軌道車(chē)輛用中繼閥壓差與供風(fēng)壓力、預(yù)控壓力的關(guān)系研究

郭宗斌，張振超，郗開(kāi)沖，李培署

(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)

制動(dòng)系統(tǒng)是軌道車(chē)輛的核心系統(tǒng)，其可靠性直接影響車(chē)輛運(yùn)行安全[1-2]。中繼閥是車(chē)輛制動(dòng)系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，其性能好壞直接影響制動(dòng)系統(tǒng)的性能。中繼閥的作用是根據(jù)不同預(yù)控壓力產(chǎn)生不同的大流量輸出壓力，實(shí)現(xiàn)制動(dòng)力的快速準(zhǔn)確控制。中繼閥的壓差為輸出壓力與預(yù)控壓力之間的差值，意為中繼閥輸出壓力與預(yù)控壓力的跟隨性，是中繼閥的一項(xiàng)重要性能指標(biāo)，在一定程度上代表著中繼閥的品質(zhì)[3]。

軌道車(chē)輛用中繼閥結(jié)構(gòu)形式較多，壓差水平也不盡相同。中繼閥壓差越小，說(shuō)明其輸出壓力與預(yù)控壓力越接近，在某種意義上代表其組成的制動(dòng)系統(tǒng)所輸出的制動(dòng)壓力越接近目標(biāo)值，最終產(chǎn)生的制動(dòng)力越精準(zhǔn)；反之，中繼閥壓差越大，最終產(chǎn)生的制動(dòng)力與目標(biāo)值偏差越大[4]。

中繼閥機(jī)械結(jié)構(gòu)形式不同決定了其壓差特性的不同，對(duì)于已定型結(jié)構(gòu)的中繼閥，其壓差可能受供風(fēng)壓力和預(yù)控壓力影響。本文對(duì)此影響關(guān)系進(jìn)行了研究，并給出了選型建議。

1 典型結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 結(jié)構(gòu)組成

軌道車(chē)輛用中繼閥有多種結(jié)構(gòu)形式，圖1為2種典型結(jié)構(gòu)中繼閥的結(jié)構(gòu)示意圖，分別將其命名為A型中繼閥和B型中繼閥。中繼閥主要由閥體、閥座、閥桿、活塞、膜板、彈簧、密封件等部件組成，閥內(nèi)各部件通過(guò)一定的裝配關(guān)系集成在閥體內(nèi)部，并根據(jù)各腔室壓力大小產(chǎn)生相應(yīng)動(dòng)作[5]。2種結(jié)構(gòu)中繼閥均設(shè)有4個(gè)對(duì)外氣路接口，分別為輸入口、預(yù)控口、輸出口和排氣口[6]。

圖1 中繼閥結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 工作原理

2種結(jié)構(gòu)中繼閥工作原理基本一致。如圖1所示，預(yù)控壓力通過(guò)預(yù)控口進(jìn)入膜板下腔室，推動(dòng)活塞向上移動(dòng)，活塞向上推動(dòng)閥桿，切斷輸出口與排氣口的通路，供風(fēng)閥口密封件離開(kāi)閥座，打開(kāi)輸入口到輸出口的通路，輸入口向輸出口管路充氣。當(dāng)輸出口壓力上升到一定值時(shí)，閥桿隨活塞向下移動(dòng)，供風(fēng)閥口密封件重新貼靠到閥座上，此時(shí)輸入口與輸出口、輸出口與排氣口之間的通路均被切斷，各部件處于平衡狀態(tài)。如果預(yù)控壓力再次升高，則活塞又推動(dòng)閥桿向上移動(dòng)，再次打開(kāi)輸入口與輸出口的通路，輸入口又向輸出口充氣，直至供風(fēng)閥口密封件貼靠到閥座上，達(dá)到平衡狀態(tài)。

如果預(yù)控壓力下降，則活塞向下移動(dòng)，排氣閥口密封件脫離閥桿，打開(kāi)輸出口與排氣口的通路，輸出口排出部分壓縮空氣，輸出口壓力下降到一定值時(shí)，活塞在預(yù)控壓力的作用下向上移動(dòng)，排氣閥口密封件貼靠上閥桿，此時(shí)輸入口與輸出口、輸出口與排氣口之間的通路均被切斷，各部件處于平衡狀態(tài)。完全緩解時(shí)，預(yù)控壓力降為0，活塞在輸出口壓力作用下移動(dòng)至下部，打開(kāi)輸出口與排氣口的通路，輸出口的壓縮空氣排到大氣，輸出口壓力降為0[7]。

2 試驗(yàn)研究

中繼閥工作時(shí)，輸入口通入供風(fēng)壓力以滿(mǎn)足用風(fēng)需求，預(yù)控口通入預(yù)控壓力以驅(qū)動(dòng)閥內(nèi)部件產(chǎn)生相應(yīng)動(dòng)作，產(chǎn)生輸出壓力通過(guò)輸出口流向下游部件[8]。中繼閥供風(fēng)壓力并不是固定不變的，而是維持在一定范圍內(nèi)，一般為750～900 kPa。中繼閥預(yù)控壓力與控制需求有關(guān)，不同的控制需求中繼閥會(huì)接收到不同的預(yù)控壓力，一般為0～600 kPa，從而產(chǎn)生的輸出壓力也隨之不同。

現(xiàn)對(duì)2種結(jié)構(gòu)中繼閥分別在不同供風(fēng)壓力、不同預(yù)控壓力下的壓差進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試，試驗(yàn)原理見(jiàn)圖2，試驗(yàn)管路通徑為18 mm，壓力表精度為1 kPa。供風(fēng)壓力和預(yù)控壓力分別通過(guò)調(diào)壓閥1和調(diào)壓閥2調(diào)節(jié)，各管路壓力穩(wěn)定后，通過(guò)壓力表1、壓力表2和壓力表3分別讀取供風(fēng)壓力、預(yù)控壓力和輸出壓力，并記錄數(shù)據(jù)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表1。其中，壓差為預(yù)控壓力與輸出壓力的差值(本文定義為代數(shù)值)。

圖2 中繼閥壓差試驗(yàn)原理圖

表1 中繼閥壓差試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì) kPa

基于表1試驗(yàn)數(shù)據(jù)，在不同預(yù)控壓力下，2種結(jié)構(gòu)中繼閥壓差與供風(fēng)壓力的關(guān)系曲線(xiàn)如圖3所示；在不同供風(fēng)壓力下，2種結(jié)構(gòu)中繼閥壓差與預(yù)控壓力的關(guān)系曲線(xiàn)如圖4所示。

注：圖中“A-100”、“B-100”分別表示A型、B型中繼閥-預(yù)控壓力100 kPa。

注：圖中“A-700”、“B-700”分別表示A型、B型中繼閥-供風(fēng)壓力700 kPa。

由上述曲線(xiàn)可看出：

(1) A型中繼閥壓差與供風(fēng)壓力關(guān)系較大，同等預(yù)控壓力下，壓差與供風(fēng)壓力成正比，即供風(fēng)壓力越高，壓差越大；

(2) A型中繼閥壓差與預(yù)控壓力關(guān)系較大，同等供風(fēng)壓力下，壓差與預(yù)控壓力成反比，即預(yù)控壓力越高，壓差越?。?/p>

(3) 預(yù)控壓力一般大于輸出壓力，但在某些條件下，A型中繼閥輸出壓力會(huì)反超預(yù)控壓力，即輸出壓力大于預(yù)控壓力；

(4) B型中繼閥壓差與供風(fēng)壓力、預(yù)控壓力無(wú)明顯關(guān)系，壓差基本不受二者影響。

3 力學(xué)分析

為分析上述現(xiàn)象產(chǎn)生的原因，現(xiàn)對(duì)中繼閥進(jìn)行力學(xué)分析。中繼閥動(dòng)作后達(dá)到平衡狀態(tài)，閥內(nèi)各部件滿(mǎn)足力學(xué)平衡原理。由圖1可知，供風(fēng)壓力作用在閥桿上，而閥桿同時(shí)又受到輸出壓力的作用，活塞兩側(cè)也分別受到預(yù)控壓力和輸出壓力的作用，加之彈簧力、阻力等因素共同作用，各部件達(dá)到平衡狀態(tài)。針對(duì)2種結(jié)構(gòu)中繼閥，分別對(duì)閥桿活塞整體、閥桿、活塞進(jìn)行受力分析。

3.1 A型中繼閥

圖5為A型中繼閥的受力分析圖。

對(duì)于A型中繼閥，根據(jù)閥桿平衡狀態(tài)時(shí)的受力分析，可列出如下的平衡方程：

(1)

圖5 A型中繼閥受力分析

閥桿與活塞之間通過(guò)密封壓緊力F5進(jìn)行力學(xué)銜接，對(duì)公式(1)變形如下：

(2)

根據(jù)活塞平衡狀態(tài)時(shí)的受力分析，可列出如下平衡方程：

(3)

為便于研究預(yù)控壓力P2和輸出壓力P3差值，將公式(2)代入公式(3)并對(duì)公式(3)變形如下：

(4)

3.2 B型中繼閥

圖6為B型中繼閥的受力分析圖。

圖6 B型中繼閥受力分析

對(duì)于B型中繼閥，根據(jù)閥桿平衡狀態(tài)時(shí)的受力分析，可列出如下的平衡方程：

(5)

閥桿與活塞之間通過(guò)密封壓緊力F5進(jìn)行力學(xué)銜接，對(duì)公式(5)變形如下：

(6)

根據(jù)活塞平衡狀態(tài)時(shí)的受力分析，可列出如下平衡方程：

(7)

為便于研究預(yù)控壓力P2和輸出壓力P3差值，將公式(6)代入公式(7)并對(duì)公式(7)變形如下：

(8)

4 原因分析

4.1 受供風(fēng)壓力影響分析

對(duì)于A型中繼閥，d1與d2大小存在差異，故A型中繼閥供風(fēng)壓力P1會(huì)對(duì)閥桿產(chǎn)生一定附加力，對(duì)壓差產(chǎn)生影響，且由公式(4)可知，在其他條件不變的情況下，供風(fēng)壓力P1越高，壓差越大；而對(duì)于B型中繼閥，d5與d6大小幾乎相等，故B型中繼閥供風(fēng)壓力P1基本不會(huì)對(duì)閥桿產(chǎn)生附加力且不會(huì)對(duì)壓差產(chǎn)生影響。

4.2 受預(yù)控壓力影響分析

中繼閥達(dá)到平衡狀態(tài)時(shí)，由公式(4)、公式(8)可知，預(yù)控壓力P2和輸出壓力P3通過(guò)各自作用面積產(chǎn)生作用力參與平衡計(jì)算，若兩者作用面積不同，則對(duì)壓差一致性產(chǎn)生影響。

對(duì)于A型中繼閥，d3顯然遠(yuǎn)大于0，即P2與P3的作用面積存在差異，故A型中繼閥預(yù)控壓力P2會(huì)對(duì)壓差產(chǎn)生影響，且預(yù)控壓力P2越高，壓差越?。欢鴮?duì)于B型中繼閥，d7與d9基本相等，即P2與P3的作用面積差異較小，故B型中繼閥預(yù)控壓力P2基本不會(huì)對(duì)壓差產(chǎn)生影響。

5 建議

中繼閥本身機(jī)械結(jié)構(gòu)決定了其壓差無(wú)法完全消除，且壓差特點(diǎn)也因中繼閥結(jié)構(gòu)不同而有差異。結(jié)合上述分析，提出以下建議。

(1) 針對(duì)制動(dòng)控制系統(tǒng)采用預(yù)控壓力進(jìn)行閉環(huán)控制，且以獲得輸出壓力為目的的場(chǎng)合：

1)對(duì)于供風(fēng)壓力波動(dòng)范圍較大的，建議采用B型中繼閥；若采用A型中繼閥，因其壓差隨供風(fēng)壓力不同而變化，則需考慮在不同供風(fēng)壓力段對(duì)輸出壓力進(jìn)行校正；

2)對(duì)于預(yù)控壓力有多個(gè)級(jí)別或無(wú)級(jí)連續(xù)變化的，建議采用B型中繼閥；若采用A型中繼閥，因其壓差隨預(yù)控壓力、輸出壓力不同而變化，則需考慮在不同預(yù)控壓力段對(duì)輸出壓力進(jìn)行校正。

綜上，若在此種場(chǎng)合采用A型中繼閥，要獲得滿(mǎn)足要求的輸出壓力，則需考慮的校正修正措施較多，控制方法復(fù)雜，且中繼閥存在一定的個(gè)體差異，一套控制方法很難涵蓋全部個(gè)體閥，故建議在此種場(chǎng)合采用B型中繼閥。

(2) 針對(duì)制動(dòng)控制系統(tǒng)采用輸出壓力進(jìn)行閉環(huán)控制，且以獲得輸出壓力為目的的場(chǎng)合，不管供風(fēng)壓力、預(yù)控壓力如何波動(dòng)或變化，2種結(jié)構(gòu)中繼閥均可選用。