軌道車輛用中繼閥壓差與供風壓力、預控壓力的關系研究

郭宗斌，張振超，郗開沖，李培署

(中車青島四方車輛研究所有限公司 制動事業(yè)部，山東 青島 266031)

制動系統(tǒng)是軌道車輛的核心系統(tǒng)，其可靠性直接影響車輛運行安全[1-2]。中繼閥是車輛制動系統(tǒng)的關鍵部件，其性能好壞直接影響制動系統(tǒng)的性能。中繼閥的作用是根據(jù)不同預控壓力產(chǎn)生不同的大流量輸出壓力，實現(xiàn)制動力的快速準確控制。中繼閥的壓差為輸出壓力與預控壓力之間的差值，意為中繼閥輸出壓力與預控壓力的跟隨性，是中繼閥的一項重要性能指標，在一定程度上代表著中繼閥的品質(zhì)[3]。

軌道車輛用中繼閥結(jié)構(gòu)形式較多，壓差水平也不盡相同。中繼閥壓差越小，說明其輸出壓力與預控壓力越接近，在某種意義上代表其組成的制動系統(tǒng)所輸出的制動壓力越接近目標值，最終產(chǎn)生的制動力越精準；反之，中繼閥壓差越大，最終產(chǎn)生的制動力與目標值偏差越大[4]。

中繼閥機械結(jié)構(gòu)形式不同決定了其壓差特性的不同，對于已定型結(jié)構(gòu)的中繼閥，其壓差可能受供風壓力和預控壓力影響。本文對此影響關系進行了研究，并給出了選型建議。

1 典型結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 結(jié)構(gòu)組成

軌道車輛用中繼閥有多種結(jié)構(gòu)形式，圖1為2種典型結(jié)構(gòu)中繼閥的結(jié)構(gòu)示意圖，分別將其命名為A型中繼閥和B型中繼閥。中繼閥主要由閥體、閥座、閥桿、活塞、膜板、彈簧、密封件等部件組成，閥內(nèi)各部件通過一定的裝配關系集成在閥體內(nèi)部，并根據(jù)各腔室壓力大小產(chǎn)生相應動作[5]。2種結(jié)構(gòu)中繼閥均設有4個對外氣路接口，分別為輸入口、預控口、輸出口和排氣口[6]。

圖1 中繼閥結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 工作原理

2種結(jié)構(gòu)中繼閥工作原理基本一致。如圖1所示，預控壓力通過預控口進入膜板下腔室，推動活塞向上移動，活塞向上推動閥桿，切斷輸出口與排氣口的通路，供風閥口密封件離開閥座，打開輸入口到輸出口的通路，輸入口向輸出口管路充氣。當輸出口壓力上升到一定值時，閥桿隨活塞向下移動，供風閥口密封件重新貼靠到閥座上，此時輸入口與輸出口、輸出口與排氣口之間的通路均被切斷，各部件處于平衡狀態(tài)。如果預控壓力再次升高，則活塞又推動閥桿向上移動，再次打開輸入口與輸出口的通路，輸入口又向輸出口充氣，直至供風閥口密封件貼靠到閥座上，達到平衡狀態(tài)。

如果預控壓力下降，則活塞向下移動，排氣閥口密封件脫離閥桿，打開輸出口與排氣口的通路，輸出口排出部分壓縮空氣，輸出口壓力下降到一定值時，活塞在預控壓力的作用下向上移動，排氣閥口密封件貼靠上閥桿，此時輸入口與輸出口、輸出口與排氣口之間的通路均被切斷，各部件處于平衡狀態(tài)。完全緩解時，預控壓力降為0，活塞在輸出口壓力作用下移動至下部，打開輸出口與排氣口的通路，輸出口的壓縮空氣排到大氣，輸出口壓力降為0[7]。

2 試驗研究

中繼閥工作時，輸入口通入供風壓力以滿足用風需求，預控口通入預控壓力以驅(qū)動閥內(nèi)部件產(chǎn)生相應動作，產(chǎn)生輸出壓力通過輸出口流向下游部件[8]。中繼閥供風壓力并不是固定不變的，而是維持在一定范圍內(nèi)，一般為750～900 kPa。中繼閥預控壓力與控制需求有關，不同的控制需求中繼閥會接收到不同的預控壓力，一般為0～600 kPa，從而產(chǎn)生的輸出壓力也隨之不同。

現(xiàn)對2種結(jié)構(gòu)中繼閥分別在不同供風壓力、不同預控壓力下的壓差進行試驗測試，試驗原理見圖2，試驗管路通徑為18 mm，壓力表精度為1 kPa。供風壓力和預控壓力分別通過調(diào)壓閥1和調(diào)壓閥2調(diào)節(jié)，各管路壓力穩(wěn)定后，通過壓力表1、壓力表2和壓力表3分別讀取供風壓力、預控壓力和輸出壓力，并記錄數(shù)據(jù)，試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計見表1。其中，壓差為預控壓力與輸出壓力的差值(本文定義為代數(shù)值)。

圖2 中繼閥壓差試驗原理圖

表1 中繼閥壓差試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計 kPa

基于表1試驗數(shù)據(jù)，在不同預控壓力下，2種結(jié)構(gòu)中繼閥壓差與供風壓力的關系曲線如圖3所示；在不同供風壓力下，2種結(jié)構(gòu)中繼閥壓差與預控壓力的關系曲線如圖4所示。

注：圖中“A-100”、“B-100”分別表示A型、B型中繼閥-預控壓力100 kPa。

注：圖中“A-700”、“B-700”分別表示A型、B型中繼閥-供風壓力700 kPa。

由上述曲線可看出：

(1) A型中繼閥壓差與供風壓力關系較大，同等預控壓力下，壓差與供風壓力成正比，即供風壓力越高，壓差越大；

(2) A型中繼閥壓差與預控壓力關系較大，同等供風壓力下，壓差與預控壓力成反比，即預控壓力越高，壓差越小；

(3) 預控壓力一般大于輸出壓力，但在某些條件下，A型中繼閥輸出壓力會反超預控壓力，即輸出壓力大于預控壓力；

(4) B型中繼閥壓差與供風壓力、預控壓力無明顯關系，壓差基本不受二者影響。

3 力學分析

為分析上述現(xiàn)象產(chǎn)生的原因，現(xiàn)對中繼閥進行力學分析。中繼閥動作后達到平衡狀態(tài)，閥內(nèi)各部件滿足力學平衡原理。由圖1可知，供風壓力作用在閥桿上，而閥桿同時又受到輸出壓力的作用，活塞兩側(cè)也分別受到預控壓力和輸出壓力的作用，加之彈簧力、阻力等因素共同作用，各部件達到平衡狀態(tài)。針對2種結(jié)構(gòu)中繼閥，分別對閥桿活塞整體、閥桿、活塞進行受力分析。

3.1 A型中繼閥

圖5為A型中繼閥的受力分析圖。

對于A型中繼閥，根據(jù)閥桿平衡狀態(tài)時的受力分析，可列出如下的平衡方程：

(1)

圖5 A型中繼閥受力分析

閥桿與活塞之間通過密封壓緊力F5進行力學銜接，對公式(1)變形如下：

(2)

根據(jù)活塞平衡狀態(tài)時的受力分析，可列出如下平衡方程：

(3)

為便于研究預控壓力P2和輸出壓力P3差值，將公式(2)代入公式(3)并對公式(3)變形如下：

(4)

3.2 B型中繼閥

圖6為B型中繼閥的受力分析圖。

圖6 B型中繼閥受力分析

對于B型中繼閥，根據(jù)閥桿平衡狀態(tài)時的受力分析，可列出如下的平衡方程：

(5)

閥桿與活塞之間通過密封壓緊力F5進行力學銜接，對公式(5)變形如下：

(6)

根據(jù)活塞平衡狀態(tài)時的受力分析，可列出如下平衡方程：

(7)

為便于研究預控壓力P2和輸出壓力P3差值，將公式(6)代入公式(7)并對公式(7)變形如下：

(8)

4 原因分析

4.1 受供風壓力影響分析

對于A型中繼閥，d1與d2大小存在差異，故A型中繼閥供風壓力P1會對閥桿產(chǎn)生一定附加力，對壓差產(chǎn)生影響，且由公式(4)可知，在其他條件不變的情況下，供風壓力P1越高，壓差越大；而對于B型中繼閥，d5與d6大小幾乎相等，故B型中繼閥供風壓力P1基本不會對閥桿產(chǎn)生附加力且不會對壓差產(chǎn)生影響。

4.2 受預控壓力影響分析

中繼閥達到平衡狀態(tài)時，由公式(4)、公式(8)可知，預控壓力P2和輸出壓力P3通過各自作用面積產(chǎn)生作用力參與平衡計算，若兩者作用面積不同，則對壓差一致性產(chǎn)生影響。

對于A型中繼閥，d3顯然遠大于0，即P2與P3的作用面積存在差異，故A型中繼閥預控壓力P2會對壓差產(chǎn)生影響，且預控壓力P2越高，壓差越小；而對于B型中繼閥，d7與d9基本相等，即P2與P3的作用面積差異較小，故B型中繼閥預控壓力P2基本不會對壓差產(chǎn)生影響。

5 建議

中繼閥本身機械結(jié)構(gòu)決定了其壓差無法完全消除，且壓差特點也因中繼閥結(jié)構(gòu)不同而有差異。結(jié)合上述分析，提出以下建議。

(1) 針對制動控制系統(tǒng)采用預控壓力進行閉環(huán)控制，且以獲得輸出壓力為目的的場合：

1)對于供風壓力波動范圍較大的，建議采用B型中繼閥；若采用A型中繼閥，因其壓差隨供風壓力不同而變化，則需考慮在不同供風壓力段對輸出壓力進行校正；

2)對于預控壓力有多個級別或無級連續(xù)變化的，建議采用B型中繼閥；若采用A型中繼閥，因其壓差隨預控壓力、輸出壓力不同而變化，則需考慮在不同預控壓力段對輸出壓力進行校正。

綜上，若在此種場合采用A型中繼閥，要獲得滿足要求的輸出壓力，則需考慮的校正修正措施較多，控制方法復雜，且中繼閥存在一定的個體差異，一套控制方法很難涵蓋全部個體閥，故建議在此種場合采用B型中繼閥。

(2) 針對制動控制系統(tǒng)采用輸出壓力進行閉環(huán)控制，且以獲得輸出壓力為目的的場合，不管供風壓力、預控壓力如何波動或變化，2種結(jié)構(gòu)中繼閥均可選用。