出口愛沙尼亞機車制動控制系統(tǒng)設計和制動能力分析

劉尚景，楊 陽，馮書銳

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

出口愛沙尼亞機車用戶要求安裝國產(chǎn)JZ-7型空氣制動機，從制動性能方面考慮滿足用戶列車牽引的需要;實際應用經(jīng)驗有我國在滿洲里口岸多年牽引俄羅斯車輛的北京型、DF7型機車，他們都是安裝JZ-7型空氣制動機，應用安全可靠。但是用戶提出在運用環(huán)境－40℃ ～+40℃條件下至少5年的免修使用;機車最大速度100 km/h時緊急制動距離不大于800 m停車;與用戶安全裝置匹配的強制制動。依據(jù)此條件我們在機車設計時采取必要措施，滿足用戶要求。

1 空氣制動系統(tǒng)設計

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

1.1 機車空氣制動系統(tǒng)基本配置

考慮機車使用條件和用途，我們設計時采用2套制動閥、1個中繼閥、1個換向切換閥、1個分配閥、1個作用閥、1個緊急作用閥、1個雙塔空氣干燥器及一些功能控制風缸，司機室安裝1個緊急放風閥。總風缸容量為1 200 dm3，空氣壓縮機排量為2 750 dm3/min，閘瓦為低摩合成閘瓦;空氣制動系統(tǒng)原理圖見圖1。其作用原理在其它論文［1］中有詳細論述，各個功能閥的作用原理在JZ-7型制動機教科書［2］中有詳細論述，這里不再敘述。

1.2 空氣制動系統(tǒng)特殊改進

針對機車運用條件和JZ-7型制動機特點，對機車空氣制動主要改進如下:

(1)采用適合耐寒、沿海條件使用的橡膠件

按照用戶使用機車情況，預期使用5年，在試驗臺試驗實際可以達到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，增強防銹作用;

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

(5)應用戶要求增加相應電器保護強制制動裝置:系統(tǒng)得到電氣系統(tǒng)制動信號時，電磁閥打開列車管排風，同時總風管通過電磁閥向中繼閥8#管通風，強制實現(xiàn)緊急制動。

2 制動系統(tǒng)試驗

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

3 機車制動能力計算

(1)制動要求:機車單機制動距離800 m。

(2)機車基礎制動計算參數(shù):低摩合成閘瓦;機車整備質(zhì)量138 t;

閘瓦壓力計算

制動缸直徑d=0.203 m

制動倍率γ=6.75

傳動效率η:緊急制動η=0.9;常用制動η=0.85

制動缸壓力P:緊急制動時p=450 kPa，常用制動時p=350 kPa，P=p×3.14×

(kN)

閘瓦壓力K=P×γ×η

緊急制動閘瓦壓力為Kj=88.43 kN

常用制動閘瓦壓力為Kc=64.96 kN

緊急制動距離計算用換算閘瓦壓力K″。

緊急制動換算閘瓦壓力K″=1.24××K=62.59(kN)

圖1 制動系統(tǒng)部分控制原理圖

(3)機車單機緊急制動距離計算

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

Sk=(v0×tk)/3.6，其中v0為機車初速，km/h;tk制動空走時間，s。

tk=3.5－0.08×ij，其中ij為計算坡道坡度。下坡為負值，平直道為0，常數(shù)3.5在單機情況時是2.5。

Se=其中v1計算初速;v2計算末速;?h為換算制動率;φh為換算摩擦系數(shù);ω0為機車單位阻力。

在平直道時制動距離計算。分階段累計計算，速度每10 km/h為1個階段。制動距離為728.7 m，滿足要求，計算結(jié)果見表1。

表1 平直道時機車單機制動距離計算結(jié)果

(4)在坡道時制動距離800 m制動限速計算

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

合同要求牽引2 500 t貨車小運轉(zhuǎn)工況作業(yè)，針對此工況進行列車坡道制動限速計算。按照(3)項計算方法，當機車牽引列車時進行制動計算，了解列車線路運行通過情況，針對小運轉(zhuǎn)工況牽引2 500 t貨車計算。由于車輛與機車基礎制動不同，?h、φh、ω0要考慮車輛進行修正。

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

載重60 t滾動軸承貨車換算閘瓦壓力=250 kN。

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

③計算結(jié)果見表2。表2中數(shù)值僅僅是計算結(jié)果，作為參考;實際運行時要留有余量，并且要試驗驗證。

(5)機車制動黏著力核算

①機車制動力

表2 不同下坡坡道2 500 t列車制動計算限制速度

機車常用制動時制動缸空氣壓強為350 kPa，單個制動缸壓力64.96 kN，機車每根車軸制動力為

機車緊急制動時制動空氣缸壓強為450 kPa，單個制動缸壓力88.43 kN，機車每根車軸制動力為

②黏著制動力

干燥軌面黏著制動系數(shù)μzg=0.062 4+

干燥軌面單軸黏著制動力Fzg=μzg×Q=μzg×

潮濕軌面單軸黏著制動力Fzsh=μzsh×Q=μzsh×

③計算結(jié)果對比

機車的制動力應該小于黏著制動力，才可以保證有效實施制動，結(jié)果見表3。

從表3可以看出，常用制動時機車制動力小于黏著制動力，能夠保證有效實施制動。緊急制動時機車速度大于2.5 km/h時制動力小于黏著制動力，沒有問題，能夠保證有效實施制動;但是機車速度小于2.5 km/h時制動力大于黏著制動力，由于JZ－7型制動機本身特性實施緊急制動同時撒沙，機車速度很低兩者又相差很小，所以不會滑行，能夠保證有效實施制動;或者當改用常用制動。

表3 機車單軸黏著制動力與制動力對比 kN

4 結(jié)論

(1)制動機性能，單機試驗符合合同要求;強制制動裝置模擬信號試驗作用正常。

(2)緊急制動距離計算，我國標準條件是干燥軌面平直軌道，計算結(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)，要求制動距離較大，這里只考慮干燥軌面平直軌道計算滿足要求。

(3)機車制動黏著力核算。常用制動時機車無滑行現(xiàn)象;緊急制動時機車速度小于2.5 km/h時制動力大于黏著制動力，JZ－7型制動機本身特性實施緊急制動同時撒沙，經(jīng)試驗證明能夠保證有效實施制動。

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

目前制動機情況達到預期效果，今后要跟蹤JZ-7型制動機改進后的耐用性和使用可靠性，進一步驗證。

［1］馬瑞東，劉尚景.JZ-7型制動機雙端操縱一個中繼閥的制動系統(tǒng)［J］.內(nèi)燃機車，2007，(2):36-38.

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

［3］饒 忠.列車制動［M］.北京:中國鐵道出版社，2010.