列车制动系统ZY3型作用阀研制

朱 宇， 刘文军， 申燕飞， 刘亚梅， 贺才建， 杜 霞

(眉山中车制动科技股份有限公司， 四川眉山 620010)

作用阀也叫中继阀，主要用于列车制动系统的输出回路，可输出与预控压力相同的大流量压缩空气。DK-2型机车制动机，通过计算机精确控制机车制动缸预控压力，再利用109H分配阀的均衡部作为作用阀，控制输出到机车制动缸的压力。109H分配阀内部结构还是沿用上世纪70年代的设计，由于设计结构所限，其均衡部控制精度较低，为20 kPa左右，检修期也较短，为1年。最近几十年，国外机车制动技术却有较大发展，最先进的同类产品的控制精度已经达到10 kPa，检修期长达6年，2012年前，国外产品几乎垄断了我国和谐机车制动系统。因此，研发一款控制精度高、检修期长的作用阀可以提高DK-2机车制动机整体技术水平，提升国产制动机竞争力，打破国外高技术领域的技术壁垒。

1 设计方案确定

作用阀的控制精度可以用预控压力与输出压力的接近程度来衡量，二者越接近，也就是压差越小，控制精度越高。列车制动系统用作用阀种类较多，设计结构也不同，但总的来说都是由作用活塞所承受预控压力和输出压力差来控制活塞移动，从而控制输出通路的充气或排气，直到所有作用力平衡。以109分配阀均衡部为例，根据设计结构分析，作用在均衡阀组成的总风压力和输出压力已经平衡，因此，109分配阀均衡部作用力可以简化为图1所示。

Pr为预控压强；Sr为预控侧作用面积；Pz为输出压强；Sz为输出侧作用面积；Fx为橡胶密封圈摩擦阻力之和；Ft为弹簧装配力。

平衡方程如下：

Pr×Sr=Pz×Sz+Fx+Ft

Pr=(Sz/Sr)×Pz+(Fx+Ft)/Sr

图1 109分配阀均衡部作用力示意图

由此方程可得出以下结论：

当Sr越大、Fx和Ft越小、Sz和Sr越接近时，Pr和Pz就越趋于相等，也就是作用阀的控制精度越高。

Sr是活塞面积，由于结构空间所限，不可能继续做得太大。Fx是橡胶圈固有阻力，只要是气压密封结构，也是无法消除的。因此，在新的作用阀设计方案中，应该把活塞预控侧作用面积Sr和输出侧作用面积Sz设计成相等，把弹簧力和其他平衡阻力做到最小。

2 结构及设计要点

根据设计方案，眉山中车制动科技股份有限公司于2015年研制完成了高精度和长检修期的作用阀，型号定为ZY3。

ZY3作用阀结构如图2所示，阀体、上盖、下盖和安装板通过螺钉固定，组成外部零件。作用活塞与作用活塞杆压装在一起，作用膜板套在作用活塞环形槽内，形成活塞组成。2个O形橡胶圈套装在双胶阀杆上形成一个整体，橡胶圈外形自然形成球面。活塞组成和双胶阀杆可以沿阀体中心轴向上下移动，形成作用阀的不同作用位。滤尘套可以防止总风的杂质进入阀内部，消声器可以减少排气时噪声。

1-阀体；2-下盖；3-作用膜板；4-作用活塞；5-作用活塞杆；6-作用阀座；7-O形橡胶圈10X6；8-双胶阀杆；9-上盖；10-弹簧；11-安装板；12-滤尘套；13-消声器。图2 ZY3作用阀结构图

ZY3作用阀设计要点如图3：

(1)活塞预控侧作用面积Sr和输出侧作用面积Sz相等

将活塞组成设计为空心，下端为排气口通大气，这样，活塞预控侧作用面积Sr和输出侧作用面积Sz可以设计为完全相等。109分配阀均衡部活塞两侧面积相差1 cm2。

(2)减少弹簧装配力

球面形状的橡胶阀可以在径向方向微调，和金属阀口自动对中。这样，橡胶阀只需要较少变形就能保证平衡时，各阀口密封，从而减少抵消橡胶件变形所需的弹簧装配力。ZY3作用阀比109分配阀均衡弹簧的装配力减少约10 N，相当于提高控制精度1.5 kPa。

(3)采用平膜板，减少摩擦力，提高膜板寿命

ZY3作用阀采用了平膜板，该结构中心不固定，依靠膜板两侧压力差自动密封。在活塞上下移动过程中，由于中心是浮动的，所以可以自动调整膜板拉伸量，保证膜板平顺，并且几乎不承受拉伸和摩擦力，既提高作用阀控制精度，又延长了膜板使用寿命。

图3 ZY3作用阀作用力示意图

3 试验验证及运用

为了验证其可靠性，制定了比铁标更加严格的型式试验大纲，耐久次数由10万次提高到30万次，并且规定，同一套阀，在完成耐久试验后，不进行维护，继续进行环境试验，并且各项参数要求合格。型式试验表明，该阀功能适用，性能可靠，控制精度可达10 kPa，能适应6年检修期的要求。

2015年开始新造DK-2机车制动机全部采用ZY3作用阀代替109H分配阀均衡部，如图4红色圆圈内所示。目前首批产品连续使用了4年，状态正常。ZY3作用阀提高了DK-2制动机的控制精度和可靠性，也使国产机车制动机的整体技术水平进一步提高，目前，DK-2制动机在我国新造和谐机车市场占有率已近提高到30%。

图4 ZY3作用阀装车实拍

4 技术参数

4.1 应用环境

(1)环境温度：-40℃～+70℃。

(2)振动和冲击：GB/T 21563-2008中I类的规定。

(3)工作介质：压缩空气，其质量应符合ISO 8573-1-2001中规定的固体颗粒3级、湿度等级2级、含油量3级的要求。

(4)防护等级：IP54。

4.2 性能参数

(1)最大工作压力1 000 kPa；总风压力：750～900 kPa。

(2)预控压力在5～600 kPa范围内控制精度：10 kPa。

(3)通量：充气通径15 mm，排气通径15 mm。

(4)检修期6年，使用寿命30年。

5 外形接口

ZY3作用阀为平面安装，预留4个M8安装螺钉孔，有预控、总风输入和输出3条外接通路。ZY3作用阀只有2.5 kg，外形和质量与我国既有同类产品有较大缩减，见图5。

图5 ZY3作用阀接口图

6 工作原理

ZY3作用阀有3个作用位置：升压位、降压位和保压位。如图6所示。

(1)升压位图6(a)

图6 ZY3作用阀压力位

当预控口压力上升时，活塞组成下方压力升高，推动活塞组成上移。首先，活塞组成上阀口顶住双胶阀杆下面橡胶圈，切断输出口与排气口的通路，然后，克服弹簧力使双胶阀杆继续上移，双胶阀杆上面密封圈与作用阀座阀口分开。总风压力空气经开启的阀口进入输出口，输出口压力上升，输出口压力还可以通过阀体内部小孔，进入活塞组成上方，使其上方压力上升。

(2)降压位图6(b)

当预控口压力下降时，活塞组成下方压力降低，上方压力推动活塞组成下移到下极限位，弹簧向下推动双胶阀杆，使其上方橡胶圈与作用阀座的阀口接触，关闭总风进入输出口通路。活塞组成上端阀口离开双胶阀杆下面橡胶圈，开启活塞组成上端阀口。输出口压力空气经开启的阀口，进入活塞组成中心孔，排入大气，输出口压力下降，活塞组成上方压力空气通过阀体内小孔，与输出口压力一起排入大气。

(3)保压位图6(c)

保压位有升压过程中保压和降压过程中保压2种情况。

在升压过程中，当预控口压力停止上升而保持压力时，活塞上方压力初期还会通过小孔，与输出孔压力一起继续上升，直到与活塞下方压力平衡，活塞组成就会下移，在弹簧共同作用下，双胶阀杆上部橡胶圈与作用阀座的阀口接触，关闭总风向输出口充气的通路，输出口与总风和大气的通路均被切断，输出口压力保持。

在降压过程中，当预控口压力停止下降而保持压力时，活塞上方压力初期还会通过阀体内部小孔，与输出口压力一起继续下降，直到与活塞下方压力平衡，活塞组成就会上移，活塞组成上端的阀口与双胶阀杆下部橡胶圈接触，关闭输出口排大气的通路，输出口与总风和大气的通路均被切断，输出口压力保持。

7 ZY3作用阀与109分配阀均衡部精度实测对比

为了便于对ZY3作用阀的控制精度进行更直观理解，任意抽取一套ZY3作用阀与109分配阀，在同一试验台对预控和输出压力进行实测，实测数据见表1：

从表1看出，随机抽样ZY3作用阀控制精度为8 kPa，比109分配阀均衡部的26 kPa有明显提高。

表1 控制精度实测统计表 kPa

8 结束语

ZY3作用阀是我国自主研制的控制精度最高的作用阀，检修期长，体积小，质量轻，已经达到了国外同类产品的先进技术水平，目前已在DK-2机车制动机成功运用。下一步将尝试在我国动车组制动系统中替代国外产品，打破国外技术壁垒。