出口爱沙尼亚机车制动控制系统设计和制动能力分析

2014-08-03刘尚景冯书锐

铁道机车车辆 2014年2期

刘尚景，杨阳，冯书锐

(北京二七轨道交通装备有限责任公司机车研发中心，北京100072)

出口爱沙尼亚机车用户要求安装国产JZ-7型空气制动机，从制动性能方面考虑满足用户列车牵引的需要;实际应用经验有我国在满洲里口岸多年牵引俄罗斯车辆的北京型、DF7型机车，他们都是安装JZ-7型空气制动机，应用安全可靠。但是用户提出在运用环境－40℃ ～+40℃条件下至少5年的免修使用;机车最大速度100 km/h时紧急制动距离不大于800 m停车;与用户安全装置匹配的强制制动。依据此条件我们在机车设计时采取必要措施，满足用户要求。

1 空气制动系统设计

机车用途为调车兼小运转作业，车体为外走廊、单司机室结构;轴式C0－C0，轴重为23(1±2%)t，机车整备质量为138(1±2%)t，柴油机最大运用功率为1 500 kW，机车最大速度为100 km/h，在－40℃ ～+40℃沿海环境运用。

1.1 机车空气制动系统基本配置

考虑机车使用条件和用途，我们设计时采用2套制动阀、1个中继阀、1个换向切换阀、1个分配阀、1个作用阀、1个紧急作用阀、1个双塔空气干燥器及一些功能控制风缸，司机室安装1个紧急放风阀。总风缸容量为1 200 dm3，空气压缩机排量为2 750 dm3/min，闸瓦为低摩合成闸瓦;空气制动系统原理图见图1。其作用原理在其它论文［1］中有详细论述，各个功能阀的作用原理在JZ-7型制动机教科书［2］中有详细论述，这里不再叙述。

1.2 空气制动系统特殊改进

针对机车运用条件和JZ-7型制动机特点，对机车空气制动主要改进如下:

(1)采用适合耐寒、沿海条件使用的橡胶件

按照用户使用机车情况，预期使用5年，在试验台试验实际可以达到6年;

(2)小直径弹簧等易锈蚀零件特殊防锈处理;

(3)采用不锈钢管路，增强防锈作用;

(4)司机室地板下寒冷空间尽量少安装制动控制部件，中继阀、分配阀、作用阀、紧急作用阀全部安装在机器间内，有加热装置，保证在极寒条件下可靠使用;

(5)应用户要求增加相应电器保护强制制动装置:系统得到电气系统制动信号时，电磁阀打开列车管排风，同时总风管通过电磁阀向中继阀8#管通风，强制实现紧急制动。

2 制动系统试验

考虑应用条件苛刻，管路应保证清洁、密封，采用不锈钢管路有利于使用中保持系统清洁;制动机所有部件车下试验、装车后试验中要求发现故障必须分析相关部件协同处理。厂内组装试验中已经完成，状态良好。

3 机车制动能力计算

(1)制动要求:机车单机制动距离800 m。

(2)机车基础制动计算参数:低摩合成闸瓦;机车整备质量138 t;

闸瓦压力计算

制动缸直径d=0.203 m

制动倍率γ=6.75

传动效率η:紧急制动η=0.9;常用制动η=0.85

制动缸压力P:紧急制动时p=450 kPa，常用制动时p=350 kPa，P=p×3.14×

(kN)

闸瓦压力K=P×γ×η

紧急制动闸瓦压力为Kj=88.43 kN

常用制动闸瓦压力为Kc=64.96 kN

紧急制动距离计算用换算闸瓦压力K″。

紧急制动换算闸瓦压力K″=1.24××K=62.59(kN)

图1 制动系统部分控制原理图

(3)机车单机紧急制动距离计算

TB/T 1407《列车牵引计算规程》的制动计算中制动距离Sz=Sk+Se;

Sk=(v0×tk)/3.6，其中v0为机车初速，km/h;tk制动空走时间，s。

tk=3.5－0.08×ij，其中ij为计算坡道坡度。下坡为负值，平直道为0，常数3.5在单机情况时是2.5。

Se=其中v1计算初速;v2计算末速;ϑh为换算制动率;φh为换算摩擦系数;ω0为机车单位阻力。

在平直道时制动距离计算。分阶段累计计算，速度每10 km/h为1个阶段。制动距离为728.7 m，满足要求，计算结果见表1。

表1 平直道时机车单机制动距离计算结果

(4)在坡道时制动距离800 m制动限速计算

使用试凑法计算［3］，与(3)的计算方法相同，先假设1个限制速度，在800 m距离结果，再确定下一次计算速度，最终确定小于并接近制动距离的假设的限制速度为该坡道的限制速度。

合同要求牵引2 500 t货车小运转工况作业，针对此工况进行列车坡道制动限速计算。按照(3)项计算方法，当机车牵引列车时进行制动计算，了解列车线路运行通过情况，针对小运转工况牵引2 500 t货车计算。由于车辆与机车基础制动不同，ϑh、φh、ω0要考虑车辆进行修正。

①货车计算参数:用户没有提供具体车辆参数，按照滚动轴承货车参数，自重20 t、载重60 t;牵引质量2 500 t为32节;货车单位运行阻力ω″为:

载重60 t滚动轴承货车换算闸瓦压力=250 kN。

②计算参数:列车换算制动率ϑhL、列车换算摩擦系数按照货车中磷闸瓦计算φhL、列车单位阻力ω0L。

③计算结果见表2。表2中数值仅仅是计算结果，作为参考;实际运行时要留有余量，并且要试验验证。

(5)机车制动黏着力核算

①机车制动力

表2 不同下坡坡道2 500 t列车制动计算限制速度

机车常用制动时制动缸空气压强为350 kPa，单个制动缸压力64.96 kN，机车每根车轴制动力为

机车紧急制动时制动空气缸压强为450 kPa，单个制动缸压力88.43 kN，机车每根车轴制动力为

②黏着制动力

干燥轨面黏着制动系数μzg=0.062 4+

干燥轨面单轴黏着制动力Fzg=μzg×Q=μzg×

潮湿轨面单轴黏着制动力Fzsh=μzsh×Q=μzsh×

③计算结果对比

机车的制动力应该小于黏着制动力，才可以保证有效实施制动，结果见表3。

从表3可以看出，常用制动时机车制动力小于黏着制动力，能够保证有效实施制动。紧急制动时机车速度大于2.5 km/h时制动力小于黏着制动力，没有问题，能够保证有效实施制动;但是机车速度小于2.5 km/h时制动力大于黏着制动力，由于JZ－7型制动机本身特性实施紧急制动同时撒沙，机车速度很低两者又相差很小，所以不会滑行，能够保证有效实施制动;或者当改用常用制动。