HXD2系列機車制動系統分配閥設計及運用分析

王樹海, 劉治國

(中車大同電力機車有限公司 技術中心， 山西大同 037038)

在機車車輛制動系統中，分配閥至關重要，它根據列車管的壓力變化來控制制動缸的充氣和排氣，實現機車車輛的制動、保壓和緩解作用。分配閥的特點是列車管減壓時制動、增壓時緩解，分配閥在空氣制動機中很重要，如果發生故障，作用就會完全失效，行車安全就沒有保障[1]。在國內，大多數機車車輛裝用的是二壓力分配閥，例如電力機車裝用的109分配閥，客、貨車輛裝用的104、120分配閥都屬于二壓力分配閥，該類分配閥為一次緩解型分配閥，緩解速度快、時間短。

隨著我國鐵路裝備技術的飛速發展及技術全球化，法國法維萊先進的機車車輛制動機隨著和諧機車的技術引進被帶入我國，法維萊制動系統主要包括制動控制單元(BCU)、EUROTROL模塊、SW4分配閥、轉向架中繼閥等部件，其中SW4分配閥為三壓力結構分配閥，與我國常用的二壓力結構分配閥在性能上有明顯差異。

HXD2系列機車是由中車大同電力機車有限公司在阿爾斯通機車平臺上研制并生產的大功率交流傳動電力機車，該機車自交付以來，一直作為主型機車承擔大秦鐵路的重載牽引運輸任務，其出色的牽引、制動性能得到了用戶的廣泛贊譽，尤其是該機車采用的法維萊EUROTROL空氣制動系統，性能穩定，為保證機車的正常安全運行提供了堅實的保障[2]。目前，已裝用法維萊EUROTROL空氣制動系統，包括SW4分配閥的機車有HXD2機車、HXD2B機車、HXD2C機車、HXD2新八軸機車、FXD2B機車等。圖1為HXD2新八軸機車制動控制部分空氣管路原理圖。

圖1 HXD2新八軸機車空氣管路原理圖

從原理圖中可以看出，該機車制動控制部分主要包括：制動控制單元、EUROTROL模塊、隔離模塊、分配閥模塊、SW4分配閥、直接制動模塊和轉向架中繼閥模塊。其中，分配閥模塊為電子分配閥，用于計算機控制實現機車制動缸的充氣和排氣作用； SW4分配閥為純機械結構分配閥，只在電子分配閥故障或機車無動力回送情況下使用，是機車制動系統使用的基本保障。

1 問題的引出

SW4分配閥是符合UIC標準并通過UIC認證的制動系統主要部件，該閥在歐洲的機車、客車、貨車、調車機車、動車、高速列車及地鐵列車中均有裝車使用經驗。該閥結構簡單，具有良好的運用性能，與市場上的其他分配閥相比，維修較為簡單。此外，從安裝角度看，SW4分配閥具有明顯優點，該閥可以安裝在裝有"三通閥"型法蘭盤的支架上，也可以裝在與德國克諾爾公司的KE分配閥相似的法蘭盤支架上，或通過更換接口組件，安裝在其他的結構上，安裝方式的適應性很強。

SW4分配閥的主要相關部件包括：副風缸、控制風缸以及這兩個風缸的充氣和截斷裝置、副風缸的延遲充氣裝置、手動和自動緩解閥等。結合這些部件SW4分配閥可以實現的主要功能有：

(1)有效控制制動缸的最大壓力；

(2)有利于適應列車管的不同容積；

(3)通過加速器鎖閉裝置避免在特殊情況下導致的分配閥泄漏；

(4)實現客運/貨運轉換，客、貨車通用。

該閥可以實現當制動控制器處于運轉位時，列車管與控制風缸相通。當列車管壓力在60 s內下降小于4 kPa時，制動機不產生制動作用，保證機車車輛制動系統的穩定性。

SW4分配閥一般通過支座固定在制動柜上，通過氣路接口和列車管、制動缸、輔助風缸、控制風缸相連。如圖2所示，在分配閥內部，主要包括：主活塞1、密封閥2、切斷閥5以及活塞4和止回閥3等部件。

1-主活塞；2-密封閥；3-止回閥；4-活塞；5-切斷閥。圖2 SW4分配閥充氣過程氣路原理

如圖2所示，SW4分配閥的充氣過程：來自列車管的壓縮空氣到達A區并通過止回閥3進入了D區和輔助風缸。同時，由于活塞4中彈簧的作用，導致切斷閥5處于打開的狀態，于是來自列車管的壓縮空氣通過縮孔進入B區和控制風缸。當A區和B區的壓力相同時，充氣過程就完成了。制動缸通過C區的排風孔和主活塞1的中空閥桿進行排氣。

1-主活塞；2-密封閥；3-止回閥；4-活塞；5-切斷閥。圖3 SW4分配閥制動過程氣路原理

如圖3所示，SW4分配閥的制動過程：由于列車管壓力的下降，導致A區壓力下降。由于縮孔的作用，B區的壓力比A區壓力下降的更慢，這就導致主活塞1向上運動，阻止了主活塞1的中空桿和被推起的密封閥2的聯通。這時，輔助風缸的壓縮空氣開始向制動缸充氣，制動開始實施。當制動缸壓力到達E區，活塞4上升切斷了列車管和控制風缸的通路。

1-主活塞；2-密封閥；3-止回閥；4-活塞；5-切斷閥。圖4 SW4分配閥中立過程氣路原理

如圖4所示，SW4分配閥制動或緩解后的中立過程：當列車管的排風終止，C區的制動缸壓力作用在主活塞1上，該壓力和由于A區、B區壓力不一致產生的力正好相同。這時，主活塞處于一個平衡狀態，密封閥2的排風口處于關閉狀態。當列車管的壓力繼續下降后，主活塞1的平衡被破壞，C區增加的壓力作用在主活塞1上，主活塞1開始上升，密封閥2的排風口重新打開排氣，直到達到新的平衡時，密封閥2的排風口關閉。

1-主活塞；2-密封閥；3-止回閥；4-活塞；5-切斷閥。圖5 SW4分配閥制動后緩解過程氣路原理

如圖5所示，SW4分配閥制動后的緩解過程：列車管充氣增壓時，導致主活塞1向下運動，推動中空閥桿離開密封閥2，這時，制動缸的壓力空氣排大氣。如列車管停止增壓。主活塞1上下壓力一致，制動缸排大氣口關閉，制動缸壓力停止排大氣，壓力保持不變，實現了階段緩解。當C區壓力下降到和A區、B區的壓力差一致時，制動缸停止排氣。列車管壓力增加時，在制動緩解狀態中，輔助風缸重新充氣。在完全制動緩解狀態，制動缸的壓力小于10 kPa，此時，活塞4向下移動推動閥5離開閥座，最終，控制風缸的壓力通過縮孔和列車管的壓力保持一致。

通過以上原理分析說明，可以看出，SW4分配閥也具有列車管減壓制動，增壓緩解特點，但緩解特點是屬于階段緩解，就是在緩解時，制動缸壓力隨著列車管壓力上升而減小，使得制動缸的緩解時間較長，并且只能在列車管壓力接近或等于定壓時，分配閥方能將制動缸壓力完全排出，達到機車車輛的完全緩解。這就造成了國內車輛與裝用法維萊使用三壓力分配閥的機車在列車緩解時的不匹配，尤其是裝用SW4機車作為無火回送狀態使用時，當本務機車緩解時，在列車中裝備二壓力分配閥的車輛已經緩解后，但裝用三壓力分配閥的無火機車尚未完全緩解，此時機車往往已開始施加牽引動力，可能造成無火回送機車車輪踏面擦傷或列車斷鉤的風險，影響列車行車安全。

2 解決方案

為了使SW4分配閥滿足國內鐵路機車車輛的使用要求，必須對該分配閥進行適應性改造，下面就中車大同公司和諧2型電力機車法維萊制動機SW4分配閥改造原理進行闡述。

2.1 具有階段緩解功能三壓力分配閥控制原理

原引進機車SW4三壓力分配閥控制原理如圖6所示，該分配閥具有階段緩解功能，其在國外使用時與之相配套使用的車輛制動機分配閥也需具有階段緩解功能。

所謂的三壓力為列車管壓力、控制風缸壓力和制動缸壓力。其中控制風缸壓力一般為定壓，在列車管完全充滿風后與列車管壓力一致，并且在正常制動過程中維持定壓，制動缸壓力則與列車管的減壓有關，制動缸壓力的大小與列車管的減壓量成一定比例關系。

圖6 三壓力分配閥控制原理

2.2 三壓力分配閥改造成具有一次緩解功能控制原理

改造的基本原則是，保留原SW4三壓力分配閥外觀及性能，通過對原三壓力分配閥外圍增加一些設備，使之具有一次緩解功能，在制動后能夠實現快速緩解，從而能夠與我國現運行二壓力分配閥匹配；并且在使用時，也可以根據需要選擇使用階段緩解功。SW4分配閥改造成具有一次緩解功能控制原理如圖7所示。

圖7 具有一次緩解功能的SW4分配閥控制原理

圖7中的SW4分配閥與圖6中的完全相同，是具有階段緩解功能，當控制風缸隔離閥處于關閉位時，此時圖7與圖6功能完全相同，具有階段緩解功能，無一次緩解功能。當控制風缸隔離閥處于聯通位時，此時分配閥控制具有一次緩解功能，無階段緩解功能。為了滿足一次緩解功能，如圖7在SW4分配閥部分增加了控制風缸隔離閥、控制風缸單向閥和控制風缸中繼閥等部件。

具體設計條件為：當司機將制動手柄打到運行位，列車管壓力開始上升，當壓力大于300 kPa時才會發生一次緩解，通過控制風缸中繼閥可確保此功能。

控制風缸中繼閥壓力值的選取：

由于我國列車采用的列車管定壓是500 kPa或600 kPa兩種模式，所以下面就列車管分別處于500kPa和600 kPa兩種狀態分別討論一次緩解臨界壓力值300 kPa，即控制風缸中繼閥壓力值的選取。當列出管定壓為500 kPa時，由于SW4分配閥處于常用制動時，列車管路最小減壓量為50 kPa，列車管路最大減壓量為140 kPa，所以，當分配閥處于常用制動狀態時，列車管的最大值為500 kPa-50 kPa=450 kPa，列車管的最小值為500 kPa-140 kPa=360 kPa，所以列車管壓力值范圍為360～450 kPa。也就是說，當緩解SW4分配閥要產生一次緩解狀態時，列車管壓力值為360 kPa～450kPa。由于在管路里壓縮空氣的壓力值處于一個動態平衡的狀態，考慮到管路泄漏，壓縮空氣壓力在管路的傳遞速度，可以保證當分配閥要發生一次緩解狀態時，列車管的壓力值大于300 kPa，故將一次緩解的臨界壓力值選取300 kPa。

當列車管定壓為600 kPa時，由于三壓力分配閥處于常用制動狀態時，列車管路最小減壓量為50 kPa，列車管路最大減壓量為170 kPa，所以，當階段緩解分配閥處于常用制動狀態時，列車管的最大值為600 kPa-50 kPa=550 kPa，列車管的最小值為600 kPa-170 kPa=430 kPa，所以列車管壓力值范圍為430～550 kPa。同列車管定壓為500 kPa的分析，可以保證當三壓力分配閥要發生一次緩解狀態時，列車管的壓力值大于300 kPa。

下面就以列車管定壓為500 kPa為例，來說明三壓力分配閥一次緩解功能。

三壓力分配閥常用制動后，列車管壓力下降，從上面分析得知，列車管壓力值為360～450 kPa，列車管的壓力大于300 kPa，控制風缸中繼閥打開，使緩沖風缸的壓力值與當前列車管壓力值相同，當機車開始緩解時，列車管壓力值開始增大，由于控制風缸單向閥2及1 mm縮孔和控制風缸單向閥3及1.5 mm縮孔的作用，使得緩沖風缸的壓力值略小于列車管壓力值，當緩沖風缸與列車管壓力值差大于20 kPa時，控制風缸開始通過控制風缸隔離閥→控制風缸單向閥1→控制風缸止回閥向列車管充風，三壓力分配閥輸出制動缸控制壓力差快速變為零，制動缸完全緩解；當列車管與緩沖風缸之間壓力差小于20 kPa時，控制風缸止回閥將自行關閉，切斷控制風缸與列車管之間的通路。當制動缸完全緩解后，列車管壓縮空氣通過分配閥重新充入控制風缸，直到控制風缸達到定壓為止。當列車管定壓為600 kPa時，三壓力分配閥常用制動后，列車管壓力值為430～550 kPa，從上面的分析與說明可以得知，列車管壓力值大于300 kPa，也可以實現一次緩解。

方案實施前，SW4分配閥的緩解功能如圖8所示；方案實施后，該閥的緩解功能如圖9所示，通過圖示，可以明確通過方案的實施，SW4分配閥已實現了二通閥的緩解要求。

圖8 SW4分配閥階段緩解功能

圖9 SW4分配閥一次緩解功能

3 結 論

通過對滿足UIC標準的SW4分配閥進行分析、改進和運用，使得只能在UIC標準框架下使用的分配閥滿足了中國鐵路使用要求，在原來只有階段緩解的基礎上增加了一次緩解，增加了使用范圍和功能，滿足了和諧2型機車制動系統分配閥設計及運用需求，該方案已在和諧2型系列機車上批量裝車運用，驗證效果良好；在整個使用期間內沒有發生緩解不到位的制動現象，滿足了使用需求，取得了良好的運用效果。SW4分配閥的成功改造應用，擴展了該閥的使用范圍，為今后SW4分配閥的使用推廣創造了條件，也為其他類似成熟產品運用提供了參考。