鐵路客車加速制動閥研制

劉保華,田 宇,劉 毅,張慶金,朱迎春,宋志勇

(1.眉山中車制動科技股份有限公司,四川 眉山 620010;2.中車青島四方車輛研究所有限公司,山東 青島 266031)

出口國外的一種鐵路客車制動系統裝置需要在緊急制動時加速排出制動主管的壓力,以提高緊急制動波速,當制動主管降到限定壓力時應停止排風,該裝置稱為加速制動閥。加速制動閥與制動主管相連,當檢測到制動主管快速減壓時,就對制動主管大通量加速排氣來提高列車緊急制動波速;當制動主管降到一定壓力時應能停止排風,以節約壓縮空氣。

1 主要技術參數

加速制動閥要求的主要技術參數如下:

(1) 制動主管定壓500 kPa時,列車緊急制動2 s內,加速制動閥應排風;

(2) 制動主管定壓700 kPa時,列車緊急制動3～4.5 s內,加速制動閥應排風;

(3) 當制動主管內的壓力降低到(230±25) kPa時,加速制動閥應停止排風;

(4) 制動主管定壓500 kPa時,列車緊急制動4 s內加速制動閥能復位(制動主管能充風);

(5) 常用制動時加速制動閥不動作;

(6) 加速制動閥工作環境溫度為-25～70 ℃。

2 主要結構及性能

經過充分的資料搜集、調研和分析,在試驗論證的基礎上確定在國內現有客車緊急閥的基礎上進行改進,但是為了滿足客戶的技術要求,還需其他的功能模塊,為此采用模塊化思路設計。加速制動閥由安裝板、先導閥、緊急閥、限壓閥、中間板和1.5 L緊急室等組成,總組成如圖1所示。

1—安裝板;2—先導閥;3—緊急閥;4—限壓閥;5—中間板;6—1.5 L緊急室。

2.1 緊急閥

緊急閥的作用就是列車緊急制動時,檢測到制動主管快速減壓時對制動主管加速排風。緊急閥采用客車緊急閥的成熟結構[1],由閥體、放風彈簧、蓋板、放風閥(導向桿)、緊急閥座、安定簧和緊急活塞膜板組成等構成。緊急閥組成及關鍵孔Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ位置[1]如圖2所示。

1—閥體;2—放風彈簧;3—蓋板;4—放風閥(導向桿);5—緊急閥座;6—安定簧;7—緊急活塞膜板組成。

為滿足客戶技術要求和相關技術標準,通過在成熟產品的基礎上進行試驗驗證,確定了排氣孔Ⅰ、充氣孔Ⅱ和逆流孔Ⅲ的孔徑大小。

2.2 限壓閥

限壓閥作用是制動主管降到所限定的壓力時,排風閥口迅速關斷,幫助緊急閥迅速復位(關閉放風閥)。限壓閥為彈簧直接載荷式,由鎖緊螺母、調整螺板、導向套、限壓彈簧、排風閥和限壓閥體等組成,如圖3所示。設置調整螺板,可對限壓彈簧進行微調,確保限壓閥的性能可靠性。

1—鎖緊螺母;2—調整螺板;3—導向套;4—限壓彈簧;5—排風閥;6—限壓閥體。

限壓閥中的排風閥設置了限位功能,最大行程為3～4 mm,確保閥口能快速關閉。

排風閥采用較長圓柱形導向和四周大通量排風設計,保證排風閥不傾斜,有利于迅速關閉閥口,如圖4所示。加速制動閥排風時會發出急促的聲音。

圖4 排風閥

限壓閥排風口采用防塵罩墊設計,防止各種異物及灰塵進入限壓閥內部,提高閥實際運用的可靠性。

2.3 先導閥

加速制動閥的主要技術參數要求:制動主管定壓500 kPa時,列車緊急制動2 s內,加速制動閥應能排風;制動主管定壓700 kPa時,列車緊急制動3～4.5 s內,加速制動閥應能排風。由此可以看出:定壓700 kPa比定壓500 kPa緊急制動時,加速制動閥開始排風要慢1～2.5 s。為了解決這個問題,設計了先導閥。先導閥由閥簧、夾心閥、先導閥座、先導彈簧、先導活塞桿和蓋板等組成;夾心閥兩端分別與制動主管和1.5 L緊急室相連,先導活塞桿兩端分別與大氣和1.5 L緊急室相連,如圖5所示。

1—閥簧;2—夾心閥;3—先導閥座;4—先導彈簧;5—先導活塞桿;6—蓋板。

制動主管定壓為700 kPa時,當1.5 L緊急室壓力大于500 kPa,先導閥在其1.5 L緊急室壓力的作用下,先導閥口打開,1.5 L緊急室和制動主管溝通,制動主管由700 kPa減壓到500 kPa時緊急閥不起作用;當制動主管壓力降到500 kPa左右,先導閥閥口關閉,先導閥不起作用,這時如果制動主管壓力繼續快速降低,緊急閥膜板兩側才能形成壓力差打開放風閥口,加速排風。

3 工作原理

3.1 充氣

中間板有一個充氣孔,通過它和緊急活塞桿的徑向充氣孔向1.5 L緊急室充風,孔徑大小主要控制1.5 L緊急室的充氣速度,以保持緊急活塞膜板上下兩側壓力平衡,避免充氣過快而引起緊急制動。

閥蓋下腔通過一個斜孔與制動主管相通,先導閥分別通過一個小孔與制動主管和1.5 L緊急室相連,充氣原理示意圖如圖6所示。

圖6 充氣原理示意圖

3.2 常用制動

常用制動時,制動主管排風速度慢,1.5 L緊急室壓力空氣向制動主管逆流的速度能保證緊急活塞膜板上下兩側形成不了使緊急活塞繼續上移并頂開放風閥的能力[2],1.5 L緊急室和閥蓋的壓力空氣流向制動主管,因此常用制動不動作。常用制動氣路原理示意圖如圖7所示。

圖7 常用制動氣路原理示意圖

3.3 緊急制動

制動主管定壓為500 kPa時,先導閥閥口關閉,先導閥不起作用。緊急制動時制動主管排風速度快,1.5 L緊急室壓力空氣來不及向制動主管逆流,緊急活塞膜板上下兩側形成足夠大的氣壓差來推動緊急活塞上移打開放風閥,從而產生緊急放風作用。同時1.5 L緊急室的壓力空氣經緊急活塞桿排氣孔I流向限壓閥排向大氣。定壓500 kPa緊急制動氣路原理圖如圖8所示。

圖8 定壓500 kPa緊急制動氣路原理圖

制動主管定壓為700 kPa時,當1.5 L緊急室壓力大于500 kPa,先導閥在其1.5 L緊急室壓力的作用下,先導閥口打開,1.5 L緊急室與制動主管溝通。如果列車緊急制動,由于1.5 L緊急室與制動主管溝通,緊急活塞膜板上下兩側沒有壓差,緊急閥不動作。當制動主管壓力降到500 kPa左右時,先導閥口關閉,1.5 L緊急室與制動主管斷開,由于逆流孔的影響,1.5 L緊急室壓力就不會隨著制動主管壓力降低而快速降低,緊急活塞膜板上下壓差增加,緊急活塞迅速上移將放風閥口打開,加快列車制動主管排風,提高制動波速。同時1.5 L緊急室的壓力空氣也通過緊急活塞桿排氣孔I流向限壓閥排向大氣。

壓力空氣流向限壓閥,打開排風閥,列車制動主管壓力空氣加速排向大氣,待壓力空氣快到230 kPa左右時,排風閥在限壓彈簧的作用下重新關閉,停止排風。緊急閥活塞膜板組成在彈簧和制動主管壓力空氣的共同作用下迅速復位,放風閥口關閉。

4 試驗驗證

為驗證加速制動閥的性能,研制了其性能試驗臺(圖9),編寫了型式試驗規范,并依據試驗規范進行了性能試驗、疲勞試驗、高低溫試驗和振動沖擊等型式試驗,結果表明各項技術參數符合相關標準和客戶技術要求。加速制動閥性能試驗臺氣路原理圖如圖10所示。

圖9 加速制動閥性能試驗臺

G1、G2、G3、G4—壓力傳感器;V1、V2、V3、V4—電磁閥;A、B、C—節流閥。

4.1 性能試驗

在加速制動閥性能試驗臺上進行性能試驗,性能試驗數據見表1。

表1 加速制動閥性能試驗數據表

4.2 疲勞試驗

按照疲勞試驗大綱要求,疲勞試驗前和循環5萬次后進行性能試驗,試驗均合格。疲勞試驗現場如圖11所示。

圖11 疲勞試驗現場

4.3 高低溫試驗

將樣品置于高低溫試驗箱,通過耐高低溫氣管將加速制動閥與試驗臺相連。低溫前、-25 ℃保溫48 h后和低溫后(常溫)進行性能試驗;高溫前、70 ℃保溫24 h后和高溫后(常溫)進行性能試驗,試驗均合格。高低溫試驗現場見圖12。

圖12 高低溫試驗現場

4.4 振動沖擊試驗

按IEC 61373:2010[3]規定的1類B級進行垂向、縱向、橫向長壽命振動和功能隨機振動以及垂向、縱向、橫向正反沖擊試驗[3]。在振動沖擊試驗前后進行性能試驗,并對功能隨機振動進行性能試驗,試驗結果均合格。振動沖擊試驗現場見圖13。

圖13 振動沖擊試驗現場

5 結論

出口鐵路客車制動系統配套的加速制動閥的主要作用是在緊急制動時加速排出制動主管的壓力,以提高緊急制動波速,且當制動主管降到限定壓力時停止排風。通過性能試驗、疲勞試驗、高低溫試驗和振動沖擊試驗,試驗結果表明加速制動閥各項性能指標滿足相關標準和客戶技術要求。