動(dòng)車(chē)組制動(dòng)系統(tǒng)空重車(chē)的設(shè)置

賽華松,路金昌，陳 旭，劉 振

(中車(chē)青島四方車(chē)輛研究所有限公司 制動(dòng)事業(yè)部，山東 青島 266031)

動(dòng)車(chē)組在正常進(jìn)站或緊急情況下需要通過(guò)制動(dòng)系統(tǒng)施加制動(dòng)控制列車(chē)降低速度直至停車(chē)，制動(dòng)系統(tǒng)控制列車(chē)停車(chē)的方式一般分為常用制動(dòng)和緊急制動(dòng)。

正常情況下，動(dòng)車(chē)組采用常用制動(dòng)方式減速停車(chē)，微機(jī)控制的直通式電空制動(dòng)系統(tǒng)根據(jù)壓力傳感器傳送的對(duì)應(yīng)車(chē)輛載荷的空氣彈簧壓力信號(hào)，并結(jié)合減速度要求等信息計(jì)算出所需要的預(yù)控制壓力，通過(guò)電信號(hào)控制電空轉(zhuǎn)換閥產(chǎn)生對(duì)應(yīng)不同車(chē)輛載荷的預(yù)控制壓力，并進(jìn)一步通過(guò)中繼閥以及基礎(chǔ)制動(dòng)裝置產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的制動(dòng)力。

緊急情況下，動(dòng)車(chē)組采用緊急制動(dòng)方式減速停車(chē)，制動(dòng)系統(tǒng)根據(jù)空氣彈簧壓力，通過(guò)空重車(chē)調(diào)整閥的機(jī)械機(jī)構(gòu)產(chǎn)生對(duì)應(yīng)不同車(chē)輛的預(yù)控制壓力，進(jìn)一步通過(guò)中繼閥以及基礎(chǔ)制動(dòng)裝置產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的制動(dòng)力。

緊急制動(dòng)時(shí)，常用制動(dòng)預(yù)控制壓力通路會(huì)同時(shí)施加一個(gè)與緊急制動(dòng)相當(dāng)?shù)某Ｓ弥苿?dòng)預(yù)控制壓力，作為冗余。

當(dāng)空氣彈簧壓力異常(低于理論最小值或高于理論最大值)時(shí)，為確保列車(chē)的安全制動(dòng)距離，制動(dòng)系統(tǒng)根據(jù)預(yù)設(shè)的車(chē)輛載荷Td(一般為定員載荷)進(jìn)行制動(dòng)力的控制。

1 空重車(chē)控制基本原理

根據(jù)牛頓第二運(yùn)動(dòng)定律(公式(1))，為保證車(chē)輛在不同載荷條件下制動(dòng)效果的一致性，制動(dòng)系統(tǒng)應(yīng)根據(jù)車(chē)輛載荷變化自動(dòng)調(diào)整制動(dòng)力，以確保車(chē)輛在不同載荷條件下的減速度基本一致。

F=ma

(1)

式中：F——制動(dòng)力；

m——車(chē)輛載荷；

a——減速度。

因載荷變化造成列車(chē)總質(zhì)量發(fā)生變化的車(chē)輛通常稱(chēng)為空重車(chē)。通過(guò)壓力傳感器和電空轉(zhuǎn)換閥進(jìn)行空重車(chē)控制的方式，業(yè)內(nèi)的設(shè)置方式基本相同，在此不再詳細(xì)討論。本文主要對(duì)通過(guò)空重車(chē)調(diào)整閥進(jìn)行空重車(chē)控制的方式進(jìn)行分析研究。

2 空重車(chē)設(shè)置

2.1 空重車(chē)調(diào)整閥特性

空重車(chē)調(diào)整閥有3個(gè)氣路接口:預(yù)控制壓力輸入口、預(yù)控制壓力輸出口、空氣彈簧壓力輸入口。

圖1為空重車(chē)調(diào)整閥原理圖。

Cv1、Cv2.預(yù)控制壓力；T.空氣彈簧壓力；j、k.活塞；O.排氣口；B、C.調(diào)整螺釘；a、b.杠桿臂長(zhǎng)；m.杠桿；n.杠桿支點(diǎn)；A.調(diào)整螺栓。

圖2為空重車(chē)調(diào)整閥的特性曲線，其中實(shí)線為通過(guò)空重車(chē)調(diào)整閥輸出的預(yù)控制壓力最高限定值Cv2max與空氣彈簧壓力T的變化曲線，該曲線分為兩段：(1)當(dāng)T≤Tmin時(shí)，Cv2max=Pmin；(2)當(dāng)T>Tmin時(shí)，Cv2max=k·T+P0。

圖2 空重車(chē)調(diào)整閥特性曲線

一般Tmin為車(chē)輛空載時(shí)空氣彈簧的壓力值，由調(diào)整螺釘C設(shè)置；k為空重車(chē)調(diào)整閥的比例系數(shù)，由活塞(j和k)的面積比率以及杠桿(m)的臂長(zhǎng)a和b的比值調(diào)整；P0為斜線延伸至T=0時(shí)在Cv2軸上的截距，由調(diào)整螺釘B調(diào)整。

另外，空重車(chē)調(diào)整閥輸入輸出的預(yù)控制壓力還有以下特性：(1)當(dāng)Cv1≤Cv2max時(shí)，Cv2=Cv1；(2)當(dāng)Cv1>Cv2max時(shí)，Cv2=Cv2max。

2.2 空重車(chē)設(shè)置方式一

圖3為某型動(dòng)車(chē)組采用的空重車(chē)設(shè)置方式一的制動(dòng)控制氣路原理圖。由圖3可知，常用制動(dòng)時(shí)，制動(dòng)風(fēng)缸壓力R1通過(guò)電空轉(zhuǎn)換閥生成預(yù)控制壓力Cv1，通過(guò)緊急電磁閥，再通過(guò)空重車(chē)調(diào)整閥生成預(yù)控制壓力Cv2，進(jìn)入中繼閥；緊急制動(dòng)時(shí)，制動(dòng)風(fēng)缸壓力R1通過(guò)緊急電磁閥，再通過(guò)空重車(chē)調(diào)整閥生成預(yù)控制壓力Cv2，進(jìn)入中繼閥。

空重車(chē)調(diào)整閥設(shè)置在常用制動(dòng)和緊急制動(dòng)預(yù)控制壓力匯合之后。在空氣彈簧壓力正常情況下，根據(jù)空氣彈簧壓力實(shí)際值限制常用和緊急制動(dòng)預(yù)控制壓力的最高值；在空氣彈簧破裂時(shí)，按照預(yù)設(shè)的模擬空氣彈簧壓力值(空載時(shí)的空氣彈簧壓力值)限制兩路預(yù)控制壓力的最高值。

.01.電空轉(zhuǎn)換閥；.02.緊急電磁閥；.03.空重車(chē)調(diào)整閥；.04.中繼閥；.05.切換閥；.06.雙向閥；

2.3 空重車(chē)設(shè)置方式二

圖4為某型動(dòng)車(chē)組采用的空重車(chē)設(shè)置方式二的制動(dòng)控制氣路原理圖。常用制動(dòng)時(shí)，制動(dòng)風(fēng)缸壓力R通過(guò)減壓閥、電空轉(zhuǎn)換閥生成壓力Cv1，通過(guò)緊急電磁閥進(jìn)入中繼閥；緊急制動(dòng)時(shí)，制動(dòng)風(fēng)缸壓力R通過(guò)空重車(chē)調(diào)整閥生成預(yù)控制壓力Cv2，再通過(guò)緊急電磁閥進(jìn)入中繼閥。

與空重車(chē)設(shè)置方式一的區(qū)別在于常用制動(dòng)通路預(yù)控制壓力Cv1不通過(guò)空重車(chē)調(diào)整閥。

空重車(chē)調(diào)整閥設(shè)置在緊急制動(dòng)預(yù)控制壓力通路，常用制動(dòng)和緊急制動(dòng)預(yù)控制壓力匯合之前。在空氣彈簧壓力正常情況下，根據(jù)空氣彈簧壓力實(shí)際值限制緊急制動(dòng)通路預(yù)控制壓力的最高值；在空氣彈簧破裂時(shí)，按照預(yù)設(shè)的模擬空氣彈簧壓力值限制緊急制動(dòng)通路預(yù)控制壓力的最高值。

此種設(shè)計(jì)，常用制動(dòng)通路預(yù)控制壓力不受空重車(chē)調(diào)整閥限制，由減壓閥限制最高值。

2.4 2種空重車(chē)設(shè)置方式的比較

針對(duì)不同車(chē)輛載荷(即空氣彈簧壓力T)工況，對(duì)2種空重車(chē)設(shè)置方式的控制效果進(jìn)行比較分析。

.01.電空轉(zhuǎn)換閥；.02.緊急電磁閥；.03.空重車(chē)調(diào)整閥；.04.中繼閥；.05.切換閥；.06.調(diào)壓閥；

2.4.1 空氣彈簧壓力正常(Tmin≤T≤Tmax)工況

空重車(chē)設(shè)置方式一和空重車(chē)設(shè)置方式二控制效果相同。

常用制動(dòng)時(shí)，由電空轉(zhuǎn)換閥控制產(chǎn)生對(duì)應(yīng)車(chē)輛載荷(T)的預(yù)控制壓力Cv1，不受空重車(chē)調(diào)整閥限制，此時(shí)Cv1≤Cv2max，Cv2=Cv1。

緊急制動(dòng)時(shí)，預(yù)控制壓力Cv1與總風(fēng)壓力相當(dāng)，受空重車(chē)調(diào)整閥限制，此時(shí)Cv1>Cv2max，Cv2=Cv2max=k·T+P0。

常用制動(dòng)和緊急制動(dòng)時(shí)，預(yù)控制壓力均能達(dá)到規(guī)定值。

2.4.2 空氣彈簧壓力異常(T

(1) 空重車(chē)設(shè)置方式一和空重車(chē)設(shè)置方式二緊急制動(dòng)控制效果相同。

Cv1與總風(fēng)壓力相當(dāng)，Cv1>Cv2max，預(yù)控制壓力受空重車(chē)調(diào)整閥限制，Cv2=Cv2max=Pmin。

(2) 空重車(chē)設(shè)置方式一和空重車(chē)設(shè)置方式二常用制動(dòng)控制通路效果不同。

空重車(chē)設(shè)置方式一：常用制動(dòng)時(shí)，由電空轉(zhuǎn)換閥控制產(chǎn)生對(duì)應(yīng)預(yù)設(shè)車(chē)輛載荷(Td)的預(yù)控制壓力Cv1，此時(shí)Cv1≈k·Td+P0，Cv2max=Pmin，因此Cv1>Cv2max，預(yù)控制壓力受空重車(chē)調(diào)整閥限制，Cv2=Cv2max=Pmin，其中Td為預(yù)設(shè)空氣彈簧壓力(Tmin

空重車(chē)設(shè)置方式二：常用制動(dòng)時(shí)，由電空轉(zhuǎn)換閥控制產(chǎn)生對(duì)應(yīng)預(yù)設(shè)車(chē)輛載荷(Td)的預(yù)控制壓力Cv1，Cv1≈k·Td+P0。

如果車(chē)輛實(shí)際載荷高于空載時(shí)，僅空重車(chē)設(shè)置方式二常用制動(dòng)通路能達(dá)到與車(chē)重對(duì)應(yīng)的預(yù)控制壓力。

2.4.3 空氣彈簧壓力異常(T>Tmax)工況

(1) 空重車(chē)設(shè)置方式一和空重車(chē)設(shè)置方式二緊急制動(dòng)控制通路效果相同。Cv1與總風(fēng)壓力相當(dāng)，受空重車(chē)調(diào)整閥限制，此時(shí)Cv1>Cv2max，Cv2=Cv2max=k·T+P0。

(2) 空重車(chē)設(shè)置方式一和空重車(chē)設(shè)置方式二常用制動(dòng)控制通路效果不同。

空重車(chē)設(shè)置方式一：常用制動(dòng)時(shí)，由電空轉(zhuǎn)換閥控制產(chǎn)生對(duì)應(yīng)Td的預(yù)控制壓力Cv1，此時(shí)Cv1≈k·Td+P0，Cv2max=k·T+P0，因此Cv1≤Cv2max，預(yù)控制壓力不受空重車(chē)調(diào)整閥限制，Cv2=Cv1。

空重車(chē)設(shè)置方式二：常用制動(dòng)時(shí)，由電空轉(zhuǎn)換閥控制產(chǎn)生對(duì)應(yīng)Td的預(yù)控制壓力Cv1，Cv1≈k·Td+P0。

常用制動(dòng)和緊急制動(dòng)時(shí)，預(yù)控制壓力均能達(dá)到規(guī)定值。

2.5 2種空重車(chē)設(shè)置方式分析

通過(guò)以上分析可知：

(1) 空氣彈簧壓力T≥Tmin時(shí)，2種空重車(chē)設(shè)置方式均能達(dá)到預(yù)定的控制壓力。

(2) 空氣彈簧壓力T

3 一種新型空重車(chē)設(shè)置方式

圖5為一種新型的制動(dòng)控制氣路原理圖，常用制動(dòng)時(shí)，制動(dòng)風(fēng)缸壓力R通過(guò)減壓閥、電空轉(zhuǎn)換閥生成預(yù)控制壓力Cv1,進(jìn)入中繼閥；緊急制動(dòng)時(shí)，制動(dòng)風(fēng)缸壓力R通過(guò)空重車(chē)調(diào)整閥生成預(yù)控制壓力Cv2,再通過(guò)緊急電磁閥進(jìn)入中繼閥。

.01.電空轉(zhuǎn)換閥；.02.緊急電磁閥；.03.空重車(chē)調(diào)整閥；.04.中繼閥；.05.切換閥；.06.減壓閥;

3.1 控制原理

中繼閥具備2個(gè)預(yù)控制壓力輸入口，常用制動(dòng)通路和緊急制動(dòng)通路的預(yù)控制壓力分別進(jìn)入中繼閥的2個(gè)預(yù)控制壓力輸入口，中繼閥取兩路預(yù)控制壓力之大者控制輸出控制壓力。

空重車(chē)調(diào)整閥設(shè)置在緊急制動(dòng)預(yù)控制壓力通路，主要作用同空重車(chē)設(shè)置方式二。此種設(shè)計(jì)中，常用制動(dòng)通路預(yù)控制壓力不受空重車(chē)調(diào)整閥限制，由減壓閥限制其最高值。

3.2 工況分析

3.2.1 空氣彈簧壓力正常(Tmin≤T≤Tmax)工況

常用制動(dòng)時(shí)，由電空轉(zhuǎn)換閥控制產(chǎn)生對(duì)應(yīng)車(chē)輛載荷(T)的預(yù)控制壓力Cv1≈k·T+P0。

緊急制動(dòng)時(shí)，預(yù)控制壓力Cv1與總風(fēng)壓力相當(dāng)，此時(shí)Cv1>Cv2max，預(yù)控制壓力受空重車(chē)調(diào)整閥限制，Cv2=Cv2max=k·T+P0。

常用制動(dòng)和緊急制動(dòng)時(shí)，預(yù)控制壓力均能達(dá)到規(guī)定值。

3.2.2 空氣彈簧壓力異常(T

常用制動(dòng)時(shí)，預(yù)控制壓力Cv1≈k·Td+P0。

緊急制動(dòng)時(shí)，預(yù)控壓力Cv1與總風(fēng)壓力相當(dāng)，此時(shí)Cv1>Cv2max，預(yù)控制壓力受空重車(chē)調(diào)整閥限制，Cv2=Cv2max=Pmin。

如果車(chē)輛實(shí)際載荷高于空載時(shí)，中繼閥取兩路預(yù)控制壓力大者控制輸出控制壓力,故該空重車(chē)設(shè)置方式能達(dá)到與車(chē)重對(duì)應(yīng)的預(yù)控制壓力。

3.2.3 空氣彈簧壓力異常(T>Tmax)工況

常用制動(dòng)時(shí)，預(yù)控制壓力Cv1≈k·Td+P0。

緊急制動(dòng)時(shí)，預(yù)控制壓力Cv1與總風(fēng)壓力相當(dāng)，此時(shí)Cv1>Cv2max，預(yù)控制壓力受空重車(chē)調(diào)整閥限制，Cv2=Cv2max=k·T+P0。

由于中繼閥取兩路預(yù)控制壓力大者控制輸出控制壓力,故該空重車(chē)設(shè)置方式能達(dá)到與車(chē)重對(duì)應(yīng)的預(yù)控制壓力。

3.3 新型空重車(chē)設(shè)置方式優(yōu)點(diǎn)

(1) 本文提出的空重車(chē)設(shè)置方式中，空重車(chē)調(diào)整閥只限制緊急制動(dòng)通路的預(yù)控制壓力，常用制動(dòng)通路在各種工況下均能達(dá)到設(shè)計(jì)的預(yù)控制壓力。

(2) 緊急制動(dòng)通路預(yù)控制壓力受空重車(chē)調(diào)整閥限制，在載荷異常時(shí)(特別是T

(3) 由于采用具備雙預(yù)控的中繼閥，因此在緊急制動(dòng)時(shí)，雖然緊急制動(dòng)通路預(yù)控制壓力無(wú)法達(dá)到規(guī)定值，冗余的常用制動(dòng)通路預(yù)控制壓力可以替代達(dá)到規(guī)定值。

采用此種設(shè)計(jì)可以確保在各種工況下，車(chē)輛均能達(dá)到設(shè)計(jì)的制動(dòng)力，對(duì)于動(dòng)車(chē)組的安全制動(dòng)是有益的。

4 結(jié)論

制動(dòng)系統(tǒng)作為確保列車(chē)行駛安全的最后一道安全屏障，設(shè)計(jì)時(shí)需特別關(guān)注重要功能的冗余性和安全性。本文通過(guò)對(duì)動(dòng)車(chē)組制動(dòng)系統(tǒng)中空重車(chē)的不同設(shè)置對(duì)常用制動(dòng)和緊急制動(dòng)效果的影響分析，提出了一種新的空重車(chē)設(shè)置方式，對(duì)制動(dòng)系統(tǒng)空重車(chē)的設(shè)置具有指導(dǎo)意義。