一種新型空氣停放制動系統

覃立偉 李培署 陳 旭

(中車青島四方車輛研究所有限公司, 266112, 青島∥第一作者, 高級工程師)

停放制動是指在車輛停止狀態下,為防止溜車而施加的制動方式。彈簧停放制動系統因其操作簡單、安全可靠、停放力大等優點在動車組、城市軌道交通車輛及機車上獲得了廣泛的應用[1-2]。但同時,彈簧停放制動系統也具有停放制動力不穩定、存在疲勞衰減等缺點,且由于彈簧停放缸結構較為復雜,其會增加制動執行裝置的質量和體積,為設計和制造環節帶來不便。為解決上述問題,相關企業紛紛開始研究新型停放制動系統,例如:法國Faiveley公司研制了一種采用絲杠棘輪鎖定機構的新型停放制動執行裝置,其具有體積小、質量輕和停放力大等優點;中國鐵道科學研究院集團有限公司設計了一種采用絲杠棘輪實現制動力保持的新型停放制動裝置,其具有結構簡單、體積小等優點。

本文介紹了一種由壓縮空氣施加的新型停放制動系統,包括停放制動控制模塊和停放制動執行裝置。所提新型空氣停放制動系統具有停放制動力可靈活調節,停放力大小穩定不衰減,停放制動執行裝置結構簡單、體積小、質量輕等優點。此外,新型空氣停放制動系統的接口及安裝方式均與現有彈簧停放制動系統保持一致,可與現有彈簧停放制動系統對等替換,而不改變車輛控制邏輯和司機操作習慣。本文研究可為新一代軌道交通車輛制動系統的研發提供理論基礎和工程技術指導。

1 彈簧停放制動系統結構組成及功能原理

城市軌道交通車輛的制動系統包含制動控制裝置和基礎制動裝置。制動控制裝置由行車制動控制模塊和停放制動控制模塊兩部分組成。基礎制動裝置包括行車制動裝置和停放制動裝置,行車制動裝置負責日常的行車制動、行車緩解,停放制動裝置負責駐車時的停放制動、停放緩解。行車制動裝置可單獨工作,停放制動裝置通常和行車制動裝置組合出現,稱為復合制動裝置。制動缸為復合制動裝置中的行車制動驅動機構,停放缸為復合制動裝置中的停放制動驅動機構。根據功能劃分,將制動系統中負責停放制動、緩解功能的部分稱為停放制動系統,包括停放制動控制模塊和停放復合制動裝置。彈簧停放制動系統,即為停放制動原動力由彈簧施加的停放制動系統。

彈簧停放制動系統如圖1所示。在停放制動控制模塊輸出口和行車制動控制模塊輸出口之間設置雙向閥,雙向閥出口接停放風管以控制停放缸,雙向閥可用于防止停放制動和行車制動疊加施加。停放制動系統的工作原理為:停放控制模塊向停放缸充入額定值的壓縮空氣,緩解停放制動;排出壓縮空氣,施加停放制動;在特定情況下,也可通過機械裝置人工緩解停放制動。彈簧停放復合制動裝置的3種工作狀態如圖2所示。

a) 行車制動狀態

2 彈簧停放制動系統特性分析

停放制動力的大小、停放制動力的一致性、停放制動力的穩定性和停放手動緩解拉力大小等指標為停放制動系統的重要參數。影響停放制動力的變量為活塞行程、彈簧剛度和停放彈簧力,其中彈簧剛度屬于彈簧機械特性。隨著彈簧動作次數的增加,彈簧剛度和停放彈簧力會發生疲勞衰減。活塞行程的影響因素包括緩解間隙、彈性變形、襯套磨損及制動倍率。

彈簧停放復合制動裝置控制動作邏輯框圖如圖3所示。由彈簧施加停放制動力,制動缸和停放缸動作相互獨立,這種獨立結構使得彈簧停放制動系統存在幾個問題:①停放制動力和行車制動力可疊加作用在制動盤或車輪踏面上,容易導致制動力超過輪軌黏著力而引發滑行;②在車輛運行過程中,若停放缸內的壓縮空氣發生泄漏,停放制動力便直接施加在車輪上,這會導致車輛帶閘運行,易引發嚴重事故;③彈簧力大小存在個體差異,影響停放制動力的一致性,且停放制動力隨著彈簧的疲勞衰減而減小,需要定期檢修更換彈簧,以保持停放力始終滿足要求;④停放彈簧制造難度大且成本高,彈簧停放復合制動裝置具有結構復雜、體積大、擠占轉向架空間等缺點,其質量也較大,不利于系統輕量化設計。

圖3 彈簧停放復合制動裝置控制動作邏輯框圖

3 空氣停放制動系統結構組成和功能原理

為解決彈簧停放制動系統現有的問題,本文提出一種制動缸和停放缸聯動工作的新型空氣停放制動系統,制動缸施加制動力,停放缸對制動力進行鎖定,從而保持停放制動力。新型空氣停放制動系統如圖4所示。

a) 緩解狀態

新型空氣停放制動系統的控制模塊氣路分為兩路,Ⅰ路為制動缸控制氣路,Ⅱ路為停放缸控制氣路。Ⅰ路由總風管壓縮空氣經減壓閥、單向閥、儲風缸進入停放閥1口,1口與3口對應,3口與制動風管連通,制動風管經過雙向閥接入制動缸進風口A。Ⅱ路總風管壓縮空氣經減壓閥、節流閥進入停放閥2口,2口與4口對應,4口與停放風管連通,停放風管接入停放缸進風口B。停放閥5口通大氣壓,在不同位置時,其分別與3口和4口連通,可分別將制動風管和停放風管通大氣壓。停放閥有3種控制方式:電磁控制、手動按鈕控制和先導壓力控制。前兩種控制方式與現有彈簧停放制動系統的控制方式相同,先導壓力控制用于總風壓力意外降低情況下自動施加制動,是一種冗余安全措施。

新型空氣停放制動系統的3種工作狀態為:

1) 停放充氣緩解:氣路Ⅱ保持導通狀態,停放缸處于解鎖位(見圖4 a))。此時,制動缸可正常充氣、排氣,實現行車制動與緩解功能。

2) 停放制動:氣路Ⅱ截斷,停放缸通大氣壓,停放缸處于鎖定位,控制制動缸活塞只能單向運動,即只能制動不能緩解。同時,氣路Ⅰ導通,儲風缸內的壓縮空氣被充入制動缸施加停放制動(見圖4 b))。

3) 停放手動緩解:通過截斷塞門排出制動缸內的壓縮空氣,然后操作手動緩解裝置使停放缸處于解鎖位置,釋放制動缸活塞,停放制動緩解(見圖4 c))。在手動緩解狀態下,制動缸的行車制動、緩解功能正常。當列車在無電、無風、被救援的情況下,無法通過壓縮空氣使停放缸保持在解鎖位,而經過特殊設計的手緩裝置可以保持停放缸處于解鎖位置,使制動活塞恢復行車制動、緩解功能。

手緩裝置的結構示意圖如圖5所示,其C口和停放缸進風口B連通。手緩裝置具有充氣緩解、停放制動、手動緩解3種工作位置,如圖6所示。手緩裝置的3種工作位置分別與停放缸的3種工作位置對應:①充氣緩解狀態——壓縮空氣推動緩解活塞2,同時推動手緩楔8,使滾動軸承6位于手緩楔8的斜面頂端,帶動手緩拉桿7處于釋放位置。②停放制動狀態——壓縮空氣排出,復位彈簧9推動手緩楔8復位,滾動軸承6沿斜面向下運動,帶動手緩拉桿7處于鎖定位置,制動缸活塞只能進行制動動作,無法緩解,從而實現停放制動。③手動緩解狀態——手動拉動手緩楔8,使滾動軸承6沿斜面向上運動,帶動手緩拉桿7處于釋放位置,制動缸活塞被釋放,可施加行車制動和緩解動作。此時,鎖定活塞4,將鋼球5推出并落在手緩缸體1的臺階上,阻止手緩楔8復位,手緩裝置保持在手動緩解位置。當再次向手緩裝置充入壓縮空氣時,推動鎖定活塞4復位,鋼球5退回,手緩楔8被釋放。

注:1—手緩缸體;2—緩解活塞;3—鎖定彈簧;4—鎖定活塞;5—鋼球;6—滾動軸承;7—手緩拉桿;8—手緩楔;9—復位彈簧;10—拉桿復位彈簧;C為手緩進風口。

a) 充氣緩解

4 新型空氣停放制動系統特性分析

新型空氣停放制動系統與彈簧停放制動系統的最大差異在于停放復合制動裝置的動作邏輯差異?？諝馔７艔秃现苿友b置將停放缸和制動缸功能重構,使其不再獨立工作,通過相互協作完成制動和緩解動作。制動缸作為驅動機構,提供行車制動和停放制動所需的制動力;停放缸作為控制機構,通過狀態切換完成行車制動和停放制動模式的轉換。

空氣停放復合制動裝置動作邏輯框圖如圖7所示。由圖7可知:當停放缸處于解鎖狀態時,制動缸處于行車制動模式;當停放缸處于鎖定狀態時,制動缸處于停放制動模式。新型空氣停放制動系統的主要特點為:①行車制動和停放制動具有統一的驅動機構,從結構上避免了行車制動力和停放制動力疊加的問題;②新型空氣停放制動系統的停放制動力由壓縮空氣提供,停放制動力大小由空氣壓力決定,避免了停放力大小不足、波動、疲勞衰減等問題;③停放制動力由制動缸施加,即使發生停放缸意外泄漏的情況也不會導致停放制動直接施加,提高了制動系統的安全性;④空氣停放復合制動裝置簡化了復合制動裝置的結構,減輕了復合制動裝置的體積和質量,有利于產品的輕量化和小型化設計。

圖7 空氣停放復合制動裝置動作邏輯框圖

5 結語

本文分析了彈簧停放制動系統的結構組成和工作原理,總結了彈簧停放制動系統的現有問題及其產生原因。為解決現有彈簧停放制動系統的問題,本文提出一種新型空氣停放制動系統,詳細介

紹了其結構組成和功能原理。新型空氣停放制動系統解決了彈簧停放制動系統制動力疊加、停放力不足、停放力波動、停放力疲勞衰減、停放制動裝置結構復雜、裝置體積大和質量大等問題。該系統對提高軌道交通車輛制動系統的安全性、可靠性具有重要的現實意義。