YZ-1制動機在青藏鐵路的運用分析

許洪春

(昆明中鐵集團公司，云南昆明 650215)

1 空氣制動機在高原環境條件下的工作性能

青藏鐵路由青海省會西寧至西藏首府拉薩，全長1 985 km。其中西寧至格爾木段845 km，已于1984年建成通車。西格段雖然也地處高原，但海拔在3 000 m以下。而格爾木至拉薩段，全長1 140 km，有960 km海拔在4 000 m以上。其中最高點唐古拉山埡口，海拔達5 071 m。海拔高、大氣壓力(簡稱“氣壓”)低、氣溫低、風沙大、氣候變化大是青藏鐵路(特別是其中的格拉段)的基本特點。

我國現有空氣制動機在青藏鐵路西格段近20年的運用實踐說明，空氣制動機的性能是能適應該環境的。但是需要研究空氣制動機在海拔3 000～5 071 m的工作性能。

1.1 高原低氣壓對制動機性能的影響

海拔每升高1 000 m，氣壓下降約10% ～13%;因為氣候因素變化的影響，同一海拔的氣壓實測值在平均值的91%～107%之間波動。不同海拔的氣壓值見表1。

表1 不同海拔的氣壓值 kPa

空氣制動機現行的參數均是以1個標準大氣壓(取值100 kPa)為基準計算或在接近標準大氣壓條件下試驗得出的表壓力(壓力表的指示壓力)。壓力表一般也是在低海拔地區校準的，其機械結構決定了大氣壓力對其壓力指示值影響極小。而目前的機車制動機，多采用機械壓力表顯示壓力，并以此為依據進行操作。其指示值(即表壓力p)幾乎不受大氣壓力的影響。因此，在高海拔低氣壓條件下，其指示值應無明顯變化。

式中，pD和pG分別代表低海拔和高海拔條件下的表壓力。

假設低海拔和高海拔條件下的大氣壓力分別為pDO和pGO。

由式(2)可以看出，海拔不同時，壓力表指示值雖相等，但壓縮空氣的絕對壓力不相等，所以，高原低氣壓必然要對空氣制動機中有大氣壓力參與的作用性能產生一定的影響。

高原低氣壓對空氣制動機性能的影響，主要表現在分配閥局部減壓量、制動缸推力和由此涉及到的列車管有效減壓量。

1.2 高原低氣壓對空氣分配(控制)閥局減量的影響

以104型空氣制動機為例，如圖1，104的局減閥作用活塞一側通制動缸，另一側通大氣。在低海拔地區，局減閥的作用方程為

在高海拔地區，局減閥的作用方程為

圖1 在高原低氣壓條件下104局減閥的作用示意

式中，Sj為104局減活塞的有效作用面積，約為1.2×10－3m2;ΣW為活塞運動總阻力，主要包含局減彈簧抗力Wt和柱塞運動阻力Wh，104閥設計值約為78 N。

104閥規定局減結束時，制動缸的壓力(注:表壓力)不應大于70 kPa，即局減活塞的有效作用力不大于84 N。在高原條件下，如局減活塞仍以70 kPa的表壓力作用，在海拔為5 000 m時，大氣壓力約為54 kPa。根據式(4)計算，局減終了時，局減活塞的有效作用力達139 N，這遠大于82 N，顯然與局減閥的結構性能不符。如以作用力82 N帶入式(4)計算，則制動缸的表壓力僅為24 kPa。這意味著列車管減壓約10 kPa時，局減閥就已經關斷列車管與制動缸的通路，使第二階段局減不足。第二階段局減量不足造成的直接后果是使常用制動波速大為下降，另外減壓量很小時，會造成列車尾部車輛制動力減小甚至失去制動力。

1.3 高原低氣壓對制動缸作用力的影響

圖2是高原低氣壓條件下制動缸的作用力示意圖(忽略活塞運動阻力)。制動缸的推力(Wt)，是由制動缸活塞充氣側的絕對壓力與大氣側的絕對壓力的壓差作用產生的。

因為制動機不會同時工作于兩種大氣環境中，所以由等溫氣態方程導出主閥作用方程，無論高原還是低地都應該適用，由此得出的制動缸表壓力也應該一致。同時，制動缸的彈簧抗力和作用面積也不會因其大氣壓的變化而明顯變化。忽略氣溫的影響，在高原低氣壓和同等表壓力作用條件下，制動缸活塞的推力方程為

圖2 高原低氣壓條件下制動缸的作用力示意

式中，pz取430 kPa(104閥全制動時常用制動缸最高壓力);pDO取100 kPa;pGO分別取pGO=pDO(低地常壓)，70 kPa(3 000 m)，58 kPa(4 500 m)，54 kPa(5 000 m)，代入式(5)，得出制動缸的絕對作用壓差分別為 430 kPa，460 kPa，472 kPa，476 kPa。以 356 mm制動缸計算，得出的活塞推力分別為42.8 kN，45.8 kN，47.0 kN，47.4 kN。把海拔4 500 m高度的制動缸活塞推力與0海拔地區比較，海拔4 500 m高度的制動缸活塞推力比零海拔處要大10%。

1.4 高原低氣壓對列車管減壓量的影響

4 500 m海拔高度要獲得與零海拔相同的制動缸推力，列車管有效減壓量應減小約10%。

2 高原惡劣氣候對制動機工作性能的影響

1)高原地區氣候多變，溫差變化大，有風天氣極多，且風力較大，造成空氣中的沙塵較多。沙塵通過供氣通路或呼吸孔進入分配閥、制動缸后，增大了零部件磨損，降低其使用壽命，增大了閥(缸)內漏泄的可能性，使其可靠性降低。

2)低溫使橡膠件變硬甚至脆化，溫度高低的頻繁交替變化，使橡膠件反復硬變而迅速老化。TB2206《車輛用103/104型空氣分配閥橡膠件》規定:橡膠件的工作溫度為－50℃ ～70℃。青藏線格拉段沿線平均氣溫為 －2℃ ～－6℃，記錄的最低環境溫度為－45℃，在橡膠件的規定工作溫度范圍之內。但實際上，現在制動機極少在持續－40℃低溫下運用，而制動機僅按照鐵標要求在－50℃條件下做過48 h考驗。高原的低氣壓使各種揮發物質更易揮發，因而青藏鐵路沿線空氣中鹽霧、油霧濃度也相對較高，閥和制動缸用潤滑脂容易干化，也會加速機件磨損和橡膠件的老化。因此，制動部件在海拔4 000 m以上的持續低溫和晝夜溫差、路段溫差變化的條件下的使用性能和使用壽命，還有待時間的驗證。

另外，溫度低、溫差大，將造成輪軌黏著系數變化加大。這些因素都會對制動機的性能和制動作用的最終結果產生影響。

3 關于空氣制動機在青藏線上運用的建議

與機車不同，青藏線上運行的車輛也要在低海拔地區運行。要實現空氣制動機在高原和低地條件下作用性能的完全一致，目前在技術上還有一定困難。空氣制動機在高原和低地條件下的運用性能雖有一定差別，但這種差別并不是已惡化到嚴重影響安全工作的程度。針對高原的特點，將空氣制動機的技術條件作一些必要的修改，采用新的技術彌補空氣制動機在高原條件下的性能差別，摸索適應高原特點的制動操作方法，現有的空氣制動機是可以滿足青藏線要求的。為此，建議在青藏線采用電空制動機，用以彌補空氣制動機局減量不足造成的缺陷;增設制動機空氣清潔部件，提高壓縮空氣和閥內的清潔度，以適應青藏線惡劣的自然環境;探索適應高原特點的制動操作方法，以適應在高原條件下輪軌的黏著特性和空氣制動機的作用特性。修改空氣制動機的技術條件，增加在高原環境下空氣制動機的試驗和操作規程等內容。

[1]夏寅蓀，黃德山，何力.104型空氣及電空制動機[M].北京:中國鐵道出版社，2001.

[2]中國國家標準化管理委員會.GB 4797.2—1986 電子電工產品自然環境條件 海拔與氣壓、水深與水壓[S].北京:電子工業出版社，1987.