铁路客车加速制动阀研制

刘保华,田 宇,刘 毅,张庆金,朱迎春,宋志勇

(1.眉山中车制动科技股份有限公司,四川 眉山 620010;2.中车青岛四方车辆研究所有限公司,山东 青岛 266031)

出口国外的一种铁路客车制动系统装置需要在紧急制动时加速排出制动主管的压力,以提高紧急制动波速,当制动主管降到限定压力时应停止排风,该装置称为加速制动阀。加速制动阀与制动主管相连,当检测到制动主管快速减压时,就对制动主管大通量加速排气来提高列车紧急制动波速;当制动主管降到一定压力时应能停止排风,以节约压缩空气。

1 主要技术参数

加速制动阀要求的主要技术参数如下:

(1) 制动主管定压500 kPa时,列车紧急制动2 s内,加速制动阀应排风;

(2) 制动主管定压700 kPa时,列车紧急制动3～4.5 s内,加速制动阀应排风;

(3) 当制动主管内的压力降低到(230±25) kPa时,加速制动阀应停止排风;

(4) 制动主管定压500 kPa时,列车紧急制动4 s内加速制动阀能复位(制动主管能充风);

(5) 常用制动时加速制动阀不动作;

(6) 加速制动阀工作环境温度为-25～70 ℃。

2 主要结构及性能

经过充分的资料搜集、调研和分析,在试验论证的基础上确定在国内现有客车紧急阀的基础上进行改进,但是为了满足客户的技术要求,还需其他的功能模块,为此采用模块化思路设计。加速制动阀由安装板、先导阀、紧急阀、限压阀、中间板和1.5 L紧急室等组成,总组成如图1所示。

1—安装板;2—先导阀;3—紧急阀;4—限压阀;5—中间板;6—1.5 L紧急室。

2.1 紧急阀

紧急阀的作用就是列车紧急制动时,检测到制动主管快速减压时对制动主管加速排风。紧急阀采用客车紧急阀的成熟结构[1],由阀体、放风弹簧、盖板、放风阀(导向杆)、紧急阀座、安定簧和紧急活塞膜板组成等构成。紧急阀组成及关键孔Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ位置[1]如图2所示。

1—阀体;2—放风弹簧;3—盖板;4—放风阀(导向杆);5—紧急阀座;6—安定簧;7—紧急活塞膜板组成。

为满足客户技术要求和相关技术标准,通过在成熟产品的基础上进行试验验证,确定了排气孔Ⅰ、充气孔Ⅱ和逆流孔Ⅲ的孔径大小。

2.2 限压阀

限压阀作用是制动主管降到所限定的压力时,排风阀口迅速关断,帮助紧急阀迅速复位(关闭放风阀)。限压阀为弹簧直接载荷式,由锁紧螺母、调整螺板、导向套、限压弹簧、排风阀和限压阀体等组成,如图3所示。设置调整螺板,可对限压弹簧进行微调,确保限压阀的性能可靠性。

1—锁紧螺母;2—调整螺板;3—导向套;4—限压弹簧;5—排风阀;6—限压阀体。

限压阀中的排风阀设置了限位功能,最大行程为3～4 mm,确保阀口能快速关闭。

排风阀采用较长圆柱形导向和四周大通量排风设计,保证排风阀不倾斜,有利于迅速关闭阀口,如图4所示。加速制动阀排风时会发出急促的声音。

图4 排风阀

限压阀排风口采用防尘罩垫设计,防止各种异物及灰尘进入限压阀内部,提高阀实际运用的可靠性。

2.3 先导阀

加速制动阀的主要技术参数要求:制动主管定压500 kPa时,列车紧急制动2 s内,加速制动阀应能排风;制动主管定压700 kPa时,列车紧急制动3～4.5 s内,加速制动阀应能排风。由此可以看出:定压700 kPa比定压500 kPa紧急制动时,加速制动阀开始排风要慢1～2.5 s。为了解决这个问题,设计了先导阀。先导阀由阀簧、夹心阀、先导阀座、先导弹簧、先导活塞杆和盖板等组成;夹心阀两端分别与制动主管和1.5 L紧急室相连,先导活塞杆两端分别与大气和1.5 L紧急室相连,如图5所示。

1—阀簧;2—夹心阀;3—先导阀座;4—先导弹簧;5—先导活塞杆;6—盖板。

制动主管定压为700 kPa时,当1.5 L紧急室压力大于500 kPa,先导阀在其1.5 L紧急室压力的作用下,先导阀口打开,1.5 L紧急室和制动主管沟通,制动主管由700 kPa减压到500 kPa时紧急阀不起作用;当制动主管压力降到500 kPa左右,先导阀阀口关闭,先导阀不起作用,这时如果制动主管压力继续快速降低,紧急阀膜板两侧才能形成压力差打开放风阀口,加速排风。

3 工作原理

3.1 充气

中间板有一个充气孔,通过它和紧急活塞杆的径向充气孔向1.5 L紧急室充风,孔径大小主要控制1.5 L紧急室的充气速度,以保持紧急活塞膜板上下两侧压力平衡,避免充气过快而引起紧急制动。

阀盖下腔通过一个斜孔与制动主管相通,先导阀分别通过一个小孔与制动主管和1.5 L紧急室相连,充气原理示意图如图6所示。

图6 充气原理示意图

3.2 常用制动

常用制动时,制动主管排风速度慢,1.5 L紧急室压力空气向制动主管逆流的速度能保证紧急活塞膜板上下两侧形成不了使紧急活塞继续上移并顶开放风阀的能力[2],1.5 L紧急室和阀盖的压力空气流向制动主管,因此常用制动不动作。常用制动气路原理示意图如图7所示。

图7 常用制动气路原理示意图

3.3 紧急制动

制动主管定压为500 kPa时,先导阀阀口关闭,先导阀不起作用。紧急制动时制动主管排风速度快,1.5 L紧急室压力空气来不及向制动主管逆流,紧急活塞膜板上下两侧形成足够大的气压差来推动紧急活塞上移打开放风阀,从而产生紧急放风作用。同时1.5 L紧急室的压力空气经紧急活塞杆排气孔I流向限压阀排向大气。定压500 kPa紧急制动气路原理图如图8所示。

图8 定压500 kPa紧急制动气路原理图

制动主管定压为700 kPa时,当1.5 L紧急室压力大于500 kPa,先导阀在其1.5 L紧急室压力的作用下,先导阀口打开,1.5 L紧急室与制动主管沟通。如果列车紧急制动,由于1.5 L紧急室与制动主管沟通,紧急活塞膜板上下两侧没有压差,紧急阀不动作。当制动主管压力降到500 kPa左右时,先导阀口关闭,1.5 L紧急室与制动主管断开,由于逆流孔的影响,1.5 L紧急室压力就不会随着制动主管压力降低而快速降低,紧急活塞膜板上下压差增加,紧急活塞迅速上移将放风阀口打开,加快列车制动主管排风,提高制动波速。同时1.5 L紧急室的压力空气也通过紧急活塞杆排气孔I流向限压阀排向大气。

压力空气流向限压阀,打开排风阀,列车制动主管压力空气加速排向大气,待压力空气快到230 kPa左右时,排风阀在限压弹簧的作用下重新关闭,停止排风。紧急阀活塞膜板组成在弹簧和制动主管压力空气的共同作用下迅速复位,放风阀口关闭。

4 试验验证

为验证加速制动阀的性能,研制了其性能试验台(图9),编写了型式试验规范,并依据试验规范进行了性能试验、疲劳试验、高低温试验和振动冲击等型式试验,结果表明各项技术参数符合相关标准和客户技术要求。加速制动阀性能试验台气路原理图如图10所示。

图9 加速制动阀性能试验台

G1、G2、G3、G4—压力传感器;V1、V2、V3、V4—电磁阀;A、B、C—节流阀。

4.1 性能试验

在加速制动阀性能试验台上进行性能试验,性能试验数据见表1。

表1 加速制动阀性能试验数据表

4.2 疲劳试验

按照疲劳试验大纲要求,疲劳试验前和循环5万次后进行性能试验,试验均合格。疲劳试验现场如图11所示。

图11 疲劳试验现场

4.3 高低温试验

将样品置于高低温试验箱,通过耐高低温气管将加速制动阀与试验台相连。低温前、-25 ℃保温48 h后和低温后(常温)进行性能试验;高温前、70 ℃保温24 h后和高温后(常温)进行性能试验,试验均合格。高低温试验现场见图12。

图12 高低温试验现场

4.4 振动冲击试验

按IEC 61373:2010[3]规定的1类B级进行垂向、纵向、横向长寿命振动和功能随机振动以及垂向、纵向、横向正反冲击试验[3]。在振动冲击试验前后进行性能试验,并对功能随机振动进行性能试验,试验结果均合格。振动冲击试验现场见图13。

图13 振动冲击试验现场

5 结论

出口铁路客车制动系统配套的加速制动阀的主要作用是在紧急制动时加速排出制动主管的压力,以提高紧急制动波速,且当制动主管降到限定压力时停止排风。通过性能试验、疲劳试验、高低温试验和振动冲击试验,试验结果表明加速制动阀各项性能指标满足相关标准和客户技术要求。