GCX-1000 軌道除雪車制動系統設計研究

沈加本

GCX-1000 軌道除雪車（高原）（以下簡稱除雪車）是中國鐵建高新裝備股份有限公司根據鐵道部科技研究開發計劃，針對鐵路線路冰雪情況，開發的滿足鐵路線路除雪要求的大型養路機械車輛。其工作環境設計在低溫、大雪天氣下，這和以往常規的大型養路機械運用有了本質的不同，普通大型養路機械在這種天氣環境下是不會進行作業施工的。這就對關系著整車行車安全的制動系統提出了更嚴格的要求，針對低溫的運用要求，除雪車主要進行以下幾個方面的針對設計，保證除雪車低溫環境下的正常、安全運用要求。

1 進氣系統

圖1

常規大型養路機械的進氣系統（原理圖見圖1），一般由1、空壓機、3、冷凝管、6、積水杯、5、高壓安全閥、7、干燥器、14、壓力控制器、11、電磁閥、13、壓力開關、8、氣控閥等組成，當空壓機工作后，風源進過冷凝、干燥后向風缸充風，當壓力到達額定值后，壓力控制器控制控制電磁閥動作，從而控制氣控閥實現空壓機打出空氣直接排大氣。

常規的大型養路機械進氣系統，為延長干燥劑的使用時間和壽命，泄壓口設計在干燥器前端，泄壓的空氣是很潮濕的，潮濕空氣中的水分可能凝結成冰，一旦結冰，就將堵塞氣控閥的排風口，造成系統調壓失效，最終將導致壓力過高，高壓閥安全閥打開排氣，因排的也是干燥器前端的潮濕空氣，也會出現結冰現象，如果高壓安全閥也結冰失效，將導致系統壓力超標不可控，可能帶來車輛部件損壞甚至出現安全事故。

除雪車的進氣系統（見圖2），充分考慮在低溫環境下的結冰問題，增加了一套壓力控制系統（原理圖見圖2），當前端調壓系統如果因結冰失效后，總風壓力上升，增加的泄壓系統會開始工作，且設計泄壓的總風接口為經干燥器干燥后的總風，排風口不會出現結冰失效，可以充分保證除雪車在低溫環境下進氣系統的正常工作。

圖2

2 干燥系統

除雪車需要在低溫下作業運行，對壓縮空氣的干燥處理更顯得尤為重要，如果干燥效果不好，就會在制動系統運用過程中析出水分，在低溫下如果凝結成冰，會造成制動系統管路或者制動閥堵塞，卡滯，給行車安全和零部件使用壽命造成很嚴重的后果。除雪車的干燥系統選用TADIIb-1.6-H 型干燥器，主要由干燥塔、組合閥、出氣止回閥、電磁閥、過濾器等組成。

2.1 主要技術參數

處理空氣量 1.6m3/min

工作壓力 1000kPa

吸附劑 φ3 ～φ5mm

再生方式 無熱、常壓

再生耗氣率 ≤20%

出氣口相對濕度≤35%

露點 2 級 ISO8573-1

含油率 2 級 ISO8573-1

含塵埃的顆粒度3 級 ISO8573-1

干燥塔轉換周期80s

2.2 結構功能

圖3

干燥器外形圖見圖3，干燥器干燥塔左右對稱配置，主要由干燥吸附劑層及上下濾網組成，是完成壓縮空氣干燥凈化的核心部件。

組合閥控制兩干燥塔周期性進氣、排氣，安裝在干燥器的下部，閥口根據電氣控制的電磁閥所發出的壓縮空氣指令來控制開閉，組合閥是空氣干燥器的關鍵部件，控制干燥器的干燥塔切換和再生，出氣止回閥安裝于干燥塔的上部，主要由止回閥芯組件、再生螺釘、濕度顯示器等組成。

電控器在干燥器的正面，制動系統打風過程是一個動態的過程，這個過程反饋給電控器，經過電控器的邏輯處理，變成有規律的指令輸出，并通過電控閥來控制干燥器上的機械動作，構成“電氣—機械”控制系統，使兩塔按一定的程序交替工作，具備如下功能:

2.2.1 定時轉換

當電控器工作時，按一定的時間周期（T）對 電磁閥“通電”、“斷電”控制，Ad 得電時，電控閥控制組合閥使干燥器 A1塔進入“再生”狀態，A2 塔進入“吸附”狀態，而 Ap 得電時使 A2塔進入“再生”狀態，A1 塔則進入“吸附”狀態。

2.2.2 時間累計

當一個周期還未完成而控制電源（CS）斷電時，電控器中斷工作，停止計時，當（CS）線再次通電時，計時將在原工作時間上累計，直至這一工作周期的完成。

2.2.3 狀態記憶

工作周期中斷時，電控器將其工作狀態記存下來，待下次工作時仍按原狀態繼續

2.3 工作原理

工作原理圖如圖4 所示，TADIIb-1.6-H 型空氣干燥器是由兩個干燥塔交替工作的無熱再生式除濕凈化裝置。

圖4

電控閥Ad 處于得電狀態而電控閥Ap 處于失電狀態時，進氣閥 Cd 關閉、Cp 打開，排氣閥 Bd 開啟、Bp 關閉，此時，A1 塔進入再生狀態，A2 塔進入吸附狀態，飽和濕空氣由空壓機進入進氣閥座，濕空氣經開放的進氣閥Cp 進入右邊干燥塔，沿著箭頭的流向，經過干燥器下部的油水分離器時，除去部分較大的水滴、油滴及灰塵，然后送到干燥床，經干燥后的干燥空氣借助壓力打開出氣止回閥，干燥空氣送向總風缸，出氣止回閥的左右進氣室有一小孔相連，經干燥塔A2 處理的凈化空氣有一部分經過小孔流向干燥塔A1，從A1 筒上部流向吸附床，帶走干燥床內的水分（再生），并帶著離心式油水分離器下部的水滴、油滴及塵埃由排氣閥排出。

當A1 塔再生狀態到設定時間時，電控器停止對電控閥Ad供電，這時兩電控閥（Ad，Ap）均處于失電狀態，兩排氣閥亦處于關閉狀態，故此時A2 塔繼續吸附而A1 塔卻停止再生。A2 塔的干燥空氣仍源源充入A1 塔，因A1 塔無排出使壓力逐漸上升，A1 塔在這段時間處于“充氣狀態”，然后電控器開始向Ap 供電，A1 塔、A2 塔再生吸附相互轉換，完成轉換周期。如此每個轉換周期改變左右干燥塔工作狀態，左右干燥塔反復進行干燥和再生。

干燥器除了在司機室設有雙塔切換顯示狀態工作燈，還在干燥器上設有濕度顯示器，濕度顯示器中裝有能根據濕度變化而變換不同顏色的顆粒物，當濕度顯示器為橘黃色時，干燥器輸出空氣正常；濕度顯示器為淺綠色或墨綠色時，干燥器輸出空氣不正常，此時可能是干燥器工作不正常或者是干燥劑已經失效，通過濕度濕度顯示器的設計，能使現場人員在運行和保養中，及時、直觀的檢查和保養干燥器，及時排除故障，保證干燥器的正常運轉，從而保證整個制動系統風源的干燥清潔，在低溫環境下也不會有水析出，從而保證除雪車的安全運行和安全作業。

3 防凍加熱系統

除雪車制動系統進氣系統中的積水杯，經過冷凝管冷卻析出的水到積水杯，如果在低溫環境下，積水杯底部的水就會凝結成冰，放水閥將失去作用，無法及時將水排出。

除雪車為此對積水杯設計了加熱防凍系統，通過溫控裝置感應環境溫度，當環境溫度為5℃時自動啟動加熱系統，或者通過司機室選擇開關直接啟動加熱系統，加熱裝置直接包裹式安裝在積水杯上，在低溫下加熱積水杯，使得積水杯溫度能保持在10℃以上，保證積水杯中的水不會凝結，可以隨時通過排水閥排出積水杯積水，安裝使用見圖5。

圖5

4 恒轉速空壓機系統

圖6

在高壓除雪車制動系統設計中，考慮高原環境下，空壓機工作效率下降，在海拔4000 m 左右時，空壓機的效率降低至55%，在海拔5000 m 左右時，降低至50%，打風能力大幅下降，當在長大坡道運行，如果發動機在怠速運行，此時發動機驅動的空壓機效率只有額定轉速時的一半，空壓機打風能力遠遠小于正常工況，高原除雪車為此設計了液壓驅動的恒轉速空壓機系統，能夠實現空壓機轉速的穩定，不因發動機轉速的變化而影響空壓機打風效率，原理圖見圖6。

系統由負載敏感泵，節流閥、安全閥、空壓機驅動馬達、旁通閥等組成，當節流閥開度調定后，負載敏感泵通過控制油檢測節流閥兩端的壓差，自動調節排量，保證通過節流閥的流量恒定，從而實現空壓機驅動馬達流量恒定，即實現空壓機轉速恒定，成功解決了高原長大下坡工況下打風效率下降的問題。

5 部件低溫化設計

除雪車制動系統在系統設計過程中，充分考慮低溫環境，所有閥件選型低溫工作溫度達到車輛設計-25℃要求，在可選范圍內，部分閥件如電磁閥、單向閥等選用最低工作溫度能達到-40℃，充分滿足了車輛設計使用要求。

6 結論

通過以上針對低溫和高原低氣壓的設計，除雪車制動系統在低溫和高原環境下經過了一年多的運行試驗，制動系統設計完全滿足在低溫和高原低氣壓環境下的運行要求，為今后大型養路機械制動系統在低溫和高原低氣壓環境下的設計提供了較好的經驗和參考。