韓 晟，曹宏哲

（北京南車時代機車車輛機械有限公司，北京102249）

列車管小減壓量制動后120閥緩解波速的提高方法
——120閥加速緩解作用的改進

韓 晟，曹宏哲

（北京南車時代機車車輛機械有限公司，北京102249）

介紹了120閥存在的列車管小減壓量制動以后緩解波速低的問題；對120閥加速緩解作用的控制方式提出了改進方案，并進行了驗證；對加速緩解風缸容積的增加進行了分析；提出了列車管小減壓量制動后提高120閥緩解波速的建議。

120閥；加速緩解；改進；建議

近年來，中國鐵路重載貨運技術得到了快速發(fā)展，提速貨車技術得到了全面推廣應用。目前，中國80%以上貨車具備了120 km/h技術基礎，新造貨車實現(xiàn)了載重由60 t級向70 t級全面升級換代，大秦線80 t級運煤專用貨車2萬t重載列車的順利開行，實現(xiàn)了重載運輸?shù)男驴缭健?/p>

車輛動力學理論證明，空氣制動時車輛之間的壓縮反應力大致與列車編組輛數(shù)的平方成正比。圖1是編組40，60，80輛的貨物列車，在40 km/h緊急制動過程中出現(xiàn)的最大車鉤壓力和拉力沿車長的分布。由圖1可見，編組60輛最大車鉤力是40輛的兩倍。編組80輛最大車鉤力是40輛的4倍，重載列車編組數(shù)將達到100輛以上，大秦線2萬t重載列車編組輛數(shù)是210輛，重載列車運行中的縱向力遠遠大于普通列車。

研究和試驗表明，最大的縱向力往往發(fā)生在空氣制動機制動及緩解工況，特別是低速緩解和緊急制動時，因此，提高制動波速和緩解波速可以減小列車的縱向力，減少制動、緩解過程中產(chǎn)生的縱向沖動。

120型貨車空氣控制閥（簡稱120閥）是我國主型貨車空氣控制閥，但120閥存在列車管小減壓量制動以后緩解波速低的問題。

1 120閥緩解波速低的問題

緩解波速不小于150 m/s是120閥的設計目標之一，為此120閥采用了加速緩解閥和加速緩解風缸的結構形式。當120閥主活塞動作下移到緩解位、本車制動缸緩解時，讓準備排入大氣的制動缸壓力空氣做為壓力信號先引到加速緩解膜板處、使加速緩解閥產(chǎn)生動作，讓本車加速緩解風缸的壓力空氣通過加速緩解閥中被頂開的夾心閥充入列車管。這樣，列車管除了有來自機車供風系統(tǒng)的壓力空氣充入以外，還有來自本車加速緩解風缸的壓力空氣充入，這就是列車管的“局部增壓”作用，又稱“加速緩解”作用，如圖2所示。由于列車中前后列車管的壓力梯度增大，使列車管增壓作用沿列車由前向后的傳播速度加快，這就大大提高了緩解波速。

圖1 不同編組輛數(shù)的貨物列車緊急制動時最大車鉤力沿列車長的分布

120閥專列試驗結果表明，120輛120閥編組時緩解波速為180～200 m/s（按AAR方法計算），滿足了設計要求。但120閥在列車管小減壓量制動以后緩解時，由于制動缸壓力低，所以有可能推不動加速緩解活塞，這樣就沒有加速緩解作用，會影響緩解波速，在編組輛數(shù)為100和120輛時比較明顯。一般在列車管減壓量不小于70 kPa時，就不會有這種影響了。表1是不同列車管定壓、不同機車制動機、不同直徑制動缸、不同編組輛數(shù)時120專列試驗緩解波速統(tǒng)計。

圖2 加速緩解作用原理圖

我國鐵路電力機車的DK－1型機車電空制動機的最小常用制動列車管減壓量為40～50 k Pa，內(nèi)燃機車的JZ－7型空氣制動機最小常用制動列車管減壓量為45～55 k Pa（列車管定壓為600 k Pa時，＋5 k Pa），新型和諧號機車采用的CCB2型制動機的最小常用制動列車管減壓量為40～50 k Pa。牽引機車制動機的最小常用制動列車管減壓量為50 k Pa左右，無法滿足120閥列車管減壓量不小于70 k Pa的要求。而且，由于管路阻力等因素的影響列車中前后列車管的壓力存在梯度，即使機車制動機減壓70 k Pa，列車尾部列車管減壓量也達不到機車制動機的減壓量。按照120型貨車空氣控制閥試驗臺上試驗方法的要求，120閥加速緩解作用是在列車管減壓量為70 k Pa時進行，要求列車管壓力上升10 k Pa以上。沒有對列車管小減壓量制動以后的加速緩解作用進行試驗。

因此，有必要對120閥存在列車管小減壓量制動以后緩解波速低的問題進行分析，解決其對緩解波速的影響。

表1 120閥專列試驗緩解波速統(tǒng)計

2 120閥加速緩解作用控制方式的改變

（1）現(xiàn)有加速緩解作用控制方式分析

如前所述，加速緩解作用的控制方式是讓準備排入大氣的制動缸壓力空氣做為壓力信號先引到加速緩解膜板處，使加速緩解閥產(chǎn)生動作。

加速緩解閥膜板的有效面積約為1 395 mm2，加速緩解閥彈簧的裝配壓力為11.85 N時，加速緩解膜板右側壓力大于8.5 k Pa（沒有考慮橡膠膜板的變形阻力）就可以打開加速緩解閥，使120閥產(chǎn)生加速緩解作用。

但是，閥體內(nèi)滑閥至前蓋氣路和加速緩解膜板右側的容積約67 cm3，讓準備排入大氣的制動缸壓力空氣做為壓力信號引到加速緩解膜板處，在有排氣縮堵（主閥前蓋上）的前提下要使該容積的壓力達到8.5 k Pa（沒有考慮橡膠膜板的變形阻力）以上才能打開加速緩解閥的夾心閥，如圖3所示。這種控制方式下的加速緩解閥作用相對120閥的緩解在時間上有一定的滯后，不能對來自機車供風系統(tǒng)壓力空氣產(chǎn)生的緩解空氣波形成有效的＂局部增壓＂作用，不能提高緩解波速。

圖3 控制加速緩解閥動作的氣路原理

（2）加速緩解作用控制方式的改進

要解決現(xiàn)有加速緩解作用控制方式存在的問題，就需要改進加速緩解作用控制方式：在120主閥下蓋中增加加速緩解閥結構，用主活塞控制加速緩解作用。當120閥主活塞動作下移到緩解位時，使下蓋中加速緩解閥產(chǎn)生動作，讓本車加速緩解風缸的壓力空氣通過加速緩解閥中被頂開的夾心閥充入列車管。這樣，就使加速緩解作用和120閥的緩解在時間上基本同步，對來自機車供風系統(tǒng)壓力空氣產(chǎn)生的緩解空氣波能夠形成有效的＂局部增壓＂作用，提高緩解波速。改進后加速緩解作用原理如圖4所示。

圖4 改進后加速緩解作用原理

（3）改進后加速緩解作用控制方式的分析

120閥的緩解、制動、保壓等作用的實現(xiàn)，是主活塞在穩(wěn)定桿、穩(wěn)定彈簧、減速彈簧等零部件的配合下，帶動滑閥、節(jié)制閥在主閥體內(nèi)移動來實現(xiàn)的，如圖5所示。120閥主活塞帶動節(jié)制閥移動的壓差為4 k Pa，由緩解位到制動位時主活塞帶動滑閥移動的壓差是－9.5～－12 k Pa，由制動保壓位到緩解位時主活塞帶動滑閥移動的壓差是＋6～＋10.5 k Pa。120閥主膜板的有效面積約為7 500 mm2，對應120閥主控機構的移動阻力見表2。

圖5 120閥主控機構組成圖

表2 120閥主控機構的移動阻力

120閥主活塞由緩解位到制動位時，主活塞先帶動節(jié)制閥克服穩(wěn)定彈簧的彈力向上移動6 mm（此時的力為30 N），產(chǎn)生第一階段局部減壓作用后列車管的壓力空氣通過節(jié)制閥、滑閥向局減室流動，促使主活塞兩側壓力差驟增，主活塞帶動滑閥克服摩擦阻力向上移動10 mm至制動位（此時的力為71～90 N）?？梢姡灰骰钊膲翰畛^4 kPa就可以帶動節(jié)制閥上移6 mm產(chǎn)生第一階段局減作用，對120閥的穩(wěn)定性來說滑閥移動的摩擦阻力是沒有作用的。

利用滑閥移動的摩擦阻力控制下蓋內(nèi)加速緩解閥的動作?；y向下移動、距緩解2 mm時夾心閥開始打開，滑閥向下移動至緩解充氣位時夾心閥打開2 mm（此時彈簧彈力為5～9 N），滑閥向下移動至減速充氣位時夾心閥打開6 mm。

120閥主活塞由制動保壓位到緩解位時，主活塞帶動節(jié)制閥、滑閥向下移動的阻力是45～78 N。主活塞移動至緩解位時打開主閥下蓋中新增的加速緩解閥夾心閥，主活塞移動至制動位時關閉夾心閥。

圖6是滑閥向下移動、距緩解位2 mm時滑閥與滑閥座的排氣通路打開情況，通路面積約10 mm2（相當于φ3.6 mm孔），而14英寸120閥制動缸排氣限制孔為φ3.6 mm、10英寸120閥制動缸排氣限制孔為φ2.9 mm。滑閥向下移動、距緩解位2 mm打開下蓋內(nèi)的加速緩解閥時，原有控制方式不能產(chǎn)生加速緩解作用。

圖6 滑閥、滑閥座排氣通路示意圖

改進后加速緩解動作由主活塞控制，即主閥下蓋內(nèi)新增的加速緩解閥由主活塞帶動滑閥、穩(wěn)定桿控制。原主閥前蓋部的加速緩解閥由緊急二段閥處制動缸壓力控制。改進后加速緩解作用動作順序分析見表3。

表3 改進后加速緩解作用動作順序分析表

3 增加加速緩解風缸容積的分析

120閥加速緩解作用對列車管的“局部增壓”作用，不但要考慮時間上的同步性，還要考慮“局部增壓作用”的增壓量。在120閥研制過程時曾對加速緩解風缸的容積進行了反復試驗，加速緩解風缸只需11～15 dm3即可達到令人滿意的效果，最終確定加速緩解風缸為11 dm3。120閥存在列車管小減壓量制動以后緩解波速低的問題，和加速緩解風缸的容積有密切關系。

120閥加速緩解作用對列車管的“局部增壓”作用，實際是高壓力的加速緩解風缸和低壓力的列車管進行壓力平衡，使列車管的壓力增加。因列車管增壓的峰值不好計算，暫按平衡壓力進行分析。按照120閥在705試驗臺上的試驗方法：120閥減壓40 k Pa，壓力穩(wěn)定后手把置2位，從手把移置2位起到主閥的制動缸排氣口開始排氣時間不得超過15 s。705試驗臺2位的增壓速度是2 k Pa/s。

按照主閥13 s緩解考慮，增壓前的列車管壓力為

式中Pl0為列車管定壓；r為列車管減壓量。

不考慮溫度等因素的影響，假定列車管容積為15.5 dm3，按等溫過程氣體狀態(tài)方程，有以下平衡關系：

式中Pl2為增壓后列車管壓力；Pj0為加速緩解風缸初始壓力；Vj為加速緩解風缸容積。

按照式（1）、式（2）可以對列車管的增壓量進行計算。表4是不同列車管減壓量、不同加速緩解風缸容積時局部增壓作用的統(tǒng)計。

從計算結果中可以看出，減壓量越大，增壓量越大。

列車管減壓量為40 k Pa時，加速緩解風缸的容積由11 dm3增加到15 dm3，增壓量由5.81 k Pa增加到6.89 k Pa。增壓量增加約1 k Pa，這相當于705試驗臺2位0.5 s的充氣量，即列車管增壓作用使后一車輛120閥緩解時間加快0.5 s。

因此，建議將加速緩解風缸的容積由11 dm3增加到15 dm3，解決120閥存在列車管小減壓量制動以后緩解波速低的問題。

4 改進后控制方式的驗證

（1）新增緩解閥對120閥制動、緩解動作沒有影響

為驗證新增緩解閥頂桿對120閥制動、緩解動作是否有影響，在120閥主活塞桿上增加了行程測量桿、行程測量桿座和O形圈等，能夠實時顯示主活塞桿的行程，如圖7所示。

表4 加速緩解風缸容積對列車管局部增壓作用分析表

在120閥試驗臺上對改進前后120閥在列車管小減壓量制動、緩解時主活塞的動作進行記錄，如圖8所示。

圖7 行程測量結構圖

圖8 主活塞動作的照片

經(jīng)對改進前后照片的對比分析，新增緩解閥頂桿對120閥制動、緩解動作沒有影響。

（2）改進后120閥的性能符合在120閥試驗臺上的要求

改進后的120閥在120閥試驗臺上進行全項連續(xù)性能試驗，如圖9所示。除主閥排氣口泄漏試驗外，其余結果全部合格，與改進前的試驗結果一致。

5 建 議

用120閥主活塞控制加速緩解作用，使加速緩解作用和120閥的緩解在時間上基本同步，對來自機車供風系統(tǒng)壓力空氣產(chǎn)生的緩解空氣波能夠形成有效的“局部增壓”作用，提高120閥在列車管小減壓量制動以后的緩解波速。

圖9 改進后120閥全項性能試驗的照片

將加速緩解風缸的容積由11 dm3增加到15 dm3，增加“局部增壓作用”的壓力來源，提高120閥在列車管小減壓量制動以后的緩解波速。

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The Method of Improving Release Propagation for Type 120 Valve after Train Pipe Braking with Small Pressure Decrement——Modification of Accelerated Release Function of Type 120 Valve

HAN Sheng，CAO Hongzhe
（Beijing CSR Times Locomotive and Rolling Stock Mechanics Co.，Ltd.，Beijing 102249，China）

This paper mainly introduced the problem that 120 valve’s release propagation is too low at small pressure decrement，and proposes an improvement solution for control mode of 120 valve’s release function，then conducted verification.Furthermore it analyzes increased volume of accelerated release reservoir，and proposes the method of improving release propagation for Type 120 valve after train pipe braking with small pressure decrement.

120 valve；acceleration release；improvement

U270.351

A

10.3969/j.issn.1008－7842.2014.03.29

1008－7842（2014）03－0116－05

?）男，高級工程師（

2013－10－09）