一種新型空氣停放制動系統(tǒng)

覃立偉 李培署 陳 旭

(中車青島四方車輛研究所有限公司, 266112, 青島∥第一作者, 高級工程師)

停放制動是指在車輛停止?fàn)顟B(tài)下,為防止溜車而施加的制動方式。彈簧停放制動系統(tǒng)因其操作簡單、安全可靠、停放力大等優(yōu)點(diǎn)在動車組、城市軌道交通車輛及機(jī)車上獲得了廣泛的應(yīng)用[1-2]。但同時(shí),彈簧停放制動系統(tǒng)也具有停放制動力不穩(wěn)定、存在疲勞衰減等缺點(diǎn),且由于彈簧停放缸結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜,其會增加制動執(zhí)行裝置的質(zhì)量和體積,為設(shè)計(jì)和制造環(huán)節(jié)帶來不便。為解決上述問題,相關(guān)企業(yè)紛紛開始研究新型停放制動系統(tǒng),例如:法國Faiveley公司研制了一種采用絲杠棘輪鎖定機(jī)構(gòu)的新型停放制動執(zhí)行裝置,其具有體積小、質(zhì)量輕和停放力大等優(yōu)點(diǎn);中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司設(shè)計(jì)了一種采用絲杠棘輪實(shí)現(xiàn)制動力保持的新型停放制動裝置,其具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小等優(yōu)點(diǎn)。

本文介紹了一種由壓縮空氣施加的新型停放制動系統(tǒng),包括停放制動控制模塊和停放制動執(zhí)行裝置。所提新型空氣停放制動系統(tǒng)具有停放制動力可靈活調(diào)節(jié),停放力大小穩(wěn)定不衰減,停放制動執(zhí)行裝置結(jié)構(gòu)簡單、體積小、質(zhì)量輕等優(yōu)點(diǎn)。此外,新型空氣停放制動系統(tǒng)的接口及安裝方式均與現(xiàn)有彈簧停放制動系統(tǒng)保持一致,可與現(xiàn)有彈簧停放制動系統(tǒng)對等替換,而不改變車輛控制邏輯和司機(jī)操作習(xí)慣。本文研究可為新一代軌道交通車輛制動系統(tǒng)的研發(fā)提供理論基礎(chǔ)和工程技術(shù)指導(dǎo)。

1 彈簧停放制動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成及功能原理

城市軌道交通車輛的制動系統(tǒng)包含制動控制裝置和基礎(chǔ)制動裝置。制動控制裝置由行車制動控制模塊和停放制動控制模塊兩部分組成。基礎(chǔ)制動裝置包括行車制動裝置和停放制動裝置,行車制動裝置負(fù)責(zé)日常的行車制動、行車緩解,停放制動裝置負(fù)責(zé)駐車時(shí)的停放制動、停放緩解。行車制動裝置可單獨(dú)工作,停放制動裝置通常和行車制動裝置組合出現(xiàn),稱為復(fù)合制動裝置。制動缸為復(fù)合制動裝置中的行車制動驅(qū)動機(jī)構(gòu),停放缸為復(fù)合制動裝置中的停放制動驅(qū)動機(jī)構(gòu)。根據(jù)功能劃分,將制動系統(tǒng)中負(fù)責(zé)停放制動、緩解功能的部分稱為停放制動系統(tǒng),包括停放制動控制模塊和停放復(fù)合制動裝置。彈簧停放制動系統(tǒng),即為停放制動原動力由彈簧施加的停放制動系統(tǒng)。

彈簧停放制動系統(tǒng)如圖1所示。在停放制動控制模塊輸出口和行車制動控制模塊輸出口之間設(shè)置雙向閥,雙向閥出口接停放風(fēng)管以控制停放缸,雙向閥可用于防止停放制動和行車制動疊加施加。停放制動系統(tǒng)的工作原理為:停放控制模塊向停放缸充入額定值的壓縮空氣,緩解停放制動;排出壓縮空氣,施加停放制動;在特定情況下,也可通過機(jī)械裝置人工緩解停放制動。彈簧停放復(fù)合制動裝置的3種工作狀態(tài)如圖2所示。

a) 行車制動狀態(tài)

2 彈簧停放制動系統(tǒng)特性分析

停放制動力的大小、停放制動力的一致性、停放制動力的穩(wěn)定性和停放手動緩解拉力大小等指標(biāo)為停放制動系統(tǒng)的重要參數(shù)。影響停放制動力的變量為活塞行程、彈簧剛度和停放彈簧力,其中彈簧剛度屬于彈簧機(jī)械特性。隨著彈簧動作次數(shù)的增加,彈簧剛度和停放彈簧力會發(fā)生疲勞衰減。活塞行程的影響因素包括緩解間隙、彈性變形、襯套磨損及制動倍率。

彈簧停放復(fù)合制動裝置控制動作邏輯框圖如圖3所示。由彈簧施加停放制動力,制動缸和停放缸動作相互獨(dú)立,這種獨(dú)立結(jié)構(gòu)使得彈簧停放制動系統(tǒng)存在幾個問題:①停放制動力和行車制動力可疊加作用在制動盤或車輪踏面上,容易導(dǎo)致制動力超過輪軌黏著力而引發(fā)滑行;②在車輛運(yùn)行過程中,若停放缸內(nèi)的壓縮空氣發(fā)生泄漏,停放制動力便直接施加在車輪上,這會導(dǎo)致車輛帶閘運(yùn)行,易引發(fā)嚴(yán)重事故;③彈簧力大小存在個體差異,影響停放制動力的一致性,且停放制動力隨著彈簧的疲勞衰減而減小,需要定期檢修更換彈簧,以保持停放力始終滿足要求;④停放彈簧制造難度大且成本高,彈簧停放復(fù)合制動裝置具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積大、擠占轉(zhuǎn)向架空間等缺點(diǎn),其質(zhì)量也較大,不利于系統(tǒng)輕量化設(shè)計(jì)。

圖3 彈簧停放復(fù)合制動裝置控制動作邏輯框圖

3 空氣停放制動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成和功能原理

為解決彈簧停放制動系統(tǒng)現(xiàn)有的問題,本文提出一種制動缸和停放缸聯(lián)動工作的新型空氣停放制動系統(tǒng),制動缸施加制動力,停放缸對制動力進(jìn)行鎖定,從而保持停放制動力。新型空氣停放制動系統(tǒng)如圖4所示。

a) 緩解狀態(tài)

新型空氣停放制動系統(tǒng)的控制模塊氣路分為兩路,Ⅰ路為制動缸控制氣路,Ⅱ路為停放缸控制氣路。Ⅰ路由總風(fēng)管壓縮空氣經(jīng)減壓閥、單向閥、儲風(fēng)缸進(jìn)入停放閥1口,1口與3口對應(yīng),3口與制動風(fēng)管連通,制動風(fēng)管經(jīng)過雙向閥接入制動缸進(jìn)風(fēng)口A。Ⅱ路總風(fēng)管壓縮空氣經(jīng)減壓閥、節(jié)流閥進(jìn)入停放閥2口,2口與4口對應(yīng),4口與停放風(fēng)管連通,停放風(fēng)管接入停放缸進(jìn)風(fēng)口B。停放閥5口通大氣壓,在不同位置時(shí),其分別與3口和4口連通,可分別將制動風(fēng)管和停放風(fēng)管通大氣壓。停放閥有3種控制方式:電磁控制、手動按鈕控制和先導(dǎo)壓力控制。前兩種控制方式與現(xiàn)有彈簧停放制動系統(tǒng)的控制方式相同,先導(dǎo)壓力控制用于總風(fēng)壓力意外降低情況下自動施加制動,是一種冗余安全措施。

新型空氣停放制動系統(tǒng)的3種工作狀態(tài)為:

1) 停放充氣緩解:氣路Ⅱ保持導(dǎo)通狀態(tài),停放缸處于解鎖位(見圖4 a))。此時(shí),制動缸可正常充氣、排氣,實(shí)現(xiàn)行車制動與緩解功能。

2) 停放制動:氣路Ⅱ截?cái)?停放缸通大氣壓,停放缸處于鎖定位,控制制動缸活塞只能單向運(yùn)動,即只能制動不能緩解。同時(shí),氣路Ⅰ導(dǎo)通,儲風(fēng)缸內(nèi)的壓縮空氣被充入制動缸施加停放制動(見圖4 b))。

3) 停放手動緩解:通過截?cái)嗳T排出制動缸內(nèi)的壓縮空氣,然后操作手動緩解裝置使停放缸處于解鎖位置,釋放制動缸活塞,停放制動緩解(見圖4 c))。在手動緩解狀態(tài)下,制動缸的行車制動、緩解功能正常。當(dāng)列車在無電、無風(fēng)、被救援的情況下,無法通過壓縮空氣使停放缸保持在解鎖位,而經(jīng)過特殊設(shè)計(jì)的手緩裝置可以保持停放缸處于解鎖位置,使制動活塞恢復(fù)行車制動、緩解功能。

手緩裝置的結(jié)構(gòu)示意圖如圖5所示,其C口和停放缸進(jìn)風(fēng)口B連通。手緩裝置具有充氣緩解、停放制動、手動緩解3種工作位置,如圖6所示。手緩裝置的3種工作位置分別與停放缸的3種工作位置對應(yīng):①充氣緩解狀態(tài)——壓縮空氣推動緩解活塞2,同時(shí)推動手緩楔8,使?jié)L動軸承6位于手緩楔8的斜面頂端,帶動手緩拉桿7處于釋放位置。②停放制動狀態(tài)——壓縮空氣排出,復(fù)位彈簧9推動手緩楔8復(fù)位,滾動軸承6沿斜面向下運(yùn)動,帶動手緩拉桿7處于鎖定位置,制動缸活塞只能進(jìn)行制動動作,無法緩解,從而實(shí)現(xiàn)停放制動。③手動緩解狀態(tài)——手動拉動手緩楔8,使?jié)L動軸承6沿斜面向上運(yùn)動,帶動手緩拉桿7處于釋放位置,制動缸活塞被釋放,可施加行車制動和緩解動作。此時(shí),鎖定活塞4,將鋼球5推出并落在手緩缸體1的臺階上,阻止手緩楔8復(fù)位,手緩裝置保持在手動緩解位置。當(dāng)再次向手緩裝置充入壓縮空氣時(shí),推動鎖定活塞4復(fù)位,鋼球5退回,手緩楔8被釋放。

注:1—手緩缸體;2—緩解活塞;3—鎖定彈簧;4—鎖定活塞;5—鋼球;6—滾動軸承;7—手緩拉桿;8—手緩楔;9—復(fù)位彈簧;10—拉桿復(fù)位彈簧;C為手緩進(jìn)風(fēng)口。

a) 充氣緩解

4 新型空氣停放制動系統(tǒng)特性分析

新型空氣停放制動系統(tǒng)與彈簧停放制動系統(tǒng)的最大差異在于停放復(fù)合制動裝置的動作邏輯差異?？諝馔７艔?fù)合制動裝置將停放缸和制動缸功能重構(gòu),使其不再獨(dú)立工作,通過相互協(xié)作完成制動和緩解動作。制動缸作為驅(qū)動機(jī)構(gòu),提供行車制動和停放制動所需的制動力;停放缸作為控制機(jī)構(gòu),通過狀態(tài)切換完成行車制動和停放制動模式的轉(zhuǎn)換。

空氣停放復(fù)合制動裝置動作邏輯框圖如圖7所示。由圖7可知:當(dāng)停放缸處于解鎖狀態(tài)時(shí),制動缸處于行車制動模式;當(dāng)停放缸處于鎖定狀態(tài)時(shí),制動缸處于停放制動模式。新型空氣停放制動系統(tǒng)的主要特點(diǎn)為:①行車制動和停放制動具有統(tǒng)一的驅(qū)動機(jī)構(gòu),從結(jié)構(gòu)上避免了行車制動力和停放制動力疊加的問題;②新型空氣停放制動系統(tǒng)的停放制動力由壓縮空氣提供,停放制動力大小由空氣壓力決定,避免了停放力大小不足、波動、疲勞衰減等問題;③停放制動力由制動缸施加,即使發(fā)生停放缸意外泄漏的情況也不會導(dǎo)致停放制動直接施加,提高了制動系統(tǒng)的安全性;④空氣停放復(fù)合制動裝置簡化了復(fù)合制動裝置的結(jié)構(gòu),減輕了復(fù)合制動裝置的體積和質(zhì)量,有利于產(chǎn)品的輕量化和小型化設(shè)計(jì)。

圖7 空氣停放復(fù)合制動裝置動作邏輯框圖

5 結(jié)語

本文分析了彈簧停放制動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成和工作原理,總結(jié)了彈簧停放制動系統(tǒng)的現(xiàn)有問題及其產(chǎn)生原因。為解決現(xiàn)有彈簧停放制動系統(tǒng)的問題,本文提出一種新型空氣停放制動系統(tǒng),詳細(xì)介

紹了其結(jié)構(gòu)組成和功能原理。新型空氣停放制動系統(tǒng)解決了彈簧停放制動系統(tǒng)制動力疊加、停放力不足、停放力波動、停放力疲勞衰減、停放制動裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜、裝置體積大和質(zhì)量大等問題。該系統(tǒng)對提高軌道交通車輛制動系統(tǒng)的安全性、可靠性具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。