120阀内孔径对制动系统性能的影响*

赵 阳，魏 伟

(大连交通大学载运工具先进技术重点实验室，辽宁大连 116028)

120型空气控制阀是吸收国内外先进制动技术，并结合我国实际情况研制而成的新型重载列车分配阀.120型空气控制阀是现阶段我国铁路货车上使用的主型阀，其制动、缓解特性对货运线路的作业效率及运行安全都有很大的影响［1］。为了获得更好的制动系统特性，优化制动系统功能，有必要详细研究120阀各种参数对制动缓解特性的影响。本文研究120阀的部分孔径参数对列车制动缓解特性的影响，以期对优化分配阀和开发新分配阀起到借鉴作用。

对120阀的定性分析，可以确定改变120阀的各孔径对其制动、缓解特性影响的趋势，但是很难定量分析其影响的程度。120阀列车制动系统仿真系统是根据气体流动理论和分配阀工作原理建立的列车空气制动仿真系统模型。该仿真系统通过计算每时刻气体状态，机车阀、车辆阀内移动部件状态和通路，各缸室气体流量，从而获得制动系统的动态特征。通过仿真结果与试验结果的对比表明，仿真得到的列车管、制动缸、副风缸加缓风缸等空气压力随时间的变化与试验结果非常接近［2－4］，说明基于气体流动理论的空气制动仿真系统能够很好的模拟制动系统中气体流动和阀内动作过程。该软件可以改变阀的各个参数以分析各参数对制动系统性能的影响。因此，该软件为120阀的定量分析提供了很好的平台，可以应用于新阀的开发和旧阀的改造工作中。

120阀自推广以来，显示出优良的性能，但是在运用和实践中也暴露出一些如制动阀、缓解阀故障的现象［5－6］。而紧急阀III孔、局减阀上的局减孔、加缓风缸向列车管充气孔是120阀中重要的孔径并且对列车的制动缓解特性具有明显的影响［7］，因此分别对上述3孔进行讨论，以得到各自的规律，解决分配阀在运用过程中暴露的问题。

1 仿真系统基本原理

空气制动系统根据其流动特点，可以将制动系统分为管路系统和缸系统。管路系统重点研究其流动特性;缸系统主要有2类缸，一类是容积可变的缸，如制动缸，另一类是容积固定的缸，如副风缸、加速缓解风缸等，缸内研究重点是稳定压力。因此对于管路和缸分别作如下假定。对于管路，假设管路系统内气体流动是一维流动，考虑到管路内气体可能和外部有热交换，管内壁有摩擦，管路面积可变及气体熵可变。根据气体流动的连续性、动量守恒和能量守恒得到如下方程［2］:

式中:ρ，u，p，a，k，D，F，q，x，t分别为气体密度、流速、压力、声速、比热比、管路直径、管截面积、传热率、距离和时间。

对于固定容积缸内压力的计算，引入定容积开口系统热力学第一定律。方程如下:

2 分配阀内孔径对制动特性的影响

为了计算具有典型性，在仿真计算时，选取的重载列车编组方案为:一辆HXd1机车牵引一百辆C80型货车(轴重25 t);首车列车管初始压力600 kPa(相对压力)，末车列车管初始压力580 kPa。

2.1 紧急阀III孔径的影响

紧急阀III孔为紧急活塞杆的限孔，紧急阀的紧急活塞上方的紧急室压力空气先经此孔向列车制动管逆流，常用制动时，此孔上下压力差小，孔径相对较大，不足以在紧急活塞上产生紧急制动需要的作用力。当紧急制动时紧急活塞两侧形成足以压缩安定弹簧的压力差时，紧急活塞下移，下移量为3 mm时，紧急活塞杆的下端面与先导阀顶杆接触并克服先导阀弹簧的阻力，通过先导阀顶杆向下顶开先导阀，于是，列车制动管压力空气经开启的先导阀口、放风阀杆的径向孔排入大气。

对120阀紧急部结构的定性分析可知，紧急阀III孔径减小，紧急灵敏度将提高，反之紧急灵敏度降低，但是该孔径的大小只能在较小的范围内变化，当该孔径过大时，将使紧急制动不能正常发生，而该孔径过小时，在常用制动时可能发生意外紧急制动。目前，该孔径大小对紧急灵敏度影响的定量分析和对其他紧急制动性能影响的定量分析还没有研究结论。本文使用仿真系统来定量分析紧急阀III孔径对紧急制动特性的影响。

在120阀中，该孔径的标准大小为2.5 mm，在仿真时分别修改该孔径为2.4 mm和2.6 mm，进行仿真计算。图1是紧急阀III孔径在2种孔径情况下首(第1辆车)、中(第50辆车)、末车(第100辆车)的列车管压力变化曲线。从列车管曲线看，该孔径大小对中、末车的列车管开始排气时间有较为明显的影响:中车在该孔径为2.6 mm时，3.8 s列车管开始排气，而该孔径为2.4 mm时，2.9 s列车管开始排气;末车在该孔径为2.6 mm 时，6.6 s开始排气，而该孔径为2.4 mm 时，5.5 s开始排气。

图1 紧急阀III孔径对列车管压力的影响Fig.1 The effect of emergency valve III hole on the train pipe pressure

该孔径的大小在影响列车管开始排气时间的同时对列车管的排气速度也有明显的影响。由图可知，增大该孔径后，末车在刚开始减压时速度较慢，之后才进入紧急制动的状态，从而导致列车管的排气速度较慢。在该孔径为2.6 mm时，末车列车管开始减压到压力为0用时2.9 s，而该孔径为2.4 mm 时，该过程只用了1.1 s，减小该孔径明显提高了列车管的排气速度。

从图2的制动缸曲线可以看出，紧急阀III孔的孔径增大后，中、末车的制动缸升压开始时间明显滞后，并且刚开始升压时速度较慢，这是由于该孔径增大后，紧急活塞上下的压力差增大的速度较慢，导致先导阀打开的时间滞后，先导阀打开之后才发生紧急制动。如果紧急阀III孔过小，在常用制动时就会发生紧急作用，如图3中就是该孔径减小到2.2 mm时，常用制动发生紧急作用的列车管和制动缸曲线。

孔径对紧急制动波速有明显影响，表1是在紧急阀III内孔径不相同时的紧急制动波速。

图2 紧急阀III孔径对制动缸压力的影响Fig.2 The effect of emergency valve III hole on the brake cylinder pressure

图3 紧急阀III孔径为2.2mm时常用全制动的列车管压力曲线与制动缸压力曲线Fig.3 The curve of the train pipe pressure and the brake cylinder pressure as full service as emergency valve III hole equal 2.2 mm

表1 紧急阀III内孔径对紧急制动波速的影响Table 1 The size of emergency valve III hole effect the emergency braking propagation speed

从表1的仿真结果看，紧急阀III内孔径的大小对紧急波速影响非常明显，孔径越小，制动波速越快。尽管紧急阀III内孔径减小可以提高紧急波速，但是过小的紧急阀III孔径，将使常用制动发生紧急作用，从而导致制动故障。通过多次仿真计算后发现，当紧急阀III内孔径的大小为2.2 mm时，在常用全制动时先导阀已经打开，常用全制动时会发生以外紧急制动。而当孔径不断增大时，紧急制动也将不能发生，仿真计算发现，当紧急阀III内孔径为2.8 mm时，先导阀未打开，已经不发生紧急制动。

通过仿真计算发现，紧急阀III内孔径在2.3～2.7 mm范围内能够保证在常用制动时不发生紧急作用，同时紧急作用也能正常发生。紧急阀III内孔径的大小在影响制动波速的同时，也将直接影响紧急制动停车时间和制动距离，以100辆编组，初速度70 km/h列车为例，在紧急制动时，制动时间及制动距离见表2。紧急阀III孔径在有效紧急制动作用发生范围内发生紧急制动，该孔径越大，制动波速越慢，停车时间越长。在该孔以原孔径为基准增加到2.65 mm时，制动距离约增加15.01 m，延长了约3.0%。

表2 紧急阀III孔径对紧急制动时间及制动距离的影响Table 2 The effect of emergency valve III hole on the time of emergency braking and the stop distance

2.2 局减阀孔径大小对常用制动的影响

局部减压的作用是在常用制动时，加速列车管局部减压作用，目的是加速常用制动作用传递速度。局减阀开放后，位于局减阀套中部沿圆周均布的8个孔与滑阀座相通，第2阶段局部减压开始，列车制动管压力空气经过局减阀套上的8个径向小孔充入制动缸。

局减阀套上的8个径向小孔的内孔径的标准大小为1 mm，将小孔改为0.5 mm及1.5 mm后进行减压100 kPa的仿真实验。

图4 局减阀孔对列车管压力的影响Fig.4 The effect of the local reduction valve hole on the train pipe pressure

图4是局减阀孔径为0.5 mm及1.5 mm时的列车管减压曲线，随着孔径的增大，首、中、末车列车管减压速度随之加快，尤其以中车和末车最为明显。中车减压到520 kPa时，孔径为0.5 mm时耗时33 s，而孔径为1.5 mm时耗时28 s，耗时减少5 s，减少了15.2%;末车减压到520 kPa时，孔径为0.5 mm 时耗时35 s，而孔径为1.5 mm 时耗时30 s，耗时减少5 s，减少了14.3%。

图5 局减阀孔对制动缸压力的影响Fig.5 The effect of the local reduction valve hole on the brake cylinder pressure

图5是两种局减孔时的制动缸压力曲线，从曲线可知局减孔孔径对制动缸压力影响非常明显，其影响主要有两点，其一是制动缸开始充气时间，随局减孔的增加而提前;其二是制动缸压力上升速度，随着局减孔的增加而增大。以0.5 mm孔径为基准，1.5 mm孔径时末车制动缸开始动作时间缩短4 s，缩短了36.4%，末车制动缸达到平衡压力的时间缩短11 s，缩短了19.3%。

图6 局减阀孔径对制动波速的影响Fig.6 The effect of the local reduction valve hole on the braking propagation speed

局减主要影响常用制动特性，因此观察常用制动时制动波速的变化非常必要。图6是局减阀孔径对制动波速的影响。

图6为列车管减压100 kPa时，制动波速随局减阀内孔径变化的曲线。由图可知，局减阀套上的8个径向小孔内孔径越大，常用制动波速越快。该孔径从0.5 mm增加到1.5 mm常用制动波速约增加 112.4 m/s，增大了 77.4%。

2.3 加缓风缸向列车管充气孔的大小对缓解的影响

在列车管减压制动之后进入缓解过程时，120阀主活塞下移到缓解位，此时车辆制动缸开始缓解。准备排入大气的制动缸压力空气，先作为压力信号被引到加速缓解膜板处，使加速缓解阀产生动作，从而加缓风缸向列车管充气孔与列车管形成通路，使本车加速缓解风缸的压力空气，通过加缓风缸向列车管充气孔充入列车管。列车管除了有来自机车供风系统的压力空气之外，还有来自本车加速缓解风缸的压力空气充入，从而起到了加速缓解的作用。

加缓风缸向列车管充气孔的标准大小为1.0 mm，在改变该孔径大小的情况下进行减压100 kPa之后进行缓解的仿真实验。

2.3.1 列车管压力

改变加缓风缸向列车管充气孔大小后的首、中、末车列车管压力曲线见图7。由图可知，增大加缓风缸向列车管充气孔的大小在缓解过程中使末车的列车管增压曲线的尖峰提前发生，并且尖峰值明显加大，说明加速缓解风缸向列车管补风能力随着孔径增加而加强，孔径为1.5 mm时比0.5 mm时的发生时间提前了6.5 s。

图7 加缓风缸向列车管充气孔对列车管压力的影响Fig.7 The effect of acceleration release cylinder to the train pipe＇hole on train pipe pressure

图8 加缓风缸向列车管充气孔对制动缸压力的影响Fig.8 The effect of the acceleration release cylinder to the train pipe＇hole on the brake cylinder pressure

2.3.2 制动缸压力及缓解波速

由图8可知，增大加缓风缸向列车管充气孔的大小，制动缸压力开始下降的时间有所提前，以图中孔径为0.5 mm和1.5 mm为例，孔径为1.5 mm时，比孔径为0.5 mm时，末车的制动缸压力开始下降的时间提前了5 s。制动缸压力开始下降的时间提前意味着缓解波速有所提高。

从120阀的结构及原理上分析，当作用部处于充气缓解位时，加缓风缸向列车管充气孔越大，缓解波速越快。在减压100 kPa之后进行缓解，加缓风缸向列车管充气孔对缓解波速的影响见表3。

表3 加缓风缸向列车管充气孔对缓解波速的影响Table 3 The effect of the acceleration release cylinder to the train pipe＇hole on the release propagation speed

由表3可见，随着加缓风缸向列车管充气孔由0.5mm 增大到1.5mm，缓解波速随之增大74.8m/s，增大了 53.1%。

2.3.3 小减压量制动后的缓解波速

研究和试验表明，在缓解波速较慢时，往往会发生列车的最大纵向力，这主要是由于缓解波速较慢产生的纵向冲动引起的。因此，提高缓解波速可以减小列车的纵向力。通过上面分析可知，增大加缓风缸向列车管充气孔的大小，可以提高缓解波速。由于在小减压量制动后，机车供风系统与列车管的空气势能差较小，从而导致在小减压量时的缓解波速较慢，现以减压50 kPa为例来研究加速缓解风缸向列车管充气孔孔径的大小对小减压量缓解波速的影响。

表4 加缓风缸向列车管充气孔对缓解波速的影响Table 4 The effect of the acceleration release cylinder to the train pipe＇hole on the release propagation speed

由表4可知，增大该孔径为1.5 mm时，缓解波速增大 7.6 m/s，增大了 8.99%;该孔径增大到 2.0 mm 时，缓解波速增大 17.8 m/s，增大了21.1%。但是该孔径继续增大，缓解波速有减小的趋势，因此通过改变加缓风缸向列车管充气孔孔径的大小并不能完全解决小减压量缓解波速较慢的问题。

3 结论

(1)紧急阀III孔径在2.3～2.7 mm范围内能够保证常用制动时不发生紧急作用，同时紧急作用能正常发生。当该孔径从 2.35 mm增加到2.65 mm时，列车管开始排气的时间滞后 1.1 s，制动缸开始升压时间滞后2 s，制动波速减小39 m/s，减小了13.8%，紧急制动时的制动距离也随之增长了 16.44 m。

(2)局减阀内孔径越大，其列车管减压速度越快，制动缸开始充气时间提前，制动缸压力上升速度增大，以该孔径为 0.5 mm为基准，孔径为1.5 mm时，末车列车管压力降到520 kPa的时间提前14.3%，制动缸开始动作时间缩短5 s，并且该孔径越大，制动波速越快。

(3)随着加缓风缸向列车管充气孔的增大，加速缓解风缸向列车管补风能力加强，制动缸压力开始下降的时间有所提前，缓波速提高。在减压50 kPa后缓解时，该孔径由1.0 mm增大到2.0 mm，缓解波速由 84.5 m/s增大到 102.3 m/s，增大了21.1%，但是不能完全解决小减压量缓解波速较慢的问题。

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