈與作用閥座的閥口接觸，關(guān)閉總風(fēng)向輸出口充氣的通路，輸出口與總風(fēng)和大氣的通路均被切斷，輸出口壓力保持。

在降壓過程中，當(dāng)預(yù)控口壓力停止下降而保持壓力時，活塞上方壓力初期還會通過閥體內(nèi)部小孔，與輸出口壓力一起繼續(xù)下降，直到與活塞下方壓力平衡，活塞組成就會上移，活塞組成上端的閥口與雙膠閥桿下部橡膠圈接觸，關(guān)閉輸出口排大氣的通路，輸出口與總風(fēng)和大氣的通路均被切斷，輸出口壓力保持。

7 ZY3作用閥與109分配閥均衡部精度實測對比

為了便于對ZY3作用閥的控制精度進行更直觀理解，任意抽取一套ZY3作用閥與109分配閥，在同一試驗臺對預(yù)控和輸出壓力進行實測，實測數(shù)據(jù)見表1：

從表1看出，隨機抽樣ZY3作用閥控制精度為8 kPa，比109分配閥均衡部的26 kPa有明顯提高。

表1 控制精度實測統(tǒng)計表 kPa

8 結(jié)束語

ZY3作用閥是我國自主研制的控制精度最高的作用閥，檢修期長，體積小，質(zhì)量輕，已經(jīng)達到了國外同類產(chǎn)品的先進技術(shù)水平，目前已在DK-2機車制動機成功運用。下一步將嘗試在我國動車組制動系統(tǒng)中替代國外產(chǎn)品，打破國外技術(shù)壁壘。