DK－1制動機改進設計及綜合分析與探討

徐 暉

（中國南車 株洲電力機車有限公司，湖南株洲412001）

1 機車制動機系統現狀概述

現在國內機車制動機的控制，是對風路的控制過程。國產的DK－1制動機對風路之間的邏輯控制關系實現主要依靠各型的復雜專用氣閥來實現，這樣經過幾十年的實踐運用，這些復雜專用氣閥的功能性、穩定性和可靠性得到了驗證。但系統中也暴露出一些問題，比如相對復雜的管路系統總是存在一些故障率，有些故障的判斷較困難，沒有網絡控制，制動機的功能性較少，這些問題的存在影響了DK－1制動機的發展空間，現在克諾爾公司CCBⅡ和法維萊公司等外國制動機已經進入了中國新造電力機車的制動機市場。

國外的制動機具有成熟、可靠的元件模塊和先進的網絡控制系統，功能全面，相關設計比較復雜，但在中國鐵路運用的適應性、可靠性和穩定性還有待時間檢驗。中國機車直接使用國外制動機存在一些現實問題，如價格很高且機車全壽命的使用期間制動機的維護都要依賴外國公司，維護成本很高；外國公司售后服務的及時性不如中國公司，有的一些疑難故障要把相關參數文件發到國外去分析，時間成本高等。

國產的DK－1制動機經過長期的運行檢驗，已有很多成熟的經驗，特別是一些獨具特色的控制模塊、集成模塊和控制方式，如電控制動器（大閘）、空氣制動閥（小閘）、分配閥、中繼閥、過充控制方式、時間定位減壓，這些都是珍貴的經驗和知識產權，如果把存在的一些問題進行改進設計，再運用一些先進的網絡控制技術和先進的控制元件，完全可以把國產的DK－1制動機改造成具有中國特色的、先進的、可靠的、全功能的、低成本的、具有國際競爭力的制動機控制系統。

2 DK－1制動機的改進設計

通過對機車制動控制理論的研究，認為機車對風路控制總體的要求并不是很多和很復雜，重要的是可靠性和功能性，以下是總結和分析DK－1制動機場現運用的實踐經驗，針對控制方面的一些薄弱環節，結合先進的傳感器和網絡控制方式，對DK－1制動機進行升級改進的設計構想。

2．1 國產DK－1制動機在運用中的問題

國產DK－1制動機經過幾十年的運行其基本性能得到充分的檢驗，但隨著控制技術的發展和鐵路運輸要求不斷的提高，國產DK－1制動機存在越來越大的改進設計空間，具體概括如下。

在控制理論方面的不足：（1）分配閥主閥部的控制原理，使制動缸壓力控制的線性度不好，容易產生制動壓力沖動、控制模式固定化，不靈活。（2）緊急制動時機車制動最大壓力由分配閥安全閥排風控制，會造成機車制動壓力的不斷波動，這對閘瓦和輪對都不好。（3）DK－1制動機斷電后會排總風，造成風源的浪費。（4）緊急制動時小閘對機車制動缸的控制能力不足。（5）大閘的控制邏輯關系復雜又不統一，造成檢修和維護的麻煩。（6）不具備遠程控制功能。（7）沒有運用工況的顯示、判斷、記憶和儲存等功能。

在技術工藝方面的不足：在現有的設計工作狀況下，分配閥主閥部、分配閥安全閥、壓力開關、小閘、相關重要的調壓閥、電控閥故障率都較高，均衡管漏風故障很難查找、無火回送操作麻煩等，這些小而廣的問題對DK－1制動機的聲譽造成很大的影響。

2．2 改進后的空氣管路原理圖（圖1）及簡單說明

調壓閥1正常位時為300 k Pa，空氣位時為500 k Pa或600 kPa、調壓閥2為500 k Pa或600 k Pa、調壓閥3為250 k Pa、調壓閥4為450 k Pa。

小閘略加改動：改變定位凸輪形狀，使運轉位時位置開關與定位凸輪配合，其他位置時位置開關與定位凸輪分開。小閘功能改變為制動位、運轉位和緩解位，其余為控制區。改進后的小閘控制邏輯為在運轉位時不起控制作用，在其他位置時小閘可絕對控制機車制動缸壓力。改變后的定位凸輪與位置開關配合如圖2。

圖1 DK－1制動機改進設計管路圖

正常電控控制時：塞門2、塞門3處關閉狀態，由相關電控閥控制中繼閥從而控制列車管部分，相關電控閥或小閘控制分配閥，從而控制制動缸管部分。

空氣位時：小閘、轉換塞門和塞門2轉空氣位，由小閘同時控制中繼閥和分配閥。

2．3 改進后的控制電路原理示意圖（圖3）及簡單說明

圖2 定位凸輪配合圖

圖3 DK－1制動機改進設計電路示意圖

電控閥部分全部使用普通電控閥。大閘控制分成6個位置卻只有5根信號線（圖4），全部斷電即為重聯狀態，這樣大閘控制簡單明了，既減少了連線可靠性高也方便遠程控制的實現，可以定為統一的控制設計標準。遠程控制原理即通過遠程控制單元接收或發射的無線信號，模擬一個虛擬大閘參與制動機控制。由于遠程控制信號都是開關信號，更容易做到及時和同步。

圖4 大閘原理圖

2．4 基本控制邏輯程序編寫如下（圖5）

通過相應的程序控制，管路部分和電路部分的配合，完全可以實現機車DK－1制動機的全部控制功能，即大閘的過充位、運轉位、中立位、制動位、重聯位、緊急位的全部功能，小閘全部功能，空氣位功能，無火回送功能，監控控制功能、補風功能、空電聯合功能等，還有DK－1制動機不具備的開機自檢功能，顯示、記憶、分析、判斷、跟蹤和遠程控制等功能，也考慮了運行中突然失電后的安全控制。

2．5 具體控制功能說明（以貨車列車管500 kPa為例）

大閘過充位，小閘運轉位時：充1得電、均衡風缸充風至500 kPa（傳感器1）。充3、排3得電過充風缸充總風。中繼閥給列車管充風至530 kPa（傳感器3）左右。排2得電、轉換得電，制動缸保壓。

大閘運轉位，小閘運轉位時：充1得電、排1得電均衡風缸充風至500 k Pa（傳感器1）。排2失電、轉換得電，容積室排風至0（傳感器6），制動缸緩解。排3得電，過充風缸自己緩慢對外排風。中繼閥控制列車管緩慢排風至500 k Pa（傳感器3）。

大閘中立位，小閘運轉位時：充1失電、排1得電，均衡風缸保壓（傳感器1）。排2得電、轉換得電容積室保壓，制動缸保壓。排3得電，過充風缸自己緩慢對外排風，中繼閥控制列車管緩慢排風至500 k Pa（傳感器3）。不補風，遮斷得電斷開中繼閥的供風。補風，遮斷失電打開中繼閥的供風。

大閘制動位，小閘運轉位時：排1失電，均衡風缸排風，最小減壓量40 k Pa，最大減壓量180 kPa（傳感器1），通過時間定位減壓量。排3失電，快速排空過充風缸風壓。充2得電、排2得電、轉換得電，容積室充風，充風時間與排1排風時間相同，通過縮孔3的調節使容積室充風與列車管減壓的比例為2．5∶1，最大充風為350 k Pa（傳感器6），分配閥均衡部控制制動缸壓力上升。

圖5 DK－1制動機改進設計邏輯控制圖

大閘重聯位，小閘運轉位時：排1得電、重1得電，均列管溝通。遮斷得電斷開中繼閥的供風。中繼閥失去作用。排2得電、轉換得電，容積室保壓。

大閘緊急位，小閘在任何位時：排1得電、重1得電，均列管溝通。遮斷得電斷開中繼閥的供風，中繼閥失去作用。電動緊急閥得電，列車管壓力快速排到0，均衡風缸壓力通過重1快速排到0。排2得電、充2得電、轉換得電，容積室充風到450 k Pa（傳感器6），分配閥均衡部控制制動缸壓力上升到450 k Pa。

大閘緊急位后緩解，小閘運轉位時：必須在15 s后回到重聯位一次才能緩解。

電制動時：排2失電，對外排風。

大閘在任何位，小閘不在運轉位時：大閘在緊急位時，排2得電、充2得電、轉換得電，容積室充風到450 kPa（傳感器6），分配閥均衡部控制制動缸壓力上升到450 kPa，小閘必需回到運轉位一次才能控制和緩解機車制動缸壓力。大閘在其他位時，轉換失電，切斷排2、充2對控制風缸的控制，溝通了作用管對容積室的控制。排2失電排風。小閘通過作用管控制容積室，從而控制制動缸壓力。

備用1電控閥作用：機車起緊急時監測容積室壓力上升是否正常，若不正常則備用1得電、轉換失電，由分配閥主閥部來控制容積室壓力上升。

分配閥主閥部投入工況（此為多一種備用功能的設計）：當司機判斷出排2、充2電控閥控制出現故障，不能正常控制容積室壓力時，可把塞門2打到導通位，電路自動控制轉換1失電。若小閘在運轉位時：備用2得電，分配閥主閥部可完全控制機車制動缸壓力。若小閘離開運轉位時：則備用2失電，小閘可以絕對的控制機車制動缸壓力。

本務機車時：重聯閥至本機位，制動缸管通平均管。補機機車時：重聯閥至補機位，容積室管通平均管。遠程控制時：本機控制，大閘位信號通過遠程控制單元發送出去。補機控制，兩個大閘置重聯位，遠程控制單元接收信號轉換為大閘控制信號控制機車。

控制電源突然斷電時：排1失電把均衡風缸風壓排至0，中繼閥排列車管風壓至0。轉換失電，小閘通過作用管控制容積室，從而控制制動缸壓力。

空氣位操作時：轉換塞門、塞門2、小閘都打空氣位，調壓閥1調到500 k Pa，控制方式與DK－1相同。轉換1、排2、重1失電。

無火回送時：塞門2打空氣位，塞門1、塞門3打無火位。

3 改進設計特點及優勢

（1）由電控閥控制分配閥容積室，控制方式可以靈活，且對機車制動缸壓力控制線性度好，機車緊急制動時機車制動缸壓力穩定。

（2）均衡管管路系統范圍小、集中，回路漏風故障容易判斷和處理，并且在生產過程中加強質量控制就可徹底解決均衡管漏風造成的列車管不保壓故障。

DK－1均衡管管路系統范圍大、分散，回路漏風故障非常不容易判斷和處理，均衡管漏風就會造成制動不保壓故障。

（3）在電控閥排2、充2控制時，容積室管路系統范圍小、集中，回路漏風故障容易判斷和處理，只要在生產質量上加強控制完全可以徹底解決回路漏風制動缸不保壓的故障。

DK－1容積室管路系統范圍大、分散，若回路漏風就會造成制動缸制動不保壓故障。

（4）緩沖風缸、過濾器1的設計，可以使關鍵電控閥的供風得到預先的清潔和沉淀，對電控閥工作有很大的好處，并且也可改善調壓閥2的工作條件，即調壓閥2充風過程中的初始充風風壓最低也在250 k Pa以上，調壓充風過程中壓力變化波動小對調壓閥有利。

DK－1的相關電控閥和此處調壓閥的故障率高。

（5）中立位保壓的程序設計，主要針對DK－1制動機在頻繁工作中調壓閥2有時會出現定壓不準壓力緩慢上升的故障，若上升壓力過大就會影響到行車安全。現均衡管回路設計保壓可靠，所以可在中立位保壓的設計來控制上述故障的危害影響。

（6）制動機正常工作時分配閥主閥部一直處在充風緩解位不起控制作用。主閥部非常精密從而也是比較薄弱的環節，DK－1實際運用因雜質和磨耗造成分配閥主閥部的故障率較高。改進后的設計主閥部在機車正常操作時不起控制作用，使用時間大大地減少，雜質和磨耗就大大的減少，所以相對薄弱環節的主閥部故障率較高的問題得到徹底地解決。

（7）DK－1增壓室很少有機會起作用，容積室風壓不會超過450 k Pa，所以分配閥的安全閥可調到455 k Pa排風后，就基本上不會出現安全閥排風的情況了。并且無火回送的設計，安全閥也不用反復地調節了。安全閥實際運用中故障率非常高的現象得到根本徹底的解決。

DK－1分配閥的安全閥經常大量排風，機車斷電后的總風基本上都是通過安全閥排完的，安全閥過于頻繁的排風在實際運用中經常造成損壞、漏風和松動，影響機車制動缸上閘，并且安全閥的頻繁排風過程中機械沖擊力也容易造成分配閥其他部分的故障和損壞。無火回送時安全閥要調到160 k Pa，也給司機帶來麻煩。

（8）機車斷電后列車管常用減壓到0，總風缸不排風，只要有總風小閘在機車任何狀態下都能可靠、方便、迅速、靈活地控制制動缸壓力，這也是DK－1、DK－2系列和國外制動機系統都不具備的。

（9）總風排風塞門的設計方便需要時在機車上進行總風的排放。根據現場運用經驗了解到，有時為了相關部件的調整需要釋放總風，經常是通過頻繁的打緊急位排風，這樣對制動機不好排風也慢。

（10）小閘位置開關與定位凸輪只在運轉位配合其他位置分開，這樣的設計對位置開關起到很好的保護。

DK－1的小閘位置開關與定位凸輪的配合距離很長，現場發現幾乎所有位置開關的接觸彈片都把凸輪磨出很長的痕跡，頻繁的機械摩擦容易使接觸彈片發生崩脫造成制動控制故障。

（11）大閘控制邏輯關系簡單明了可靠，減少了機車的布線，降低成本，并且這種控制方式可以很方便的配合實現遠程同步控制。重聯位設計成全斷電狀態，可使同臺機車兩端操縱的大閘做到完全獨立，即可以把故障大閘拆除而不會影響正常大閘對制動系統的控制，若兩端大閘都在重聯位時就可以接受遠程信號的控制。

（12）電路控制設計運用網絡技術和多功能顯示屏，可以方便做到相關信息的傳輸、存儲、顯示、分析和控制等的全面功能。多功能顯示屏可以根據需要進行很豐富的功能設計，例如對制動工況進行全屏顯示和記錄，就可非常方便地對制動工作狀態的掌握和故障的判斷查詢等。也可以根據成本的要求去除多功能顯示屏設計，設計方式非常的靈活。

4 綜合比較和總結

DK－1制動機改進設計整體控制和功能都比較清晰、明了和容易理解，針對薄弱環節改進和功能提升后完全能勝任交流機車的控制要求，若不用顯示屏的簡化版設計，成本更低，完全可以作為現有直流機車制動機的升級選擇。

和國外制動機比較具有的優勢：低價格、高可靠性、純空氣控制的備用環節、任何狀態下不排總風，小閘可靠迅速的控制機車制動缸壓力、有過充功能，方便列車管的迅速緩解、維護檢修方便，機務段能夠輕易學習和掌握，維護成本低、具有司機熟悉的操縱方式，列車管減壓控制更精確等。

國外制動機設計使用了特色且昂貴的集成模塊、控制元件和很多快速電控閥，所以成本很高。而DK－1制動機改進設計充分運用和發揮了經過長期檢驗成熟可靠具有獨特的模塊和控制單元，用的都是普通電控閥，所以成本低。普通電控閥相對來說控制精度要差些，機車制動機控制要求更看重的是可靠性和功能性，普通電控閥的控制精確度完全可以滿足要求的。

在實際的司機操縱中，DK－1制動機時間定位減壓的控制方式更能準確地進行制動減壓控制。國外制動機雖然用了很多高速電控閥，但位置定位減壓的控制方式是一個大概值的控制方式，所以司機實際操縱中并不能準確地進行制動減壓控制，只能控制大概范圍。也就是說改進型DK－1制動機的制動控制更精確，系統設計更加合理。

5 結束語

DK－1制動機可以通過很多不同的巧妙設計來達到性能的提升，以上只是對其中一個版本進行了詳細分析和探討。應該可以制定具有DK－1基本特色的行業標準，鼓勵大家根據用戶不同的成本和性能要求設計成系列產品，通過競爭來不斷發展和完善國產DK－1制動機控制系統。

只有發展和改善具有中國自己特色的設計和標準才會更具競爭力，若都去模仿國外的設計和標準那就可能永遠依賴和落后于別人。

［1］劉豫湘．DK－1型電空制動機與電力機車空氣管路系統［M］．北京：中國鐵道出版社，2006．