出口愛沙尼亞機(jī)車制動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)和制動(dòng)能力分析

劉尚景，楊 陽，馮書銳

(北京二七軌道交通裝備有限責(zé)任公司 機(jī)車研發(fā)中心，北京100072)

出口愛沙尼亞機(jī)車用戶要求安裝國產(chǎn)JZ-7型空氣制動(dòng)機(jī)，從制動(dòng)性能方面考慮滿足用戶列車牽引的需要;實(shí)際應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)有我國在滿洲里口岸多年?duì)恳砹_斯車輛的北京型、DF7型機(jī)車，他們都是安裝JZ-7型空氣制動(dòng)機(jī)，應(yīng)用安全可靠。但是用戶提出在運(yùn)用環(huán)境－40℃ ～+40℃條件下至少5年的免修使用;機(jī)車最大速度100 km/h時(shí)緊急制動(dòng)距離不大于800 m停車;與用戶安全裝置匹配的強(qiáng)制制動(dòng)。依據(jù)此條件我們在機(jī)車設(shè)計(jì)時(shí)采取必要措施，滿足用戶要求。

1 空氣制動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

機(jī)車用途為調(diào)車兼小運(yùn)轉(zhuǎn)作業(yè)，車體為外走廊、單司機(jī)室結(jié)構(gòu);軸式C0－C0，軸重為23(1±2%)t，機(jī)車整備質(zhì)量為138(1±2%)t，柴油機(jī)最大運(yùn)用功率為1 500 kW，機(jī)車最大速度為100 km/h，在－40℃ ～+40℃沿海環(huán)境運(yùn)用。

1.1 機(jī)車空氣制動(dòng)系統(tǒng)基本配置

考慮機(jī)車使用條件和用途，我們設(shè)計(jì)時(shí)采用2套制動(dòng)閥、1個(gè)中繼閥、1個(gè)換向切換閥、1個(gè)分配閥、1個(gè)作用閥、1個(gè)緊急作用閥、1個(gè)雙塔空氣干燥器及一些功能控制風(fēng)缸，司機(jī)室安裝1個(gè)緊急放風(fēng)閥。總風(fēng)缸容量為1 200 dm3，空氣壓縮機(jī)排量為2 750 dm3/min，閘瓦為低摩合成閘瓦;空氣制動(dòng)系統(tǒng)原理圖見圖1。其作用原理在其它論文［1］中有詳細(xì)論述，各個(gè)功能閥的作用原理在JZ-7型制動(dòng)機(jī)教科書［2］中有詳細(xì)論述，這里不再敘述。

1.2 空氣制動(dòng)系統(tǒng)特殊改進(jìn)

針對機(jī)車運(yùn)用條件和JZ-7型制動(dòng)機(jī)特點(diǎn)，對機(jī)車空氣制動(dòng)主要改進(jìn)如下:

(1)采用適合耐寒、沿海條件使用的橡膠件

按照用戶使用機(jī)車情況，預(yù)期使用5年，在試驗(yàn)臺(tái)試驗(yàn)實(shí)際可以達(dá)到6年;

(2)小直徑彈簧等易銹蝕零件特殊防銹處理;

(3)采用不銹鋼管路，增強(qiáng)防銹作用;

(4)司機(jī)室地板下寒冷空間盡量少安裝制動(dòng)控制部件，中繼閥、分配閥、作用閥、緊急作用閥全部安裝在機(jī)器間內(nèi)，有加熱裝置，保證在極寒條件下可靠使用;

(5)應(yīng)用戶要求增加相應(yīng)電器保護(hù)強(qiáng)制制動(dòng)裝置:系統(tǒng)得到電氣系統(tǒng)制動(dòng)信號(hào)時(shí)，電磁閥打開列車管排風(fēng)，同時(shí)總風(fēng)管通過電磁閥向中繼閥8#管通風(fēng)，強(qiáng)制實(shí)現(xiàn)緊急制動(dòng)。

2 制動(dòng)系統(tǒng)試驗(yàn)

考慮應(yīng)用條件苛刻，管路應(yīng)保證清潔、密封，采用不銹鋼管路有利于使用中保持系統(tǒng)清潔;制動(dòng)機(jī)所有部件車下試驗(yàn)、裝車后試驗(yàn)中要求發(fā)現(xiàn)故障必須分析相關(guān)部件協(xié)同處理。廠內(nèi)組裝試驗(yàn)中已經(jīng)完成，狀態(tài)良好。

3 機(jī)車制動(dòng)能力計(jì)算

(1)制動(dòng)要求:機(jī)車單機(jī)制動(dòng)距離800 m。

(2)機(jī)車基礎(chǔ)制動(dòng)計(jì)算參數(shù):低摩合成閘瓦;機(jī)車整備質(zhì)量138 t;

閘瓦壓力計(jì)算

制動(dòng)缸直徑d=0.203 m

制動(dòng)倍率γ=6.75

傳動(dòng)效率η:緊急制動(dòng)η=0.9;常用制動(dòng)η=0.85

制動(dòng)缸壓力P:緊急制動(dòng)時(shí)p=450 kPa，常用制動(dòng)時(shí)p=350 kPa，P=p×3.14×

(kN)

閘瓦壓力K=P×γ×η

緊急制動(dòng)閘瓦壓力為Kj=88.43 kN

常用制動(dòng)閘瓦壓力為Kc=64.96 kN

緊急制動(dòng)距離計(jì)算用換算閘瓦壓力K″。

緊急制動(dòng)換算閘瓦壓力K″=1.24××K=62.59(kN)

圖1 制動(dòng)系統(tǒng)部分控制原理圖

(3)機(jī)車單機(jī)緊急制動(dòng)距離計(jì)算

TB/T 1407《列車牽引計(jì)算規(guī)程》的制動(dòng)計(jì)算中制動(dòng)距離Sz=Sk+Se;

Sk=(v0×tk)/3.6，其中v0為機(jī)車初速，km/h;tk制動(dòng)空走時(shí)間，s。

tk=3.5－0.08×ij，其中ij為計(jì)算坡道坡度。下坡為負(fù)值，平直道為0，常數(shù)3.5在單機(jī)情況時(shí)是2.5。

Se=其中v1計(jì)算初速;v2計(jì)算末速;?h為換算制動(dòng)率;φh為換算摩擦系數(shù);ω0為機(jī)車單位阻力。

在平直道時(shí)制動(dòng)距離計(jì)算。分階段累計(jì)計(jì)算，速度每10 km/h為1個(gè)階段。制動(dòng)距離為728.7 m，滿足要求，計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 平直道時(shí)機(jī)車單機(jī)制動(dòng)距離計(jì)算結(jié)果

(4)在坡道時(shí)制動(dòng)距離800 m制動(dòng)限速計(jì)算

使用試湊法計(jì)算［3］，與(3)的計(jì)算方法相同，先假設(shè)1個(gè)限制速度，在800 m距離結(jié)果，再確定下一次計(jì)算速度，最終確定小于并接近制動(dòng)距離的假設(shè)的限制速度為該坡道的限制速度。

合同要求牽引2 500 t貨車小運(yùn)轉(zhuǎn)工況作業(yè)，針對此工況進(jìn)行列車坡道制動(dòng)限速計(jì)算。按照(3)項(xiàng)計(jì)算方法，當(dāng)機(jī)車牽引列車時(shí)進(jìn)行制動(dòng)計(jì)算，了解列車線路運(yùn)行通過情況，針對小運(yùn)轉(zhuǎn)工況牽引2 500 t貨車計(jì)算。由于車輛與機(jī)車基礎(chǔ)制動(dòng)不同，?h、φh、ω0要考慮車輛進(jìn)行修正。

①貨車計(jì)算參數(shù):用戶沒有提供具體車輛參數(shù)，按照滾動(dòng)軸承貨車參數(shù)，自重20 t、載重60 t;牽引質(zhì)量2 500 t為32節(jié);貨車單位運(yùn)行阻力ω″為:

載重60 t滾動(dòng)軸承貨車換算閘瓦壓力=250 kN。

②計(jì)算參數(shù):列車換算制動(dòng)率?hL、列車換算摩擦系數(shù)按照貨車中磷閘瓦計(jì)算φhL、列車單位阻力ω0L。

③計(jì)算結(jié)果見表2。表2中數(shù)值僅僅是計(jì)算結(jié)果，作為參考;實(shí)際運(yùn)行時(shí)要留有余量，并且要試驗(yàn)驗(yàn)證。

(5)機(jī)車制動(dòng)黏著力核算

①機(jī)車制動(dòng)力

表2 不同下坡坡道2 500 t列車制動(dòng)計(jì)算限制速度

機(jī)車常用制動(dòng)時(shí)制動(dòng)缸空氣壓強(qiáng)為350 kPa，單個(gè)制動(dòng)缸壓力64.96 kN，機(jī)車每根車軸制動(dòng)力為

機(jī)車緊急制動(dòng)時(shí)制動(dòng)空氣缸壓強(qiáng)為450 kPa，單個(gè)制動(dòng)缸壓力88.43 kN，機(jī)車每根車軸制動(dòng)力為

②黏著制動(dòng)力

干燥軌面黏著制動(dòng)系數(shù)μzg=0.062 4+

干燥軌面單軸黏著制動(dòng)力Fzg=μzg×Q=μzg×

潮濕軌面單軸黏著制動(dòng)力Fzsh=μzsh×Q=μzsh×

③計(jì)算結(jié)果對比

機(jī)車的制動(dòng)力應(yīng)該小于黏著制動(dòng)力，才可以保證有效實(shí)施制動(dòng)，結(jié)果見表3。

從表3可以看出，常用制動(dòng)時(shí)機(jī)車制動(dòng)力小于黏著制動(dòng)力，能夠保證有效實(shí)施制動(dòng)。緊急制動(dòng)時(shí)機(jī)車速度大于2.5 km/h時(shí)制動(dòng)力小于黏著制動(dòng)力，沒有問題，能夠保證有效實(shí)施制動(dòng);但是機(jī)車速度小于2.5 km/h時(shí)制動(dòng)力大于黏著制動(dòng)力，由于JZ－7型制動(dòng)機(jī)本身特性實(shí)施緊急制動(dòng)同時(shí)撒沙，機(jī)車速度很低兩者又相差很小，所以不會(huì)滑行，能夠保證有效實(shí)施制動(dòng);或者當(dāng)改用常用制動(dòng)。

表3 機(jī)車單軸黏著制動(dòng)力與制動(dòng)力對比 kN

4 結(jié)論

(1)制動(dòng)機(jī)性能，單機(jī)試驗(yàn)符合合同要求;強(qiáng)制制動(dòng)裝置模擬信號(hào)試驗(yàn)作用正常。

(2)緊急制動(dòng)距離計(jì)算，我國標(biāo)準(zhǔn)條件是干燥軌面平直軌道，計(jì)算結(jié)果728.7 m，小于800 m;用戶考慮軌面狀況不同(包括結(jié)冰軌面)，要求制動(dòng)距離較大，這里只考慮干燥軌面平直軌道計(jì)算滿足要求。

(3)機(jī)車制動(dòng)黏著力核算。常用制動(dòng)時(shí)機(jī)車無滑行現(xiàn)象;緊急制動(dòng)時(shí)機(jī)車速度小于2.5 km/h時(shí)制動(dòng)力大于黏著制動(dòng)力，JZ－7型制動(dòng)機(jī)本身特性實(shí)施緊急制動(dòng)同時(shí)撒沙，經(jīng)試驗(yàn)證明能夠保證有效實(shí)施制動(dòng)。

(4)機(jī)車連掛車輛制動(dòng)機(jī)匹配試驗(yàn)，在用戶線路上試驗(yàn)，與我國口岸制動(dòng)控制基本一致，滿足需求。寒冷條件下使用試驗(yàn)，在－35℃條件下使用正常。

目前制動(dòng)機(jī)情況達(dá)到預(yù)期效果，今后要跟蹤JZ-7型制動(dòng)機(jī)改進(jìn)后的耐用性和使用可靠性，進(jìn)一步驗(yàn)證。

［1］馬瑞東，劉尚景.JZ-7型制動(dòng)機(jī)雙端操縱一個(gè)中繼閥的制動(dòng)系統(tǒng)［J］.內(nèi)燃機(jī)車，2007，(2):36-38.

［2］姜靖國.JZ-7型空氣和電空制動(dòng)機(jī)［M］.北京:中國鐵道出版社，2001.

［3］饒 忠.列車制動(dòng)［M］.北京:中國鐵道出版社，2010.