張新宇

(中國鐵道科學研究院 機車車輛研究所， 北京 100081)

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軌道車輛用高度閥的流量特性研究

張新宇

(中國鐵道科學研究院 機車車輛研究所， 北京 100081)

在軌道車輛的運行或乘客上下過程中，車輛的載荷變化會導致車體相對于軌面的高度變化。為了使車體保持一定的高度，車體載荷發(fā)生變化時，將通過高度閥向空氣彈簧充風或排風，而高度閥的充排風速度會影響乘客的舒適度，以及軌道車輛的平穩(wěn)性。本文建立了高度閥的數(shù)學模型，分析了高度閥內(nèi)部的節(jié)流結(jié)構(gòu)對充排風流量特性影響，并對比了仿真計算和試驗結(jié)果。

高度閥； 流量特性； 仿真分析

在軌道車輛的實際運營過程中，如果車廂內(nèi)的乘客分布不均勻，車體下方的空氣彈簧(簡稱：空簧)壓縮量會不均勻，因此影響乘客的舒適度和車輛的運行平穩(wěn)性。

對一列車來說，每節(jié)車廂的載重各不相同，每次停站時每節(jié)車廂的載重變化量也不同，因此每節(jié)車廂相對于軌面會產(chǎn)生較大的高度差，有可能導致聯(lián)掛裝置脫鉤的現(xiàn)象。

為了解決這些安全問題，在車體和轉(zhuǎn)向架之間安裝懸掛控制裝置，其核心部件就是高度閥。當車輛載重增加時，車體相對于轉(zhuǎn)向架向下運動，此時高度閥向空氣彈簧充風，使空氣彈簧壓力增加，抬高車體高度。當車輛載重減少時，車體會向上移動，此時高度閥將排出空氣彈簧內(nèi)的空氣，使空氣彈簧壓力下降，降低車體高度，直到車體恢復到設(shè)定的高度為止[1]。

1 高度閥工作原理

高度閥的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示[2]。在實車中，杠桿與轉(zhuǎn)向架相連，閥體固定在車體上，因此車輛載重增加時，杠桿就繞著驅(qū)動軸向上旋轉(zhuǎn)，使得偏心銷推動活塞向左運動，并打開進氣閥V2。從總風側(cè)來的壓縮空氣V推動閥頭，打開止回閥V3，經(jīng)過進氣閥V2進入空氣彈簧。

當車輛載重減少時，車體開始上升,杠桿繞著驅(qū)動軸向下旋轉(zhuǎn)，偏心銷拉動活塞桿向右運動，打開排氣閥V1。此時進氣閥V2在彈簧和閥頭上壓力的作用下保持關(guān)閉，切斷總風和空氣彈簧之間的通路。

在運營過程中，每節(jié)車廂的高度差變化不規(guī)則。每次停站時，上車和下車的乘客數(shù)量差值較大，因此車廂所發(fā)生的高度差就較大。在這種情況下，車輛必須通過高度閥以較高的速度向空簧充風或排風。

圖1 中立位的原理圖

相比之下，車輛的運行過程中，主要由車廂內(nèi)走動的乘客、彎道、車輛的振動導致車廂的高度差，因此車廂所發(fā)生的高度差較小。在這種情況下，車輛以較低的速度向空簧充風或排風，這樣可以避免高度閥頻繁充排風，合理地利用風源。

高度閥的流量特性取決于高度閥內(nèi)部的節(jié)流結(jié)構(gòu)，通過合理的節(jié)流結(jié)構(gòu)，能使高度閥具有快速充排風功能和慢速充排風功能。

從活塞桿結(jié)構(gòu)可知，當杠桿的旋轉(zhuǎn)角度較小時，活塞桿和閥體內(nèi)壁之間只有很窄的縫隙，能起到節(jié)流作用，因此能實現(xiàn)慢速充風圖2(a)。當杠桿的旋轉(zhuǎn)角度較大時，活塞桿繼續(xù)向上運動，活塞桿和閥體之間的間隙變大，能提高進氣流量，達到快速充風圖2(b)的目的。

圖2 充風時的閥口開度及氣流流向

當杠桿向反方向旋轉(zhuǎn)時，如果杠桿的旋轉(zhuǎn)角度較小，活塞桿和閥體內(nèi)壁之間也形成很窄的縫隙，空簧內(nèi)的壓縮空氣經(jīng)過該縫隙經(jīng)過活塞桿內(nèi)腔排到大氣，同時實現(xiàn)慢速排風圖3(a)功能。當杠桿的旋轉(zhuǎn)角度較大時，活塞桿繼續(xù)向下運動，活塞桿和閥體之間的間隙變大，能提高進氣流量，達到快速排風圖3(b)的目的。

圖3 排風時的閥口開度及氣流流向

2 高度閥流量特性分析

由高度閥活塞桿與閥體結(jié)構(gòu)可知，在慢速充風或慢速排風時，高度閥是一種錐閥，因此流量系數(shù)取錐閥流量系數(shù)。在快速充風或快速排風時，高度閥的流量取決于節(jié)流孔(圖1)的直徑，因此流量系數(shù)取短孔流量系數(shù)。高度閥的流量公式如式(1)所示。

(1)

式中cq為流量系數(shù);

A0為閥口通流面積;

Δp為閥口前、后壓差;

ρ為空氣密度。

目前，軌道車輛用高度閥的活塞桿直徑為8 mm，節(jié)流孔直徑為2.5 mm。慢速充風或慢速排風時，縫隙間隙為0.7 mm。

根據(jù)高度閥的慢速充排風流量公式(1)，總風壓力為800 kPa，空簧容積為10 dm3時，空簧壓力從200 kPa上升至600 kPa的流量特性曲線和空簧壓力從600 kPa下降至200 kPa的流量特性曲線如圖4所示。此時，慢速充風時間為40 s，慢速排風時間為77 s。

總風壓力為800 kPa，空簧容積為80 dm3時，空簧壓力從400 kPa上升至455 kPa的流量特性曲線和空簧壓力從455 kPa下降至400 kPa的流量特性曲線如圖5所示。此時，快速充風時間為2.6 s，快速排風時間為4.7 s。

圖4 慢速充風和慢速排風流量特性曲線

圖5 快速充風和快速排風流量特性曲線

對該型號高度閥的實測結(jié)果如表1所示。經(jīng)對比分析，理論仿真分析和試驗數(shù)據(jù)的最大誤差只有5%，對高度閥的流量特性分析和節(jié)流結(jié)構(gòu)的設(shè)計有較高的理論依據(jù)。

表1 仿真分析與試驗數(shù)據(jù)的對比

3 結(jié) 論

(1) 通過不同的閥口結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了快速充排風和慢速充排風功能，使車體的高度控制更加平穩(wěn)；

(2) 流量特性的仿真分析方法和參數(shù)的選擇貼近實際產(chǎn)品，對高度閥的設(shè)計有較高的指導意義；

(3) 通過高度閥的流量特性分析，能進一步掌握影響產(chǎn)品特性的關(guān)鍵要素，有助于產(chǎn)品的優(yōu)化設(shè)計。

[1] 金 哲，余欲為，韓曉輝. 高度閥工作原理及檢測方法[J]，鐵道機車車輛,2011，31(5):151-154.

[2] 王月明. 動車組制動技術(shù)[M]．北京：中國鐵道出版社，2010.

Working Theory and Measuring Methods of Leveling Valve

ZHANGXinyu

(Locomotive and Car Research Institute, China Academy of Railway Sciences, Beijing 100081, China)

The leveling valve is used for controlling of the charge and venting of the air springs on railway vehicles, in order to adjust the height of the cars according to the loads. The working theories of the leveling valve are introduced. Measuring methods and the test bed for the leveling valve are developed as well. The test bed is fit to various types of leveling valves, which could control the angle of the level and measure the time of charge and venting, as well as the leakage of check valve intake valve and exhaust valve.Key words:

leveling valve; working theory; test bed

??)男，助理研究員(

2016-02-26)

1008-7842 (2016) 05-0062-02

U260.35+1

A

10.3969/j.issn.1008-7842.2016.05.13