160 km/h快捷货运列车空气控制阀的研究*

张成国， 池　海， 闫志强， 林　晖, 刘庸奇

(1　中国铁道科学研究院　机车车辆研究所， 北京 100081；2　北京纵横机电技术开发公司， 北京 100094)

随着货运市场结构的变化，开行快捷货运列车是世界铁路运输的发展潮流，在我国有着更迫切的市场需求。2000年我国启动了对160 km/h速度等级快捷货运列车(以下简称快捷货运列车)技术的研究。其中，制动系统是影响快捷货运列车运行安全的关键技术之一，《铁路技术管理规程》[1]规定，160 km/h速度的快捷货运列车紧急制动限距为1 400 m。快捷货运列车制动系统配置有ECP电空制动、空气制动(图1)等方案，在这些方案中空气控制阀的选择是制动系统配置的核心问题之一。

图1　160 km/h快捷货运列车空气制动系统配置图

目前我国铁路货车制动主型空气控制阀120/120-1阀为二压力直接作用阀，难以与防滑器配套使用，不满足快捷货运列车二压力间接作用控制阀的技术要求；再者120/120-1阀是为长大重载列车设计，制动性能也不满足快捷货运列车制动要求。

快捷货运货车的运行速度、编组辆数与客车相近，客车104分配阀，系二压力间接作用式，快捷货运列车装用104阀也是一个方案，但问题在于：难以适配随重调整阀来最终控制制动缸压力；没有半自动缓解功能，调车、检修不便；没有加速缓解功能。铁路货运快捷化的发展形势，迫切需要一种可满足快捷货运列车制动要求的空气控制阀。

1　空气控制阀功能要求

按照《160 km/h快捷货车总体技术条件》及编制说明[2]，为适应快捷货物列车运用要求，空气控制阀应满足以下性能要求：

(1)控制阀在定压600 kPa和500 kPa时均能正常工作。

(2)制动初速度160 km/h，紧急制动距离≤1 400 m。

(3)制动机性能与既有机车、客车和货车相匹配，并既能适应机车制动机无压力保持操纵又能适应机车制动机有压力保持操纵的要求。

(4)采用二压力间接作用式自动空气制动系统。

(5)应具有充气缓解、常用制动、保压、紧急制动等作用。

(6)应具有半自动缓解功能。

(7)为适应短编组(20辆左右)和混编需要，制动缸充、排气时间范围为：制动缸上升5～7 s，制动缸缓解7～9 s。

(8)使用环境温度：-40℃～+40℃。

2　设计方案

鉴于我国铁路货运的实际情况，本着简统化、互换性、运用检修方便等原则，空气控制阀的设计选型有以下方案[3]并正在实施：

(1)在120/120-1阀的基础上进行改进；

(2)研制基于柱塞止阀结构的新型控制阀。

其中，120/120-1阀的主控机构采用金属滑阀结构，柱塞阀采用柱塞止阀结构。这两种阀其特点在于：金属滑阀结构运用联锁性好，但需研磨，立式布局对于润滑油存挂不利；柱塞止阀结构无需研磨，但气密联锁性对加工精度要求高，对振动和冲击的影响是否更敏感需进一步研究。

文中重点阐述基于滑阀结构研制改进的160 km/h快捷货运列车空气控制阀(简称160阀)。根据快捷货运列车控制阀的功能要求、结合既有120阀的成熟结构进行模块化设计，按功能设充气部、作用部、局减部、加速缓解部、减速部、紧急部、缓解部7个模块。将作用部、局减部、加速缓解部、减速部仍集成在主阀中，紧急部和缓解部沿用120阀的紧急阀和半自动缓解阀。对充气部设置独立模块，通过集成安装板座与主阀连通，在工作风缸压力控制下可使列车管向副风缸单向充气。结合随重调整阀配套使用，实现了二压力间接作用，可与各型制动缸、防滑器配套使用。将加缓风缸改为工作风缸，加速缓解作用的空气由副风缸提供，副风缸兼为制动缸供风。

图2　160阀及风缸组件连接结构示意图

160阀含主阀、半自动缓解阀、紧急阀、充气阀以及连接这些阀和风缸组件的集成安装板座等，半自动缓解阀安装在主阀的侧面；充气阀、主阀、紧急阀安装在集成安装板座上，连接结构示意图见图2所示。

3　结构及特点简介

(1)主阀

主阀主控部分(作用部)采用金属滑阀结构。主阀体借用120阀的主阀体，但对滑阀套、滑阀气路进行重新设计。160阀主控机构由列车管和工作风缸的压力空气来控制，通过主活塞上方列车管压力的变化与下方的工作风缸压力在主活塞膜板两侧产生压差，由压紧在滑阀座上的滑阀在主活塞带动下上下移动，控制各气路的开放、关闭和连通，形成充气、缓解、制动、保压等作用位。

局减作用能提高列车的制动波速，减少制动空走时间，并或可为制动系统在列车管小减压量制动时获得跃升的初压力。120阀一局减是将部分列车管空气排入具有一定容积的局减室，再排向大气；二局减是将部分列车管压力空气经局减阀通路引入制动缸[4]。在160阀中对局减重新设计，二局减将列车管空气引向的是容积室而不是制动缸，容积室(3.85 dm3)容积较制动缸(10.5 dm3)小的多，因此在一局减时适当加快了局减室向大气的排风速度，并且适当提高了二局减的关闭压力。制动时，工作风缸压力空气经主阀体内气道和滑阀、滑阀座气道也充入容积室。制动缸的最终压力由随重阀根据容积室压力按车辆载重情况调整输出。

为适应长大重载列车编组，120阀紧急制动时制动缸压力分两段上升；但160 km/h快捷货运列车采用20辆左右的短编组，且紧急制动距离限值1 400 m要求较高，若制动缸压力也采用两段上升，难以满足紧急制动限距要求。因此， 160阀对容积室的升压速度进行调整，紧急制动时容积室压力一次上升，由0升至400 kPa时间达到了3～5 s。制动缸压力由随重调整阀根据容积室压力按车辆载重调整输出虽有迟滞，但相差不大(单车测试≤0.2 s)。

加速缓解作用能提高列车的缓解波速，减轻列车缓解时的纵向冲动。120阀中副风缸既参与主控机构的动作平衡，还为制动缸供风。但在160阀中，副风缸只作为制动缸的风源使用；通过在滑阀和滑阀座上设计的气路，副风缸也兼为加速缓解作用供风。缓解时，由排向大气的容积室压力空气在限流作用下控制加速缓解阀打开副风缸与列车管的通路，副风缸压力如高于列车管压力，则由副风缸经集成安装板座的通路、主阀滑阀座及滑阀通路向列车管补风施行局部增压，加速列车管的升压，提高缓解波速。

在滑阀上设计了能使列车管与工作风缸沟通的气道，可使列车管与工作风缸及其相应管系在轻微漏泄时，通过空气的逆流来实现活塞上下的压力平衡，能适应机车制动机无压力保持操纵又能适应机车制动机有压力保持操纵的要求。

(2)充气阀

160阀主阀内未设置列车管向副风缸的充气通路，而是将之移出了主阀，设置了独立的充气阀。充气阀设充气部和止回部(分别对应图3左部和右部)，充气部可在工作风缸和副风缸压差控制下决定充气通路的开启和关闭；止回部可确保列车管向副风缸单向充风而不发生逆流。工作风缸的充气速度受主阀作用部控制，依靠列车管和工作风缸的压差控制使列车管向副风缸单向充风，即协调副风缸与主阀作用部控制的工作风缸充气速度的一致性。

图3　充气阀结构

(3)安装板座及容积腔室

安装座既是承载控制阀的基座，也是控制阀与车辆连接的过渡部分。120阀采用了铸铁中间体安装座，容积腔室内置，优点是经济而结构紧凑，缺点在于不利于安装接口扩展。160阀采用了板式安装座，将容积室、紧急室和局减室组成容积组合风缸外置。板式安装的优点是便于各种安装接口的扩展，有利于模块化设计；但缺点是成本相对较高。

为尽量不改变现有货车制动机的生产、检修及运用习惯，在实现快捷货物列车控制阀所需功能的前提下，160阀在结构上与现有120阀的零部件尽可能通用，紧急部和缓解部则整体沿用120阀的紧急阀和半自动缓解阀。调车和检修作业等需排放本车容积室和制动缸的压力空气、或排空车辆整个制动系统的时候，配置半自动缓解阀为此提供了便利。

4　性能验证

为验证研制的160阀功能是否达到预期目标，分别进行了试验台试验、室内单车试验、环境试验、冲击振动试验。

(1)试验台性能测试

160阀主阀(含缓解阀)、充气阀单独进行试验台性能测试。主阀的测试需对120阀试验台进行改造：将制动缸改造成容积室，将副风缸改造成工作风缸；改造后的试验台需在机能检查合格后方可使用。充气阀通过转换座可在120阀试验台上测试。160阀主阀的试验台性能测试见表1。

表1　160阀主阀试验台性能检测

[a]试验标准依据《160 km/h快捷货车总体技术条件》并参照《120阀试验台试验方法》制定。

(2)室内单车试验

单车试验测试按TB/T 1492—2002 《铁道车辆制动机单车试验方法》[5]进行。单车试验时将控制阀主阀、充气阀、紧急阀、随重调整阀等集成安装在板座上，并连接好各风缸及管路组件。

从试验台(表1)和单车试验(表2)结果看，160阀制动、缓解等性能参数满足《160 km/h快捷货车总体技术条件》提出的要求：与随重调整阀配合使用形成二压力间接作用式，制动缸上升5～7s、制动缸缓解7～9 s，具有半自动缓解功能，适应机车制动机无压力保持操纵又能适应机车制动机有压力保持操纵的要求。

表2　120阀和160阀制动、缓解时间及快运控制阀要求[a]s

[a]：重车工况进行单车试验检测制动缸压力，120阀列车管定压500 kPa， 160阀列车管定压600 kPa。

160阀紧急制动升压3～5 s，较快的制动升压速度能减小制动空走时间，有利于缩短制动距离，按客车104阀的经验似能满足160 km/h快捷货车紧急制动限距要求，但尚需进一步列车编组试验的检验。

(3)环境试验

《160 km/h快捷货车总体技术条件》要求在-40℃～50℃环境温度下能正常工作。对160阀通过第3方进行了环境试验验证，试验工况如表3所示。为探索160阀功能正常的低温下限，低温试验采用了更严苛的-50℃～-48℃。

表3　环境试验温度及保温时间

试验结果显示，在常温、低温、高温环境下160阀作用正常，并且其不仅能满足-40℃～+50℃使用环境温度，甚至还能在更严苛的-50℃低温环境下保持功能。

(4)冲击和振动试验

冲击和振动试验由第3方参照GB/T 21563—2008 《轨道交通 机车车辆设备 冲击和振动试验》[6]进行。试验时按1类B级车体安装，试验频率：f1=5 Hz，f2=150 Hz。进行了长寿命试验、冲击试验和功能性随机试验。功能性随机试验中

160阀功能正常，未产生机械损坏；冲击和振动试验后性能复测正常。

总之，试验结果显示160阀制动、缓解等性能满足快捷货运列车空气控制阀的要求。160阀保留了120阀的诸多优点，如适应压力保持操纵，尽管去掉了加速缓解风缸但仍具有良好的加速缓解功能等；且很多零部件与120阀通用，其检修、运用和推广都相对方便。

5　结　论

介绍了160阀的研发背景、总体方案、结构特点及部分试验结果。160阀含主阀、半自动缓解阀、紧急阀、充气阀以及连接这些阀和风缸组件的安装座等，与随重调整阀配合使用形成二压力间接作用方式。本方案中主阀采用金属滑阀结构，设计了两步局减结构，因二局减引向的容积室容积较小，故适当加快了一局减的排气速度、提高了二局减的关闭压力，将制动缸的升压时间控制在5～7 s；设置的加速缓解功能，以容积室缓解时排出的空气为信号、由副风缸(兼为制动缸供风)为加速缓解作用供风；设置独立充气阀使列车管向副风缸单向充风。160阀很多零部件与120阀通用互换，其检修、运用和推广都相对方便。试验台试验、单车试验、环境及冲击振动试验结果表明160阀各性能参数达到预期目标，建议进行列车试验验证和运用考验。