HXD2系列机车制动系统分配阀设计及运用分析

王树海, 刘治国

(中车大同电力机车有限公司 技术中心， 山西大同 037038)

在机车车辆制动系统中，分配阀至关重要，它根据列车管的压力变化来控制制动缸的充气和排气，实现机车车辆的制动、保压和缓解作用。分配阀的特点是列车管减压时制动、增压时缓解，分配阀在空气制动机中很重要，如果发生故障，作用就会完全失效，行车安全就没有保障[1]。在国内，大多数机车车辆装用的是二压力分配阀，例如电力机车装用的109分配阀，客、货车辆装用的104、120分配阀都属于二压力分配阀，该类分配阀为一次缓解型分配阀，缓解速度快、时间短。

随着我国铁路装备技术的飞速发展及技术全球化，法国法维莱先进的机车车辆制动机随着和谐机车的技术引进被带入我国，法维莱制动系统主要包括制动控制单元(BCU)、EUROTROL模块、SW4分配阀、转向架中继阀等部件，其中SW4分配阀为三压力结构分配阀，与我国常用的二压力结构分配阀在性能上有明显差异。

HXD2系列机车是由中车大同电力机车有限公司在阿尔斯通机车平台上研制并生产的大功率交流传动电力机车，该机车自交付以来，一直作为主型机车承担大秦铁路的重载牵引运输任务，其出色的牵引、制动性能得到了用户的广泛赞誉，尤其是该机车采用的法维莱EUROTROL空气制动系统，性能稳定，为保证机车的正常安全运行提供了坚实的保障[2]。目前，已装用法维莱EUROTROL空气制动系统，包括SW4分配阀的机车有HXD2机车、HXD2B机车、HXD2C机车、HXD2新八轴机车、FXD2B机车等。图1为HXD2新八轴机车制动控制部分空气管路原理图。

图1 HXD2新八轴机车空气管路原理图

从原理图中可以看出，该机车制动控制部分主要包括：制动控制单元、EUROTROL模块、隔离模块、分配阀模块、SW4分配阀、直接制动模块和转向架中继阀模块。其中，分配阀模块为电子分配阀，用于计算机控制实现机车制动缸的充气和排气作用； SW4分配阀为纯机械结构分配阀，只在电子分配阀故障或机车无动力回送情况下使用，是机车制动系统使用的基本保障。

1 问题的引出

SW4分配阀是符合UIC标准并通过UIC认证的制动系统主要部件，该阀在欧洲的机车、客车、货车、调车机车、动车、高速列车及地铁列车中均有装车使用经验。该阀结构简单，具有良好的运用性能，与市场上的其他分配阀相比，维修较为简单。此外，从安装角度看，SW4分配阀具有明显优点，该阀可以安装在装有"三通阀"型法兰盘的支架上，也可以装在与德国克诺尔公司的KE分配阀相似的法兰盘支架上，或通过更换接口组件，安装在其他的结构上，安装方式的适应性很强。

SW4分配阀的主要相关部件包括：副风缸、控制风缸以及这两个风缸的充气和截断装置、副风缸的延迟充气装置、手动和自动缓解阀等。结合这些部件SW4分配阀可以实现的主要功能有：

(1)有效控制制动缸的最大压力；

(2)有利于适应列车管的不同容积；

(3)通过加速器锁闭装置避免在特殊情况下导致的分配阀泄漏；

(4)实现客运/货运转换，客、货车通用。

该阀可以实现当制动控制器处于运转位时，列车管与控制风缸相通。当列车管压力在60 s内下降小于4 kPa时，制动机不产生制动作用，保证机车车辆制动系统的稳定性。

SW4分配阀一般通过支座固定在制动柜上，通过气路接口和列车管、制动缸、辅助风缸、控制风缸相连。如图2所示，在分配阀内部，主要包括：主活塞1、密封阀2、切断阀5以及活塞4和止回阀3等部件。

1-主活塞；2-密封阀；3-止回阀；4-活塞；5-切断阀。图2 SW4分配阀充气过程气路原理

如图2所示，SW4分配阀的充气过程：来自列车管的压缩空气到达A区并通过止回阀3进入了D区和辅助风缸。同时，由于活塞4中弹簧的作用，导致切断阀5处于打开的状态，于是来自列车管的压缩空气通过缩孔进入B区和控制风缸。当A区和B区的压力相同时，充气过程就完成了。制动缸通过C区的排风孔和主活塞1的中空阀杆进行排气。

1-主活塞；2-密封阀；3-止回阀；4-活塞；5-切断阀。图3 SW4分配阀制动过程气路原理

如图3所示，SW4分配阀的制动过程：由于列车管压力的下降，导致A区压力下降。由于缩孔的作用，B区的压力比A区压力下降的更慢，这就导致主活塞1向上运动，阻止了主活塞1的中空杆和被推起的密封阀2的联通。这时，辅助风缸的压缩空气开始向制动缸充气，制动开始实施。当制动缸压力到达E区，活塞4上升切断了列车管和控制风缸的通路。

1-主活塞；2-密封阀；3-止回阀；4-活塞；5-切断阀。图4 SW4分配阀中立过程气路原理

如图4所示，SW4分配阀制动或缓解后的中立过程：当列车管的排风终止，C区的制动缸压力作用在主活塞1上，该压力和由于A区、B区压力不一致产生的力正好相同。这时，主活塞处于一个平衡状态，密封阀2的排风口处于关闭状态。当列车管的压力继续下降后，主活塞1的平衡被破坏，C区增加的压力作用在主活塞1上，主活塞1开始上升，密封阀2的排风口重新打开排气，直到达到新的平衡时，密封阀2的排风口关闭。

1-主活塞；2-密封阀；3-止回阀；4-活塞；5-切断阀。图5 SW4分配阀制动后缓解过程气路原理

如图5所示，SW4分配阀制动后的缓解过程：列车管充气增压时，导致主活塞1向下运动，推动中空阀杆离开密封阀2，这时，制动缸的压力空气排大气。如列车管停止增压。主活塞1上下压力一致，制动缸排大气口关闭，制动缸压力停止排大气，压力保持不变，实现了阶段缓解。当C区压力下降到和A区、B区的压力差一致时，制动缸停止排气。列车管压力增加时，在制动缓解状态中，辅助风缸重新充气。在完全制动缓解状态，制动缸的压力小于10 kPa，此时，活塞4向下移动推动阀5离开阀座，最终，控制风缸的压力通过缩孔和列车管的压力保持一致。

通过以上原理分析说明，可以看出，SW4分配阀也具有列车管减压制动，增压缓解特点，但缓解特点是属于阶段缓解，就是在缓解时，制动缸压力随着列车管压力上升而减小，使得制动缸的缓解时间较长，并且只能在列车管压力接近或等于定压时，分配阀方能将制动缸压力完全排出，达到机车车辆的完全缓解。这就造成了国内车辆与装用法维莱使用三压力分配阀的机车在列车缓解时的不匹配，尤其是装用SW4机车作为无火回送状态使用时，当本务机车缓解时，在列车中装备二压力分配阀的车辆已经缓解后，但装用三压力分配阀的无火机车尚未完全缓解，此时机车往往已开始施加牵引动力，可能造成无火回送机车车轮踏面擦伤或列车断钩的风险，影响列车行车安全。

2 解决方案

为了使SW4分配阀满足国内铁路机车车辆的使用要求，必须对该分配阀进行适应性改造，下面就中车大同公司和谐2型电力机车法维莱制动机SW4分配阀改造原理进行阐述。

2.1 具有阶段缓解功能三压力分配阀控制原理

原引进机车SW4三压力分配阀控制原理如图6所示，该分配阀具有阶段缓解功能，其在国外使用时与之相配套使用的车辆制动机分配阀也需具有阶段缓解功能。

所谓的三压力为列车管压力、控制风缸压力和制动缸压力。其中控制风缸压力一般为定压，在列车管完全充满风后与列车管压力一致，并且在正常制动过程中维持定压，制动缸压力则与列车管的减压有关，制动缸压力的大小与列车管的减压量成一定比例关系。

图6 三压力分配阀控制原理

2.2 三压力分配阀改造成具有一次缓解功能控制原理

改造的基本原则是，保留原SW4三压力分配阀外观及性能，通过对原三压力分配阀外围增加一些设备，使之具有一次缓解功能，在制动后能够实现快速缓解，从而能够与我国现运行二压力分配阀匹配；并且在使用时，也可以根据需要选择使用阶段缓解功。SW4分配阀改造成具有一次缓解功能控制原理如图7所示。

图7 具有一次缓解功能的SW4分配阀控制原理

图7中的SW4分配阀与图6中的完全相同，是具有阶段缓解功能，当控制风缸隔离阀处于关闭位时，此时图7与图6功能完全相同，具有阶段缓解功能，无一次缓解功能。当控制风缸隔离阀处于联通位时，此时分配阀控制具有一次缓解功能，无阶段缓解功能。为了满足一次缓解功能，如图7在SW4分配阀部分增加了控制风缸隔离阀、控制风缸单向阀和控制风缸中继阀等部件。

具体设计条件为：当司机将制动手柄打到运行位，列车管压力开始上升，当压力大于300 kPa时才会发生一次缓解，通过控制风缸中继阀可确保此功能。

控制风缸中继阀压力值的选取：

由于我国列车采用的列车管定压是500 kPa或600 kPa两种模式，所以下面就列车管分别处于500kPa和600 kPa两种状态分别讨论一次缓解临界压力值300 kPa，即控制风缸中继阀压力值的选取。当列出管定压为500 kPa时，由于SW4分配阀处于常用制动时，列车管路最小减压量为50 kPa，列车管路最大减压量为140 kPa，所以，当分配阀处于常用制动状态时，列车管的最大值为500 kPa-50 kPa=450 kPa，列车管的最小值为500 kPa-140 kPa=360 kPa，所以列车管压力值范围为360～450 kPa。也就是说，当缓解SW4分配阀要产生一次缓解状态时，列车管压力值为360 kPa～450kPa。由于在管路里压缩空气的压力值处于一个动态平衡的状态，考虑到管路泄漏，压缩空气压力在管路的传递速度，可以保证当分配阀要发生一次缓解状态时，列车管的压力值大于300 kPa，故将一次缓解的临界压力值选取300 kPa。

当列车管定压为600 kPa时，由于三压力分配阀处于常用制动状态时，列车管路最小减压量为50 kPa，列车管路最大减压量为170 kPa，所以，当阶段缓解分配阀处于常用制动状态时，列车管的最大值为600 kPa-50 kPa=550 kPa，列车管的最小值为600 kPa-170 kPa=430 kPa，所以列车管压力值范围为430～550 kPa。同列车管定压为500 kPa的分析，可以保证当三压力分配阀要发生一次缓解状态时，列车管的压力值大于300 kPa。

下面就以列车管定压为500 kPa为例，来说明三压力分配阀一次缓解功能。

三压力分配阀常用制动后，列车管压力下降，从上面分析得知，列车管压力值为360～450 kPa，列车管的压力大于300 kPa，控制风缸中继阀打开，使缓冲风缸的压力值与当前列车管压力值相同，当机车开始缓解时，列车管压力值开始增大，由于控制风缸单向阀2及1 mm缩孔和控制风缸单向阀3及1.5 mm缩孔的作用，使得缓冲风缸的压力值略小于列车管压力值，当缓冲风缸与列车管压力值差大于20 kPa时，控制风缸开始通过控制风缸隔离阀→控制风缸单向阀1→控制风缸止回阀向列车管充风，三压力分配阀输出制动缸控制压力差快速变为零，制动缸完全缓解；当列车管与缓冲风缸之间压力差小于20 kPa时，控制风缸止回阀将自行关闭，切断控制风缸与列车管之间的通路。当制动缸完全缓解后，列车管压缩空气通过分配阀重新充入控制风缸，直到控制风缸达到定压为止。当列车管定压为600 kPa时，三压力分配阀常用制动后，列车管压力值为430～550 kPa，从上面的分析与说明可以得知，列车管压力值大于300 kPa，也可以实现一次缓解。

方案实施前，SW4分配阀的缓解功能如图8所示；方案实施后，该阀的缓解功能如图9所示，通过图示，可以明确通过方案的实施，SW4分配阀已实现了二通阀的缓解要求。

图8 SW4分配阀阶段缓解功能

图9 SW4分配阀一次缓解功能

3 结 论

通过对满足UIC标准的SW4分配阀进行分析、改进和运用，使得只能在UIC标准框架下使用的分配阀满足了中国铁路使用要求，在原来只有阶段缓解的基础上增加了一次缓解，增加了使用范围和功能，满足了和谐2型机车制动系统分配阀设计及运用需求，该方案已在和谐2型系列机车上批量装车运用，验证效果良好；在整个使用期间内没有发生缓解不到位的制动现象，满足了使用需求，取得了良好的运用效果。SW4分配阀的成功改造应用，扩展了该阀的使用范围，为今后SW4分配阀的使用推广创造了条件，也为其他类似成熟产品运用提供了参考。