重载列车空气控制阀的研究

范振平，李 强，姚小沛，陶 强

（北京交通大学，北京 100044）

重载列车空气控制阀的研究

范振平，李 强，姚小沛，陶 强

（北京交通大学，北京 100044）

介绍了重载列车空气控制阀的开发背景、常用制动加速作用的实现方式及为提高阀的可靠性及检修周期所做的技术改进，并详细介绍了重载列车空气控制阀在开发及应用阶段的各种试验情况。

120－1型货车；空气控制阀；常用制动加速作用；技术改进；试验

1 引言

大秦重载列车铁路设计初期预定开行1万t列车，我国原有的货车103阀、GK阀已不能满足1万t列车运用需要。当时拟引进美国ABDW或德国DB－60阀，但在室内试验中发现以下3个主要问题：①以我国JZ－7（或DK－1）制动机操纵ABDW阀（或DB－60）的列车时，不论减压量大小，在保压期间ABDW阀的常用制动加速部排风不止，必须达到列车主管与副风缸平衡才能停止动作，造成列车制动机失去阶段制动作用；②橡胶件在－40℃左右就不能正常工作；③紧急制动后，第一次施行常用制动，其制动波速仅能达到GK阀水平。为此，铁道部决定终止引进工作。1989年起，铁道部决定研制新货车空气控制阀，目标为满足1万t重载列车制动要求。

新研制的货车空气控制阀试验结果令人满意，各项指标达到80年代国外先进制动机水平，1993年通过铁道部鉴定，定名为120型货车空气控制阀。1994年起在新造货车上全面安装，旧车每年也以一定数量改造，迄今在列车队中已占70%左右。120阀的常用制动波速、缓解波速、紧急波速等主要性能已达到国外先进制动机水平，实践证明这些性能已基本可以满足重载运输的要求。至于常用加速性能，当时因考虑到与几十万辆K（GK）阀的混编问题，而且牵引重量目标仅为万t，因此暂时舍弃了这个功能。

2003年3 月装备部重载会议上，与会代表提出要求在120阀上增添常用加速制动功能。以便使改进的120阀无论是单独使用或与ECP、Locotrol配套使用时都能满足重载运输要求。铁道部科技司于2004年科研项目列入计划，并在7月签订合同。

2 设计方案确定

方案设计从2003年初开始，到2003年底，逐步确定了120－1货车空气控制阀的设计方案：

（1）考虑到120阀目前已经成为我国货车的主型空气控制阀，各工厂和站段在120阀的生产、检修及运用上已经积累了大量宝贵经验；同时考虑到控制阀的设计应该保持技术上的连贯性和可持续性。因此应尽可能将120阀上成熟、可靠的部分继承下来，以最经济有效的办法实现新增功能，以利于现场生产、检修及运用。

（2）不仅要讲究常用加速制动性能效果，而且还必须能适合我国国情，也就是改进后的120阀（120-1 type阀）应该既能适应在压力保持条件（补风）下运用，又能在没有压力保持条件（不补风）下与GK阀、120阀混编使用。

（3）常用加速制动性能实现上不再采取ABDW阀的频率震动式结构而应吸取ABDX阀的成功经验。

（4）除增加常用加速制动功能以外，还应对120阀近些年检修、运用中反映出的一些问题进行改进设计。

3 结构、材料的改进设计

3.1 常用制动加速功能的实现

120－1 的常用加速制动作用是由滑阀、节制阀各孔在不同作用位时开、闭实现的。为了实现常用加速制动作用，对120阀的主阀作用部进行了重新设计，主要包括以下内容：

（1）对滑阀进行了重新设计，增加新的气路、对原有气路进行了调整及优化。

（2）对节制阀进行了重新设计。

（3）为保证性能，提高了对滑阀、节制阀的加工精度。

（4）为适应重载列车的需要，对稳定杆进行了改进设计。

（5）主勾贝和滑阀的工作行程增加2mm。

3.2 局减阀的改进设计

环行道第一阶段120km/h货车可靠性试验进行了10个月，运行了约18万km。试验结束后，将34辆车的120阀全部拆下，在120阀试验台上逐一进行了试验，其中有3个阀的局减阀橡胶膜板破裂，约占9%。17个阀局减阀盖通气孔漏泄超标（但其局减阀橡胶膜板没有破裂）,约占50%。

如此多的局减阀产生漏泄证明局减阀的设计存在欠缺,我们对局减阀的结构进行了认真分析，提出了如下修改方案：（1）将上活塞与局减阀杆合为一体，以彻底解决漏泄问题，为减少加工量可考虑采用铸造件;（2）局减阀盖还应保持2000年改图的要求，增加4×4的倒角，以减少膜板受拉变形;（3）取消了M8弹性垫圈，因为当拧紧弹性垫圈时易划伤下活塞，产生铝屑，造成划破膜板的隐患，同时改用防松螺母。

我们对改进后的局减阀结构进行了一万次作用试验，没有产生漏泄及松动。达到了预期的效果。铁道部装备部已批准按新图生产局减阀杆，目前新生产的120－1阀和120阀均已按新的局减阀杆图纸生产，运用中未再发生类似的局减阀盖通气孔漏泄现象。

3.3 紧急阀

3.3.1 紧急制动后不复位。运用部门多次反映，列车有时在施行紧急制动后，因120阀紧急部不能复位造成充气时大漏，影响行车。经反复查对图纸，分析加工工艺后，发现在推广铝盖中，紧急放风阀导向杆设计和L13通道开孔位置及下盖设计不当，造成在紧急制动时，容易使气路不畅、导向杆倾斜，产生卡住现象，从而使紧急部不易复位，这是近期列车中紧急阀多发故障的原因之一。为此我们对紧急阀下盖、紧急放风阀导向杆、紧急下活塞的设计进行了改进。

3.3.2 提高紧急阀稳定性

（1）由于铝盖的表面光洁度高，在试验台试验时有时出现紧急阀模板被上盖吸住的现象，从而影响试验准确性。此次改进设计中在上盖增加小孔，以防止在快速动作过程中膜板上部形成真空而被吸住，以杜绝这种现象产生。

（2）紧急阀上盖改为铝盖后气路设计不尽合理，紧急室气路不通畅，也会造成紧急阀试验性能不稳定。120－1阀设计时对紧急阀上盖的气路进行了重新设计。

3.4 缓解阀

3.4.1 缓解阀手柄座容易损坏。据现场反映，检修120阀分解检查时，发现半自动缓解阀的手柄座更换量很大，占半数以上。我们分析，缓解阀手柄座套在早期设计中采用尼龙材料制成，运用中发现南方地区夏季运用时该件变形而造成故障较多。后改用铁基粉末冶金材料， 由于该部分零件受力较大，而缓解阀手柄座又采用钢材，致使缓解阀手柄座易于受损。在改进设计中采用了铜材，以期解决。

3.4.2 缓解阀接触面漏泄问题。因缓解阀体改为铝体后，其与主阀的接触面设计与主阀不一致，致使阀垫不能保证完全密封。120－1阀设计时对阀垫及缓解阀体与主阀的接触面进行了重新设计。

3.5 主阀与紧急阀体材质

120阀阀体栽丝螺纹损伤造成阀体报废的主要原因是阀体强度不够及栽丝孔、栽丝及螺帽的加工质量和安装工艺问题。目前使用的HT200拉伸强度仅为200N/mm2，如提高HT200的强度又会出现局部白口并造成该处硬度剧增无法加工。

根据国外经验我们这次选用了QT450－10，其拉伸强度是HT200的2.25倍并具有10%的延伸率而HT200的延伸率为0。该材质的改变不仅将利于减少因阀体栽丝螺纹损伤而造成的阀体报废，而且还有助于延长控制阀的使用寿命。但同时还应严格控制栽丝孔、栽丝及螺帽加工质量和安装工艺。

3.6 阀套材质

目前120阀与O型橡胶圈接触的阀套均采用铜套（HPb59-1），由于铜离子对橡胶的氧化具有强烈的催化作用，对橡胶造成危害，它既影响了阀的性能又缩短了橡胶件的使用寿命。

为了提高120－1阀性能的可靠性并延长橡胶件的使用寿命我们将铜套改为不锈钢套。不锈钢套的另一个优点是其线膨胀系数更接近铸铁，这将利于稳定120－1阀在高、低温下的性能。

3.7 弹簧

弹簧的生产质量将直接影响到控制阀性能的可靠性及使用寿命。弹簧钢丝的牌号很多，即使碳素弹簧钢丝也有几种，而120阀却对弹簧没有明确的材质要求。

在原120阀弹簧的技术要求中对安定簧的装配负荷、工作负荷进行考核，对其总圈数和自由高不作为考核依据。对其余的弹簧，弹簧力仅供参考，不作为考核依据。此种要求明显偏低，不利于保证阀的性能。

目前我们已对弹簧进行了调整设计，明确了弹簧钢丝的牌号，并对弹簧负荷及几何尺寸作了明确要求。为了提高弹簧的抗腐蚀能力，对弹簧表面处理后进行盐雾试验时要求出现锈蚀的时间提出了明确要求。

4 试验过程

为了验证120－1阀是否达到了设计目的，在研究、开发阶段进行了室内单车和列车试验、装车后进行了装车运用考验，对120－1阀与120阀的主要性能进行了详细对比。

4.1 室内单车试验

为了验证120－1阀新增常用加速制动功能的效果，对120阀、120-1 type阀进行了单车四位减压性能试验，比较两种阀从制动缸升压开始至制动管再减压130kPa的时间。试验情况见表1。从单车试验已能初步看出120-1 type阀常用加速制动性能的效果，120-1 type阀制动管减压时间比120阀缩短了17%。

表1 单车试验排气时间比较

4.2 室内150辆列车试验台试验

4.2.1 120－1阀常用加速制动性能验证。为了验证120－1阀的常用加速制动作用的效果，在室内150辆制动试验台进行了120阀及120－1阀150辆编组列车的常用全制动性能对比试验。试验结果见表2。

表2 120阀与120-1type阀150辆编组列车减压时间比较

试验结果表明150辆编组的120－1阀列车比同样编组的120阀列车，常用全制动减压时间缩短了30～35%。证明了120－1阀的常用加速制动性能达到了预期效果。

4.2.2 120－1阀的混编性能验证。铁路货车由于保有量大、使用年代久远，其上安装的制动机的类型也种类繁多，目前我国货车广泛使用的制动机类型有120阀和GK阀，另有少量103阀。因此新阀设计出来后能否与现有阀混编就显得尤为重要。为了验证120－1阀的混编性能，在室内150辆制动试验台主要进行了以下几项试验。

（1）为验证120－1阀可以适应机车压力保持操纵，进行了当列车管漏泄为20 kPa/min时，机车制动机置开通压力保持，150辆编组的120-1 type阀列车，减压120 kPa后，保压1小时的试验。 保压1小时后列车仍保持制动位，试验证明120－1阀能适应压力保持操纵。

（2）为验证120－1阀在没有压力保持的条件下，其常用加速制动性能仍能正常作用，进行了当列车管漏泄为20 kPa /min时，机车制动机置“不补风位”。100辆编组的120－1阀列车，减压100kPa的试验。试验证明120－1阀在列车管漏泄为20 kPa/min时，机车没有压力保持条件下，其常用加速制动性能仍能正常作用。

（3）为验证120-1type阀能够在没有压力保持的条件下与GK阀、120阀混编使用，进行了机车没有压力保持的条件下，100辆编组的120－1、120、GK三种货车阀混编试验，其中机后2、50、99辆车为120阀，机后第3、49、98辆车为GK阀，其它车辆均为120-1 type阀。试验证明120－1阀机车没有压力保持的条件下，能与120阀、GK阀正常混编使用。

4.2.3 120－1阀与120阀的其它主要制动性能进行了对比试验。对150辆编组的120－1阀和120阀的常用制动波速、缓解波速及紧急制动波速进行了对比试验，结果见表2。试验证明120－1阀的常用制动波速、缓解波速及紧急波速与120阀基本一致。

表3 120－1阀与120阀制动、缓解波速比较

4.3 装车运用考验

2005年1 月铁道部科技司会同运输局召开了120－1阀技术审查会，会后布置了随同新C80（3辆一组，中间用牵引杆连接，两端分别是17号车钩和16号转子钩，全部安装了120－1阀）车装车运用考验。2005年5月随204辆新C80敞车投入大秦运用考验，并与Locotrol技术（机车无线同步控制技术）配套进行了2种编组方式（4×5 000t编组和1＋2＋1编组）的2万吨组合列车试验，对相同编组方式的新、老C80（120阀、未安装牵引拉杆）列车的制动及纵向动力学性能进行了详细对比，取得了大量的试验结果，本文仅介绍与120－1阀相关的试验结果。

4.3.1 静置试验结果比较。为了验证C80车辆改进效果，列车静置制动试验时，对不同编组方式均进行了分别采用新、老C80车辆的列车制动性能对比试验。表4列出了新、老C80列车常用制动时不同编组时的列车减压时间。

从表4列出的各次试验结果统计可以看出，在各种不同编组、不同减压量时，新C80（安装120－1阀）列车的常用制动减压时间比老C80安装120阀）列车的常用制动减压时间缩短了20～40%；而且列车编组越长，常用制动减压时间缩短越多，120－1阀的常用加速制动作用就越明显。列车常用制动减压时间的缩短有利于缩短常用制动距离，减小长大列车制动时的车钩力。

4.3.2 运行试验结果比较。1＋2＋1和4×5 000t两种编组的新、老C80列车运行试验时都在平道及－12‰下坡道处进行了常用全制动停车试验。

（1）关于制动距离。在平道进行常用全制动时，（1＋2＋1编组）新、老C80两种相同编组列车的制动初速分别为80.5km/h、79.2km/h，制动距离分别为1 051m、1 180m。新C80两万吨组合列车比老C80两万吨组合列车制动距离缩短129m。

在－12‰下坡道进行常用全制动时，（1＋2＋1编组）新、老 C80两种相同编组列车的制动初速分别为 80.4km/h、80.6km/h，制动距离分别为1 546m、1 697m。新C80两万吨组合列车比老C80两万吨组合列车制动距离缩短151m。

试验证明新C80的制动机经过改装120－1阀后，增加了常用加速制动性能，能够缩短常用制动距离，这将利于大秦线高密度运输的需要。

（2）关于车钩力。试验中所测得的车钩力结果见表5。

1＋2＋1 组合两万吨列车，新C80列车各测试断面 （总共10个）中的最大车钩力比老C80列车的最大车钩力减小41%～59%左右；各测试断面最大车钩力的平均值减小43%～52%左右。

4×5 000 t组合2万吨列车，坡道时新C80列车各测试断面中的最大车钩力比老C80列车的最大车钩力减小37%左右；各测试断面最大车钩力的平均值减小47%左右。

证明C80改装牵引拉杆、120－1制动机后，能明显减小列车制动时的车钩力，这将利于采用LOCOTROL技术开行2万吨重载组合列车。

5 结论

（1）通过系统研究，设计，室内列车试验及大秦线一系列试验表明，120－1阀已达到铁道部合同要求的预期目标。

（2）120－1阀在大秦线2万吨组合列车运用考验中证明：在各种不同编组、不同减压量时，安装了120-1type型货车空气控制阀的新C80列车比安装120型货车空气控制阀的老C80列车常用制动减压时间缩短了20～40%；而且列车编组越长，常用制动减压时间缩短越多，120-1type阀的常用加速制动作用也越明显。缩短列车常用制动减压时间将利于缩短列车常用制动距离，减小长大列车制动时的车钩力。

（3）通过大秦线2万吨组合列车试验证明：120－1阀能与Locotrol系统（机车无线同步控制系统）相互匹配，并能适应Locotrol系统压力保持的需要。

（4）针对原120阀一些检修、运用中存在的问题对120阀的改进设计将利于提高120－1阀和120阀的可靠性并延长检修周期。

[1]陶强.大秦线采用Locotrol技术开行2万吨重载组合列车试验报告[R].中国铁道科学研究院机车车辆研究所，2006.

[2]陶强.120-1 type型货车空气控制阀研究报告[R].中国铁道科学研究院机车车辆研究所,2006.

Study on the Air Control Valve for Heavy-duty Trains

FAN Zhen-ping,LIQ iang,YAO Xiao-pei,TAO Qiang
（Beijing Jiaotong University,Beijing100044,China）

The paper introduces the developmental back ground of the air control valves for heavy-duty trains,the realization ofits common braking and accelerating functions,and the technical improvements in its reliability and maintenance cycle and then details some of the experimentsin the development and application stages of thevalve.

120-1 freight train;air control valve;common braking and accelerating functions;technical improvement;experiment

U260.351

A

1005-152X（2011）02-0138-04

10.3969/j.issn.1005-152X.2011.02.044

2011-01-10

范振平（1965-）,男，河北行唐人，现在北京交通大学机械工程博士后流动站从事博士后研究工作;李强，北京交通大学博导；姚小沛，中国铁道科学研究院机车车辆研究所；陶强，中国铁道科学研究院机车车辆研究所。