65t 电机车气制动系统的设计与应用

徐顺利

（中铁长安重工有限公司，陕西 西安 710032）

在地铁施工配套设备中，机车的吨位和运输能力越来越大，因此研究重载电机车刹车性能对公司产品线完善和行业进步都有积极的推动作用。小吨位电机车组气制动系统往往采用单气路，刹车力小，在此基础上，研究设计大吨位电机车气制动原理，并在应用过程中找出造成制动速度慢和声音大的因素，积累重载机车的设计和应用经验。

1 气制动系统设计

1.1 原理设计

系统由空压机提供气源，储气罐储存气体，经手动换向阀、电磁换向阀、梭阀、减压阀等控制元件控制，实现整列车常规制动和紧急制动。系统气压0.8MPa，对于钢轮制动过大，气压过大将使闸瓦和钢轮紧紧抱死，从而靠钢轮和钢轨之间的滑动摩擦力来制动，制动距离远大于闸瓦和钢轮之间滚动摩擦力所产生的制动距离。通过给制动气路配置减压阀来降低制动气压，减压阀的压力计算和调定对整车制动性能起到很关键的作用。系统首次将梭阀和电磁换向阀配合使用，实现自动刹车紧急制动。正常情况下手动阀制动，制动气体从手动换向阀直接到梭阀，经过减压后到钢轮制动；机车行走时，气体从手动换向阀到电磁换向阀常通位，再到气缸，解除制动；当遇到机车超速或失速时，电磁换向阀自动带电，气体从电磁换向阀通过梭阀、减压阀再到气缸，启动制动状态，自动刹车。总气路、制动气路和缓解气路分别配备了气压传感器。

1.2 系统的计算

（1）气缸初始状态弹簧的计算。如图1 机构受力图所示，气缸活塞杆缩回，钢轮制动；活塞杆伸出，解除制动。

制动气缸参数：缸径：D=220mm；杆径：d=50；行程

L=160mm。

弹簧初始力：7328N；弹簧终压缩力：14391N；系统气压：p=0.6MPa。

气缸内部弹簧受力变化如图2。

图1 机构受力图

弹簧刚度系数：气缸初始状态弹簧压缩量为：

（2）气缸缓解状态下力的计算

图2 气缸弹簧受力变化示意图

缓解完全，弹簧终压缩量为326mm，终压缩力为14391N，气缸无杆腔的气体压力F1和弹簧力F2反向。

空气压力F1＞弹簧力F2，气压0.6MPa 满足缓解要求。（3）气缸制动状态下力和气压的计算

式中：μ 为中磷闸瓦与车轮摩擦系数，取0.4

气缸有杆腔空气压力F1和弹簧力F2同向，气缸伸出130mm。

根据计算，整个制动系统气压设定为0.3MPa，即减压阀压力为0.3MPa。制动时，当无杆腔气压降低到低于弹簧力，弹簧由受压缩状态迅速恢复将活塞杆收回，故制动速度远远大于缓解速度。

2 气制动系统应用

将气制动系统应用在65t 电机车样机试制中，在试制过程中，发现制动效果不好，现就遇到的具体问题及解决方法叙述如下。

在样机试验中，气缸伸缩过程中有以下问题：

（1）气缸制动速度慢，严重影响机车和人员安全。

（2）气缸缓解速度过慢，有爬行现象，活塞杆端有轻微振动。

（3）气缸动作时声音异响大，刺耳，影响操作者感受。

针对以上问题，分析有以下两个原因。

（1）机械结构问题。如上图2，观察当气缸制动时，活塞杆端销轴略微有抬起现象，怀疑气缸和拉杆、闸瓦托之间动作不协调，存在卡顿现象，机械摩擦力增大，影响气缸速度，异响是机械摩擦产生的。为了验证这个原因，将电机车气缸耳座处连接的销轴全部拿掉，观察气缸自由工作状态时有无异响和对速度的影响，结果发现异响和速度问题依然存在，排除了机械机构卡顿的原因。

（2）快速排气阀问题。快排阀装在气缸和换向阀之间，使气缸的排气不用通过换向阀而快速排出，从而加快气缸往复运动速度，缩短工作周期。

快排阀工作原理如图3，快排阀有三个阀口，P、A、R，P 接气源，A 接执行元件（气缸），R 接大气。

图3

快排阀有以下三种受力情况。

（1）若P 口气压高，则皮碗上移，将R 口封闭，空气从皮碗圆周处泄露进入A 口，P 口和A 口相通。

（2）若A 口气压相对高，则皮碗必下移，空气进入R口排气，A 口和R 口相通。

（3）若P 口和A 口气压相等，也就是电机车的工作状态，这种情况下受力很关键。皮碗上表面的受力面积，皮碗下表面受力面积，根据压力公式,因下方受力面积大于上方受力面积，所以皮碗受到向上的力，仍然将R 口封闭住。所以在电机车工作状态P 口和A 口气压相等（0.3MPa）情况下，皮碗还是能将R 口封闭，仍然是P 口和A 口相通，这是快排阀能起作用的关键所在。

经过多次试验注意到一个现象：制动瞬间从手动换向阀排气量较大，正常手动阀只排除管道内气体，应小于从快排阀排出的气缸内气体量。而试验现象是快排阀处排气量不够明显，于是拆掉快排阀进气口P 处胶管，发现气缸内气体（即A 口气体）从R 口和P 口同时排出，这不符合快排阀工作原理，于是问题找到，出在快排阀本身。

（1）动作缓慢原因是：排气时，如图3 所示，快排阀内部皮碗发生倾斜，这样气缸内气体从A 口经倾斜的皮碗同时进入R 排气口和P 口，P 口气体再经管道至手动阀处排气，无形中增加了排气路径，形成管道背压，使得油缸的气体不能快速从排气阀排出，造成动作缓慢，影响机车的制动和缓解性能。

（2）异响问题是：压力气体经倾斜活塞的间隙快速冲击金属管道所产生的刺耳声音。

快排阀全部更换后，排气声音恢复正常，气缸制动速度大大提高，反应迅速，制动性能良好，缓解动作平稳、速度合适，故障排除。

3 结语

经过样机验证，气制动原理设计合理、性能可靠，对同类型机车的制动系统有一定指导意义。设计理念必须靠试验来验证，如文中所述，即使整车制动原理正确，一个快速排气阀就能很大影响机车的制动性能。在气制动系统中每个元件的作用都不可替代，要充分了解每个元件的性能及它们组合在一起的作用，使之达到最好的效果。