高速列车空气制动原理及泄漏处理方法研究与应用

谢庆华

(柳州铁道职业技术学院动力技术学院 广西柳州 545616)

1 引言

铁路是旅途舒适、安全系数高的一种大众交通出行工具，是国家重点提倡和发展建设的民生工程，特别是在“十八大”上国家提出建设环境友好型社会以来，铁路行业达到与航空运输行业相媲美的出行方式，特别是在以复兴号为代表的高速标准动车组问世，给动车和高铁的发展注入了无限动力。铁路运行的运力的特点为高聚积信，运行环节相辅相成、不可缺一，而高速运行车辆的制动系统又是其重要组成部分，是在运行中减速和停车的作用机构。对于当代高速铁路，制动不仅成为制约列车速度和牵引动力提高的重要因素，更是行车安全的重要保障。

2 制动的分类

2.1 按制动的形式分类

黏着制动和非黏着制动是列车制动按制动的形式分类的两种重要类型。其中，由钢轨与车轮间形成的摩擦力形式作用并执行的制动方式，称为黏着制动，或摩擦制动。施行黏着制动时，制动力受轮轨间的粘着力的限制，最大制动力不超过粘着力。粘着制动是目前主要的制动方式，闸瓦制动、盘形制动、动力制动（电制动）、液力制动等制动方式都属于粘着制动[1]。制动时，闸瓦压紧转动的车轮踏面后，闸瓦与车轮间的摩擦力借助钢轨，在与车轮接触点上产生与列车钢轨运行相同的反作用粘着力，即制动力，粘着力制动方式中，闸瓦（闸片）、车轮和钢轨是列车制动的三大要素。

而不是由钢轨与车轮间形成摩擦力形式作用并执行制动的制动形式，为非黏着制动。列车电磁制动和涡流制动等属于非粘着制动，这种制动的特点是形成的制动作用的程度大小不受车轮和铁轨的黏着力的限制。非黏着制动目前主要作为一种辅助的制动方式用于黏着制动力不够的高速旅客列车上。

2.2 按制动时的动力源分类

列车制动按制动时的动力源和制动能量转换的不同有电制动和空气制动两种。而空气制动又有纯空气制动和非纯空气制动，前者以高压的密闭容积里的气体作为动力源进行控制和传递制动信号，电制动是将列车的动能转变为电能后，再变成热能消耗掉或反馈回电网的制动方式，在高速电力列车上主要有电阻制动和再生制动，制动时优先使用再生制动。电制动是将列车上的牵引装置经转换和简化后进行执行作用的一种制动方式，属于动力制动的一种类型。

虽然目前的电制动从牵引动力装置上能有非常充足的制动力提供，但对于空气制动来讲，其在高速动车组里的地位仍然非常重要。由于直流牵引电机的车辆其制动力会跟着列车速度的下降一起减少，这时，如没有其他制动方式辅助，列车由于惯性力就不可能完全停下来，或者要溜车很长一段时间后才因为阻力太大而停止。而使用交流电机作动力牵引装置的列车虽然可通过改变转速差来执行改变制动力大小的目的，从理想的状态和理论的角度来讲列车速度不直接限制制动力，但从高速列车到列车停止均能有效执行和作用的、可靠的电制动装置尚处于实验室的理论研究阶段[1-2]。

图1 自动式空气制动系统的组成

过去空气制动分为直通式制动和自动式制动。直通式采用制动管增压制动、减压缓解，列车分离时不能自动停车。司机操纵手柄在制动位停止的时间长短直接决定制动力大小，受到人的感觉和心理因素的影响特别大，因此控制不精确。同时制动作用状态下全车作用风缸的压缩空气由总风缸供给，缓解时每个制动风缸的作用空气都须经作用阀排气口进入大气，此时会出现前后车厢的制动的同一性不好，给列车交接处站立着和行走着的乘客带来不舒适的体验。而空气制动自动作用系统为作用管降压执行制动、增压执行缓解，这种状况下列车分离时能制动执行自动作用而停车。作用风缸的风力离排气口制动作用风缸较近，作用阀不在进行其制动与缓解的过程，因此缓解与制动的同一性比直通式制动机优异，列车纵向冲动较小，给列车交接处站立着和行走着的乘客带来较佳的体验，适合于较长编组的列车，以及有阶段制动及一次缓解功能[3]。

3 自动式空气制动的原理及泄漏故障

3.1 自动式空气制动的组成及各部分的功能

自动式空气制动系统的组成见图1所示，分为压力空气供给部分、空气制动控制部分和基础制动装置。

空气压缩机、总风缸等装置组成压力空气供给部分，是为整个制动系统提供原动力的重要模块。 空气压缩机和总风缸安装在机车部位，它们的功能分别是制造压缩空气和储存压缩空气，提供给全列车的制动管。

空气制动控制部分由给风阀、自动制动阀、给风阀制动管等组成。给风阀将总风缸的压缩空气调至规定压力，经自动制动阀充入制动管。自动制动阀是一个空气压力操纵部件，控制制动管压缩空气的冲入和排出。制动管又称为列车管、刹车管，是贯通全列车的压缩空气管，通过它向列车中各车辆的制动装置输送压缩空气。列车运行和停止时机车乘务员通过自动制动阀控制列车制动管内压缩空气的压力[4]。三通阀和制动管连通，在制动管压力的变化时进行工作，是空气制动装置的主要部件，能控制制动机。

基础制动装置是以前传统的机械杠杆式传动装置和现在普遍使用夹钳式装置。夹钳式装置由制动夹钳、支架和剪刀形的夹紧制动盘的本体组成。基础制动装置在制动时，将制动缸推力传递到闸瓦（闸片），使闸瓦（闸片）夹紧车轮（制动盘）产生制动。

3.2 自动式空气制动系统的工作原理

自动式空气制动系统的制动过程中首先减压，然后将主风管和大气连接，最后在副风缸大气压远远大于大气压状态下，三通阀的滑阀向左移动使副风缸和制动缸连接。副风缸的压缩空气进入制动缸，制动缸的活塞向右移动，阀瓦向左移动实现制动。

缓解过程，制动消除时首先加压，然后将主风管和总风缸连接，最后三通阀滑阀向右移动阻断副风缸和制动缸相连，同时连接制动缸和大气，制动缸向左移动阀压向右实现缓解。 特点：加压缓解，减压制动，阶段制动，一次缓解。

贯穿整个列车的制动管既是制动动力渠道又是制动控制信号通道[5]。这种制动控制模式的一个突出缺点是制动、缓解波速低,列车中各车辆的制动、缓解作用一致性差,列车纵向冲动大,客车乘坐舒适性差。这个缺点不可能通过改进空气制动机各部件的机械结构得到根本解决。为解决这一问题,对原有制动机进行了加电控的改进,产生了电空制动机。它是用电来传输制动控制信号,以此来大大提高信号传输速度,提高列车中各车辆的制动、缓解的一致性。对自动式电空制动机来说,电传送的实际上只是一个启、停原有空气分配阀动作的开关量信号,具体的制动管空气压力设定值仍要由制动管通过压力空气传送。

3.3 自动式空气制动常见的泄漏故障

空气制动装置在单车试验中的常见泄漏故障及处理。检修作业完毕，应进行列车制动机性能全部试验。 列车试验器应由专人操纵进行列车制动机性能全部试验，确认车列制动机性能。作业过程依次传递确认制动机的性能试验号志。列车制动机试验发生问题时，须登上机车与司机共同对列车制动机试验。以往试验的经验来看，漏泄故障是发生最多和影响最严重的自动式空气制动故障，而根据发现泄漏故障问题的统计数据来看，常见的泄漏故障有制动管系漏泄故障，副风缸、加速缓解风缸及管系漏泄故障，制动缸及管系漏泄和空重车自调装置及管系漏泄故障等。

3.3.1 制动管系漏泄故障

《铁路货车制动装置检修规则》列车泄漏试验必须达到制动系统漏泄1分钟不允许超过5千帕。根据研究和实际检验，制动管一般在下列几处易发生漏泄[6]：

（1）列车制动管连接处，每个法兰头焊接处，一对法兰连接处，由于普遍存在着列车人员对螺纹管接口不加以认真处理的问题，导致列车制动管头泄漏严重。

（2）折塞门与制动管或折角塞门与补助管接头处：可能普遍的问题为发生松动的折角塞门未稳固、折角塞门由于稳固不当造成裂纹而没有及时处理。

（3）折角塞门、截断塞门手把方套处，截断塞门芯漏泄，特别是锥型折角塞门易发生漏泄故障。

3.3.2 缓解作用风缸、副作用风缸及管漏泄故障检验

制动管泄漏检验无误，使得截断塞门在打开位，当空气制动充气工作到高压后，令手把置于三位，观察压力表指针动作情况，降低则表示缓解作用风缸、副作用风缸及制动管之中的部位存在漏泄[7]。

这种故障的查找方法是在自动作用式制动系统稳定保压时仔细观察制动机有无自然缓解作用，若存在则是副作用风缸上和制动管上的泄漏问题；若无则是缓解作用风缸上和制动管上的泄漏问题。为方便以及快捷处理此类泄漏，一般要求检查风缸及管漏泄时，必须按规定的检查步骤及顺序。

3.3.3 管系泄漏及空重车自动调节装置泄漏

传感阀及调整阀、传感阀触杆、法兰连接处、夹芯阀、显示板活塞杆、降压风缸是管系泄漏及空重车自动调节装置泄漏的多发区域[8]。空重车自调装置无压力空气当处于初充风或缓解时，而管减压并制动后则有高压气体存在，高压气体作用与制动执行缸，此时的泄漏也和制动缸漏泄危害相当。

4 快速查看泄漏故障列车压力的方法和试验方法

列车制动机试验发生泄漏时，须登上机车与司机共同对列车制动机试验。一般的研究人员和车辆乘务员（随车机械师）等几乎没有接触过司机室设备，按以下方法在司机室快速查看列车制动压力。

和谐电力机车（HXD）司机室如下图所示。图2中，1表是制动屏，2表是机械表，有总风管、机车制动缸、制动管、均衡风缸压力等，3表是LKJ屏，为列车运行记录控制装置。

图2 和谐电力机车司机室

制动屏、机械表以及LKJ屏均能查看制动管压力，但因机械表仪器有误差，且因不同视角查看机械表也会存在一定的偏差，而LKJ显示的制动管压力最准确，机务部门问题分析也采用的是LKJ数据，因此建议查看LKJ显示的制动管压力。 机械表如图3所示，机械表总共有两个表，每个表又有两个指针，一个指针是红色，一个指针是白色，双压力显示。显示制动管压力指示如图4所示。

图3 和谐电力机车机械表

图4 和谐电力机车机械压力显示表

图5 和谐电力机车制动屏

图6 制动屏仪表数值

参照机械表旁边的文字标签，从图4可以看出，上面的机械表标签有“总风缸MR”和“制动管BP”，其中“总风缸MP”的字体颜色是红色，“制动管BP”字体颜色是白色，因此，红色字体的“总风缸MR”压力在机械表则是红色指针所对应的压力，白色字体的“制动管BP”压力则是白色指针所对应的压力。下边机械表标签显示的是红色“制动缸BC I”和白色“制动缸BC II”，代表的是机车制动缸压力。因此，若查看机械表，则最上方机械表白色指针所对应的压力即为制动管压力。

图7 LJK控制屏蓝色工况显示区域

制动屏显示的风表是虚拟的风表，见图5，所模拟的正是机械表指针指示的压力，均是双压力显示，查看方式与查看机械表的一致，具体如图6所示。

首先看制动屏压力表下面的文字，左边显示的是红色“均衡风缸”，和白色“制动管”，因此左边压力表白色指针所对应的正是制动管压力，制动屏为数显模式，因此“制动管”正下面框内数字显示的则为制动管压力，图6上显示制动管压力为612 kPa。右边压力表下面显示的是红色“总风缸”、白色“制动缸”，为机车相关压力。

LKJ控制屏上显示的制动管压力最为直接，一目了然。首先查看LKJ显示屏右上方蓝色区域，如图7所示，然后可看到有“制动管压力”，图7中显示的制动管压力为600kPa。

泄漏试验一般方法如下，制动管漏泄试验：制动管作用力确认达到600 kPa时，保压1分钟，制动管作用压力降低不允许超过20 kPa。车轮缓解度试验规则：制动管压力达到600 kPa确认后，减压50千帕，列车检修员严格按列车数量检查直到所有车厢启动制动作用，保压1 min后，不发生自然缓解为符合。充风作用缓解时，检修员严格按列车数量检查确认所有制动机在1 min内完成为合格。而制动保压试验规则为，风力达到600 kPa时，减压170 kPa，在制动作用状态下能保压1分钟以上为合格，制动主风管高压空气漏泄不得超过20 kPa。总风作用管漏泄试验规则为，在风压达到600 kPa时，保压1 min，总风管压力自然降低不允许超过20 kPa。全部试验保压5min不得发生自然缓解，由尾部检车员显示试风完了信号，并逐段传递。