趙 陽，魏 偉

(大連交通大學載運工具先進技術重點實驗室，遼寧大連 116028)

120型空氣控制閥是吸收國內(nèi)外先進制動技術，并結合我國實際情況研制而成的新型重載列車分配閥.120型空氣控制閥是現(xiàn)階段我國鐵路貨車上使用的主型閥，其制動、緩解特性對貨運線路的作業(yè)效率及運行安全都有很大的影響［1］。為了獲得更好的制動系統(tǒng)特性，優(yōu)化制動系統(tǒng)功能，有必要詳細研究120閥各種參數(shù)對制動緩解特性的影響。本文研究120閥的部分孔徑參數(shù)對列車制動緩解特性的影響，以期對優(yōu)化分配閥和開發(fā)新分配閥起到借鑒作用。

對120閥的定性分析，可以確定改變120閥的各孔徑對其制動、緩解特性影響的趨勢，但是很難定量分析其影響的程度。120閥列車制動系統(tǒng)仿真系統(tǒng)是根據(jù)氣體流動理論和分配閥工作原理建立的列車空氣制動仿真系統(tǒng)模型。該仿真系統(tǒng)通過計算每時刻氣體狀態(tài)，機車閥、車輛閥內(nèi)移動部件狀態(tài)和通路，各缸室氣體流量，從而獲得制動系統(tǒng)的動態(tài)特征。通過仿真結果與試驗結果的對比表明，仿真得到的列車管、制動缸、副風缸加緩風缸等空氣壓力隨時間的變化與試驗結果非常接近［2－4］，說明基于氣體流動理論的空氣制動仿真系統(tǒng)能夠很好的模擬制動系統(tǒng)中氣體流動和閥內(nèi)動作過程。該軟件可以改變閥的各個參數(shù)以分析各參數(shù)對制動系統(tǒng)性能的影響。因此，該軟件為120閥的定量分析提供了很好的平臺，可以應用于新閥的開發(fā)和舊閥的改造工作中。

120閥自推廣以來，顯示出優(yōu)良的性能，但是在運用和實踐中也暴露出一些如制動閥、緩解閥故障的現(xiàn)象［5－6］。而緊急閥III孔、局減閥上的局減孔、加緩風缸向列車管充氣孔是120閥中重要的孔徑并且對列車的制動緩解特性具有明顯的影響［7］，因此分別對上述3孔進行討論，以得到各自的規(guī)律，解決分配閥在運用過程中暴露的問題。

1 仿真系統(tǒng)基本原理

空氣制動系統(tǒng)根據(jù)其流動特點，可以將制動系統(tǒng)分為管路系統(tǒng)和缸系統(tǒng)。管路系統(tǒng)重點研究其流動特性;缸系統(tǒng)主要有2類缸，一類是容積可變的缸，如制動缸，另一類是容積固定的缸，如副風缸、加速緩解風缸等，缸內(nèi)研究重點是穩(wěn)定壓力。因此對于管路和缸分別作如下假定。對于管路，假設管路系統(tǒng)內(nèi)氣體流動是一維流動，考慮到管路內(nèi)氣體可能和外部有熱交換，管內(nèi)壁有摩擦，管路面積可變及氣體熵可變。根據(jù)氣體流動的連續(xù)性、動量守恒和能量守恒得到如下方程［2］:

式中:ρ，u，p，a，k，D，F(xiàn)，q，x，t分別為氣體密度、流速、壓力、聲速、比熱比、管路直徑、管截面積、傳熱率、距離和時間。

對于固定容積缸內(nèi)壓力的計算，引入定容積開口系統(tǒng)熱力學第一定律。方程如下:

2 分配閥內(nèi)孔徑對制動特性的影響

為了計算具有典型性，在仿真計算時，選取的重載列車編組方案為:一輛HXd1機車牽引一百輛C80型貨車(軸重25 t);首車列車管初始壓力600 kPa(相對壓力)，末車列車管初始壓力580 kPa。

2.1 緊急閥III孔徑的影響

緊急閥III孔為緊急活塞桿的限孔，緊急閥的緊急活塞上方的緊急室壓力空氣先經(jīng)此孔向列車制動管逆流，常用制動時，此孔上下壓力差小，孔徑相對較大，不足以在緊急活塞上產(chǎn)生緊急制動需要的作用力。當緊急制動時緊急活塞兩側形成足以壓縮安定彈簧的壓力差時，緊急活塞下移，下移量為3 mm時，緊急活塞桿的下端面與先導閥頂桿接觸并克服先導閥彈簧的阻力，通過先導閥頂桿向下頂開先導閥，于是，列車制動管壓力空氣經(jīng)開啟的先導閥口、放風閥桿的徑向孔排入大氣。

對120閥緊急部結構的定性分析可知，緊急閥III孔徑減小，緊急靈敏度將提高，反之緊急靈敏度降低，但是該孔徑的大小只能在較小的范圍內(nèi)變化，當該孔徑過大時，將使緊急制動不能正常發(fā)生，而該孔徑過小時，在常用制動時可能發(fā)生意外緊急制動。目前，該孔徑大小對緊急靈敏度影響的定量分析和對其他緊急制動性能影響的定量分析還沒有研究結論。本文使用仿真系統(tǒng)來定量分析緊急閥III孔徑對緊急制動特性的影響。

在120閥中，該孔徑的標準大小為2.5 mm，在仿真時分別修改該孔徑為2.4 mm和2.6 mm，進行仿真計算。圖1是緊急閥III孔徑在2種孔徑情況下首(第1輛車)、中(第50輛車)、末車(第100輛車)的列車管壓力變化曲線。從列車管曲線看，該孔徑大小對中、末車的列車管開始排氣時間有較為明顯的影響:中車在該孔徑為2.6 mm時，3.8 s列車管開始排氣，而該孔徑為2.4 mm時，2.9 s列車管開始排氣;末車在該孔徑為2.6 mm 時，6.6 s開始排氣，而該孔徑為2.4 mm 時，5.5 s開始排氣。

圖1 緊急閥III孔徑對列車管壓力的影響Fig.1 The effect of emergency valve III hole on the train pipe pressure

該孔徑的大小在影響列車管開始排氣時間的同時對列車管的排氣速度也有明顯的影響。由圖可知，增大該孔徑后，末車在剛開始減壓時速度較慢，之后才進入緊急制動的狀態(tài)，從而導致列車管的排氣速度較慢。在該孔徑為2.6 mm時，末車列車管開始減壓到壓力為0用時2.9 s，而該孔徑為2.4 mm 時，該過程只用了1.1 s，減小該孔徑明顯提高了列車管的排氣速度。

從圖2的制動缸曲線可以看出，緊急閥III孔的孔徑增大后，中、末車的制動缸升壓開始時間明顯滯后，并且剛開始升壓時速度較慢，這是由于該孔徑增大后，緊急活塞上下的壓力差增大的速度較慢，導致先導閥打開的時間滯后，先導閥打開之后才發(fā)生緊急制動。如果緊急閥III孔過小，在常用制動時就會發(fā)生緊急作用，如圖3中就是該孔徑減小到2.2 mm時，常用制動發(fā)生緊急作用的列車管和制動缸曲線。

孔徑對緊急制動波速有明顯影響，表1是在緊急閥III內(nèi)孔徑不相同時的緊急制動波速。

圖2 緊急閥III孔徑對制動缸壓力的影響Fig.2 The effect of emergency valve III hole on the brake cylinder pressure

圖3 緊急閥III孔徑為2.2mm時常用全制動的列車管壓力曲線與制動缸壓力曲線Fig.3 The curve of the train pipe pressure and the brake cylinder pressure as full service as emergency valve III hole equal 2.2 mm

表1 緊急閥III內(nèi)孔徑對緊急制動波速的影響Table 1 The size of emergency valve III hole effect the emergency braking propagation speed

從表1的仿真結果看，緊急閥III內(nèi)孔徑的大小對緊急波速影響非常明顯，孔徑越小，制動波速越快。盡管緊急閥III內(nèi)孔徑減小可以提高緊急波速，但是過小的緊急閥III孔徑，將使常用制動發(fā)生緊急作用，從而導致制動故障。通過多次仿真計算后發(fā)現(xiàn)，當緊急閥III內(nèi)孔徑的大小為2.2 mm時，在常用全制動時先導閥已經(jīng)打開，常用全制動時會發(fā)生以外緊急制動。而當孔徑不斷增大時，緊急制動也將不能發(fā)生，仿真計算發(fā)現(xiàn)，當緊急閥III內(nèi)孔徑為2.8 mm時，先導閥未打開，已經(jīng)不發(fā)生緊急制動。

通過仿真計算發(fā)現(xiàn)，緊急閥III內(nèi)孔徑在2.3～2.7 mm范圍內(nèi)能夠保證在常用制動時不發(fā)生緊急作用，同時緊急作用也能正常發(fā)生。緊急閥III內(nèi)孔徑的大小在影響制動波速的同時，也將直接影響緊急制動停車時間和制動距離，以100輛編組，初速度70 km/h列車為例，在緊急制動時，制動時間及制動距離見表2。緊急閥III孔徑在有效緊急制動作用發(fā)生范圍內(nèi)發(fā)生緊急制動，該孔徑越大，制動波速越慢，停車時間越長。在該孔以原孔徑為基準增加到2.65 mm時，制動距離約增加15.01 m，延長了約3.0%。

表2 緊急閥III孔徑對緊急制動時間及制動距離的影響Table 2 The effect of emergency valve III hole on the time of emergency braking and the stop distance

2.2 局減閥孔徑大小對常用制動的影響

局部減壓的作用是在常用制動時，加速列車管局部減壓作用，目的是加速常用制動作用傳遞速度。局減閥開放后，位于局減閥套中部沿圓周均布的8個孔與滑閥座相通，第2階段局部減壓開始，列車制動管壓力空氣經(jīng)過局減閥套上的8個徑向小孔充入制動缸。

局減閥套上的8個徑向小孔的內(nèi)孔徑的標準大小為1 mm，將小孔改為0.5 mm及1.5 mm后進行減壓100 kPa的仿真實驗。

圖4 局減閥孔對列車管壓力的影響Fig.4 The effect of the local reduction valve hole on the train pipe pressure

圖4是局減閥孔徑為0.5 mm及1.5 mm時的列車管減壓曲線，隨著孔徑的增大，首、中、末車列車管減壓速度隨之加快，尤其以中車和末車最為明顯。中車減壓到520 kPa時，孔徑為0.5 mm時耗時33 s，而孔徑為1.5 mm時耗時28 s，耗時減少5 s，減少了15.2%;末車減壓到520 kPa時，孔徑為0.5 mm 時耗時35 s，而孔徑為1.5 mm 時耗時30 s，耗時減少5 s，減少了14.3%。

圖5 局減閥孔對制動缸壓力的影響Fig.5 The effect of the local reduction valve hole on the brake cylinder pressure

圖5是兩種局減孔時的制動缸壓力曲線，從曲線可知局減孔孔徑對制動缸壓力影響非常明顯，其影響主要有兩點，其一是制動缸開始充氣時間，隨局減孔的增加而提前;其二是制動缸壓力上升速度，隨著局減孔的增加而增大。以0.5 mm孔徑為基準，1.5 mm孔徑時末車制動缸開始動作時間縮短4 s，縮短了36.4%，末車制動缸達到平衡壓力的時間縮短11 s，縮短了19.3%。

圖6 局減閥孔徑對制動波速的影響Fig.6 The effect of the local reduction valve hole on the braking propagation speed

局減主要影響常用制動特性，因此觀察常用制動時制動波速的變化非常必要。圖6是局減閥孔徑對制動波速的影響。

圖6為列車管減壓100 kPa時，制動波速隨局減閥內(nèi)孔徑變化的曲線。由圖可知，局減閥套上的8個徑向小孔內(nèi)孔徑越大，常用制動波速越快。該孔徑從0.5 mm增加到1.5 mm常用制動波速約增加 112.4 m/s，增大了 77.4%。

2.3 加緩風缸向列車管充氣孔的大小對緩解的影響

在列車管減壓制動之后進入緩解過程時，120閥主活塞下移到緩解位，此時車輛制動缸開始緩解。準備排入大氣的制動缸壓力空氣，先作為壓力信號被引到加速緩解膜板處，使加速緩解閥產(chǎn)生動作，從而加緩風缸向列車管充氣孔與列車管形成通路，使本車加速緩解風缸的壓力空氣，通過加緩風缸向列車管充氣孔充入列車管。列車管除了有來自機車供風系統(tǒng)的壓力空氣之外，還有來自本車加速緩解風缸的壓力空氣充入，從而起到了加速緩解的作用。

加緩風缸向列車管充氣孔的標準大小為1.0 mm，在改變該孔徑大小的情況下進行減壓100 kPa之后進行緩解的仿真實驗。

2.3.1 列車管壓力

改變加緩風缸向列車管充氣孔大小后的首、中、末車列車管壓力曲線見圖7。由圖可知，增大加緩風缸向列車管充氣孔的大小在緩解過程中使末車的列車管增壓曲線的尖峰提前發(fā)生，并且尖峰值明顯加大，說明加速緩解風缸向列車管補風能力隨著孔徑增加而加強，孔徑為1.5 mm時比0.5 mm時的發(fā)生時間提前了6.5 s。

圖7 加緩風缸向列車管充氣孔對列車管壓力的影響Fig.7 The effect of acceleration release cylinder to the train pipe＇hole on train pipe pressure

圖8 加緩風缸向列車管充氣孔對制動缸壓力的影響Fig.8 The effect of the acceleration release cylinder to the train pipe＇hole on the brake cylinder pressure

2.3.2 制動缸壓力及緩解波速

由圖8可知，增大加緩風缸向列車管充氣孔的大小，制動缸壓力開始下降的時間有所提前，以圖中孔徑為0.5 mm和1.5 mm為例，孔徑為1.5 mm時，比孔徑為0.5 mm時，末車的制動缸壓力開始下降的時間提前了5 s。制動缸壓力開始下降的時間提前意味著緩解波速有所提高。

從120閥的結構及原理上分析，當作用部處于充氣緩解位時，加緩風缸向列車管充氣孔越大，緩解波速越快。在減壓100 kPa之后進行緩解，加緩風缸向列車管充氣孔對緩解波速的影響見表3。

表3 加緩風缸向列車管充氣孔對緩解波速的影響Table 3 The effect of the acceleration release cylinder to the train pipe＇hole on the release propagation speed

由表3可見，隨著加緩風缸向列車管充氣孔由0.5mm 增大到1.5mm，緩解波速隨之增大74.8m/s，增大了 53.1%。

2.3.3 小減壓量制動后的緩解波速

研究和試驗表明，在緩解波速較慢時，往往會發(fā)生列車的最大縱向力，這主要是由于緩解波速較慢產(chǎn)生的縱向沖動引起的。因此，提高緩解波速可以減小列車的縱向力。通過上面分析可知，增大加緩風缸向列車管充氣孔的大小，可以提高緩解波速。由于在小減壓量制動后，機車供風系統(tǒng)與列車管的空氣勢能差較小，從而導致在小減壓量時的緩解波速較慢，現(xiàn)以減壓50 kPa為例來研究加速緩解風缸向列車管充氣孔孔徑的大小對小減壓量緩解波速的影響。

表4 加緩風缸向列車管充氣孔對緩解波速的影響Table 4 The effect of the acceleration release cylinder to the train pipe＇hole on the release propagation speed

由表4可知，增大該孔徑為1.5 mm時，緩解波速增大 7.6 m/s，增大了 8.99%;該孔徑增大到 2.0 mm 時，緩解波速增大 17.8 m/s，增大了21.1%。但是該孔徑繼續(xù)增大，緩解波速有減小的趨勢，因此通過改變加緩風缸向列車管充氣孔孔徑的大小并不能完全解決小減壓量緩解波速較慢的問題。

3 結論

(1)緊急閥III孔徑在2.3～2.7 mm范圍內(nèi)能夠保證常用制動時不發(fā)生緊急作用，同時緊急作用能正常發(fā)生。當該孔徑從 2.35 mm增加到2.65 mm時，列車管開始排氣的時間滯后 1.1 s，制動缸開始升壓時間滯后2 s，制動波速減小39 m/s，減小了13.8%，緊急制動時的制動距離也隨之增長了 16.44 m。

(2)局減閥內(nèi)孔徑越大，其列車管減壓速度越快，制動缸開始充氣時間提前，制動缸壓力上升速度增大，以該孔徑為 0.5 mm為基準，孔徑為1.5 mm時，末車列車管壓力降到520 kPa的時間提前14.3%，制動缸開始動作時間縮短5 s，并且該孔徑越大，制動波速越快。

(3)隨著加緩風缸向列車管充氣孔的增大，加速緩解風缸向列車管補風能力加強，制動缸壓力開始下降的時間有所提前，緩波速提高。在減壓50 kPa后緩解時，該孔徑由1.0 mm增大到2.0 mm，緩解波速由 84.5 m/s增大到 102.3 m/s，增大了21.1%，但是不能完全解決小減壓量緩解波速較慢的問題。

［1］饒 忠.列車制動［M］.第1版.北京:中國鐵道出版社，1998.RAO Zhong.Train braking［M］.First edition.Beijing:China Railway Publishing House，1998.

［2］魏 偉.列車空氣制動系統(tǒng)仿真的有效性［J］.中國鐵道科學，2006，27(5):104 －109.WEI Wei.The validity of the simulation for train air brake system［J］.China Railway Science，2006，27(5):104－109.

［3］魏 偉.兩萬噸組合列車制動特性［J］.交通運輸工程學報，2007，7(6):12 －16.WEI Wei.Braking Characteristics of 20，000 Tons＇Combined Train［J］.Journal of Traffic and Transportation Engineering，2007，7(6):12－16.

［4］楊俊輝，魏 偉，張 軍.基于120閥仿真的試驗臺充氣檢測標準比較分析［J］.大連交通大學學報，2009，30(3):12－15.YANG Jun-hui，WEI Wei，ZHANG Jun.Control valve standards of auxilary reservoir charging test based on simulation of 120 valve［J］.Journal of Dalian Jiaotong University，2009，30(3):12－15.

［5］郭全喜.120閥在運用中的常見故障及原因分析［J］.工業(yè)技術，2008，(19):70.GUO Quan-xi.120 Valves＇faults and analysis in using［J］.Industrial Technology，2008，(19):70.

［6］盛震風.120閥故障分析［J］.鐵道車輛，1998，36(6):47－48.SHENG Zhen-feng.120 Valve failure analysis［J］.Railway Vehicles，1998，36(6):47 －48.

［7］李興武.在列檢試風中120閥常見故障及原因分析［J］.鐵道車輛，1999，37(4):44.LI Xing-wu.The common failures and reasons in testing the train＇s pressure of 120 valve［J］.Railway Vehicles.1999，37(4):44.