重载列车制动缸压力影响因素分析研究

重载列车制动缸压力影响因素分析研究

杨矗

中车齐齐哈尔车辆有限公司大连研发中心

摘要：制动缸作为制动系统输出力的产生装置，是制动力的直接来源，对于列车制动系统有着至关重要的影响。我国重载铁路货车采用的120-1型制动机是两压力直接作用式制动机，按照传统观点，制动缸压力仅受副风缸-制动缸容积匹配关系影响。本文分析了列车环境下制动缸压力分布的实际情况，并对列车中制动缸压力的影响因素进行分析，找出了列车管减压特性差异、制动阀动作差异、副风缸充风差异、局减量差异、制动缸活塞行程差异等一系列影响制动缸压力的因素。

关键词：制动缸压力 重载列车 差异 影响因素

我国重载铁路货车采用的是120-1型制动机，系统结构见下图1所示。制动缸作为制动系统输出力的产生装置，是制动力的直接来源，对于列车制动系统有着至关重要的影响，制动缸压力大小决定了最终输出制动力的大小。研究制动缸压力的影响因素对于列车提高制动力一致性、减小纵向冲动等具有重要价值。

图1 120-1型制动机主要系统构成

1. 传统的制动缸压力计算

传统认为，两压力直接作用式制动系统制动缸压力来源于副风缸，其大小仅与减压量及副风缸与制动缸的容积匹配关系有关，通常有两种计算方法。

1. 简化计算法

p=3.25*r-100 （r<最大有效减压量）

16. 制动缸压力,kPa

r-列车管减压量，kPa

按照《120型空气制动机》文献所述^[1]，减压量不大于最大有效减压量时，120-1型空气制动机制动缸压力可按上述简化公式计算。实际上，上述公式是在制动缸活塞行程为200mm时推导出来的，且未考虑各车辆的实际管路容积，计算制动缸压力与实测情况相差较大。

例如，按列车管减压50kPa工况计算，按该公式计算制动缸压力应为62.5kPa，实际C80B单车试验实测值约80kPa-100kPa，相差30%-60%。

2. 实际容积平衡计算法

PV=常量

根据理想气态方程，按照制动缸活塞公称行程，计算容积V时考虑副风缸及制动缸管路容积及制动缸余隙容积等。从该公式可见，制动缸压力仅与副风缸与制动缸的容积匹配及减压量有关，同一车型同样减压，制动缸压力应该一致，与列车制动缸压力实测结果相比时，能明显发现列车中实测结果分布范围较大，离散性更大。

2. 基于列车环境的制动缸压力影响因素分析

1. 列车环境下各车辆制动缸压力存在较大差异

根据相关研究文献，列车中各车辆的制动力分布不均，即使相同的制动装置，两车的制动缸压力亦可差50kPa～60kPa^[2][3]，国内重载列车实际列车试验也表明同一次列车制动各车制动缸压力差异明显，见图2所示。

图2 重载列车初制动试验曲线

2. 列车环境下不同车辆减压特性的不同会导致控制阀动作及制动缸曲线差异

图3 单车感度试验压力曲线

图4 列车环境初制动工况车辆压力曲线

实际列车环境中，不同车辆间制动缸压力存在较大差异，且制动缸压力曲线形态与单车环境中也不相同。

图3为单车环境下，单车感度试验时制动系统各部位压力曲线，图4为2万吨重载列车环境下后部某车制动系统压力曲线。两者对比可见，单车环境下，制动缸压力上升则更为平滑，列车中制动缸压力曲线更明显地呈现出多层台阶状上升的特征。

根据120-1控制阀作用原理，控制阀作用由主活塞上下两侧即列车管与副风缸的压差决定，单车环境及列车环境的列车管减压信号存在差异，导致其动作有所不同，造成了两种环境下制动缸压力曲线形态差异明显。单车环境下，列车管长度较短，从单车试验器来的减压信号较清晰明确，无论是安定位进行常用全制动还是感度制动，一般列车管减压时间都不超过10秒，然后制动管压力迅速稳定，控制阀从迅速从制动状态进入保压状态完成制动作用；2万吨重载列车环境下，存在主控机车、从控机车、列尾排风装置及车辆局减排风等不同排风点，各排风点在减压量、减压时间、减压速度等方面都有所差别，上述排风点叠加组合作用于列车管，再加上压力空气信号在传输过程中的衰减，共同形成了开始减压速度快后来减压速度慢且持续时间较长的列车管减压信号特征，不同位置的车辆减压信号也有所不同。

通过图5中副风缸压力曲线可以判断，列车环境下一次减压制动过程中存在多次节制阀动作，每次动作制动缸压力上升10kPa左右。控制阀节制阀的动作次数不仅和上述列车环境下的减压特征有关，也与滑阀、节制阀动作阻力有关，形成了最终的制动缸压力。

上述列车管减压特性的差异及控制阀自身作用特性的差异，都会导致不同车辆制动缸压力有所差异。

图5 列车环境下制动系统压力变化曲线

3. 副风缸充风不同会导致车辆制动缸压力差异

2万吨列车列车管长超过2.6km，充风缓解时前部车辆充风离风源近充风速度快，后部车辆充风速度慢。再充风时间不足时，前后车辆副风缸压力存在差异，会导致车辆间实际列车管实际减压量不同，造成车辆间制动缸压力差异。

4. 局减作用不同会导致车辆制动缸压力差异

120-1阀具有局减作用，二段局减发生时，列车管与制动缸沟通，压力空气从列车管直接流入制动缸，与副风缸流向制动缸的压力空气共同形成了制动缸（50-70）kPa的初跃升。初跃升的不同影响对制动缸压力差异会产生影响。

5. 制动缸活塞行程不同会导致车辆制动缸压力差异

按照《铁道车辆制动机单车试验》^[4]我国铁路货车制动缸行程公差范围为±10mm，制动缸行程不同会造成制动缸容积不同，导致平衡时制动缸压力差异。

3. 总结

综上，列车环境下车辆制动缸受实际列车管减压特性、副风缸充风差异、局减作用差异及制动缸活塞行程差异等因素影响，最终导致不同车辆的制动缸压力表现出较大差异。

[1]夏寅荪,吴培元,孙德环等.120型空气制动机[M].中国铁道出版社，1997:81-83.

[2] F.G Carlson,D.E Limbert,M.H.Deleon.当前意外紧急制动UDE的研究,国际重载运输协会制动专题讨论会论文集[M].中国铁道学会,1988.

[3] K.H.Storzinger,涉及控制阀稳定性的意外紧急制动.国际重载运输协会制动专题讨论会论文集[M].中国铁道学会,1988.

[4] TB/T1492—2017，铁道车辆制动机单车试验[S].