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轨道车辆用高度阀的流量特性研究

2016-12-02张新宇

铁道机车车辆 2016年5期
关键词:活塞杆排风车体

张新宇

(中国铁道科学研究院 机车车辆研究所, 北京 100081)



轨道车辆用高度阀的流量特性研究

张新宇

(中国铁道科学研究院 机车车辆研究所, 北京 100081)

在轨道车辆的运行或乘客上下过程中,车辆的载荷变化会导致车体相对于轨面的高度变化。为了使车体保持一定的高度,车体载荷发生变化时,将通过高度阀向空气弹簧充风或排风,而高度阀的充排风速度会影响乘客的舒适度,以及轨道车辆的平稳性。本文建立了高度阀的数学模型,分析了高度阀内部的节流结构对充排风流量特性影响,并对比了仿真计算和试验结果。

高度阀; 流量特性; 仿真分析

在轨道车辆的实际运营过程中,如果车厢内的乘客分布不均匀,车体下方的空气弹簧(简称:空簧)压缩量会不均匀,因此影响乘客的舒适度和车辆的运行平稳性。

对一列车来说,每节车厢的载重各不相同,每次停站时每节车厢的载重变化量也不同,因此每节车厢相对于轨面会产生较大的高度差,有可能导致联挂装置脱钩的现象。

为了解决这些安全问题,在车体和转向架之间安装悬挂控制装置,其核心部件就是高度阀。当车辆载重增加时,车体相对于转向架向下运动,此时高度阀向空气弹簧充风,使空气弹簧压力增加,抬高车体高度。当车辆载重减少时,车体会向上移动,此时高度阀将排出空气弹簧内的空气,使空气弹簧压力下降,降低车体高度,直到车体恢复到设定的高度为止[1]。

1 高度阀工作原理

高度阀的内部结构如图1所示[2]。在实车中,杠杆与转向架相连,阀体固定在车体上,因此车辆载重增加时,杠杆就绕着驱动轴向上旋转,使得偏心销推动活塞向左运动,并打开进气阀V2。从总风侧来的压缩空气V推动阀头,打开止回阀V3,经过进气阀V2进入空气弹簧。

当车辆载重减少时,车体开始上升,杠杆绕着驱动轴向下旋转,偏心销拉动活塞杆向右运动,打开排气阀V1。此时进气阀V2在弹簧和阀头上压力的作用下保持关闭,切断总风和空气弹簧之间的通路。

在运营过程中,每节车厢的高度差变化不规则。每次停站时,上车和下车的乘客数量差值较大,因此车厢所发生的高度差就较大。在这种情况下,车辆必须通过高度阀以较高的速度向空簧充风或排风。

图1 中立位的原理图

相比之下,车辆的运行过程中,主要由车厢内走动的乘客、弯道、车辆的振动导致车厢的高度差,因此车厢所发生的高度差较小。在这种情况下,车辆以较低的速度向空簧充风或排风,这样可以避免高度阀频繁充排风,合理地利用风源。

高度阀的流量特性取决于高度阀内部的节流结构,通过合理的节流结构,能使高度阀具有快速充排风功能和慢速充排风功能。

从活塞杆结构可知,当杠杆的旋转角度较小时,活塞杆和阀体内壁之间只有很窄的缝隙,能起到节流作用,因此能实现慢速充风图2(a)。当杠杆的旋转角度较大时,活塞杆继续向上运动,活塞杆和阀体之间的间隙变大,能提高进气流量,达到快速充风图2(b)的目的。

图2 充风时的阀口开度及气流流向

当杠杆向反方向旋转时,如果杠杆的旋转角度较小,活塞杆和阀体内壁之间也形成很窄的缝隙,空簧内的压缩空气经过该缝隙经过活塞杆内腔排到大气,同时实现慢速排风图3(a)功能。当杠杆的旋转角度较大时,活塞杆继续向下运动,活塞杆和阀体之间的间隙变大,能提高进气流量,达到快速排风图3(b)的目的。

图3 排风时的阀口开度及气流流向

2 高度阀流量特性分析

由高度阀活塞杆与阀体结构可知,在慢速充风或慢速排风时,高度阀是一种锥阀,因此流量系数取锥阀流量系数。在快速充风或快速排风时,高度阀的流量取决于节流孔(图1)的直径,因此流量系数取短孔流量系数。高度阀的流量公式如式(1)所示。

(1)

式中cq为流量系数;

A0为阀口通流面积;

Δp为阀口前、后压差;

ρ为空气密度。

目前,轨道车辆用高度阀的活塞杆直径为8 mm,节流孔直径为2.5 mm。慢速充风或慢速排风时,缝隙间隙为0.7 mm。

根据高度阀的慢速充排风流量公式(1),总风压力为800 kPa,空簧容积为10 dm3时,空簧压力从200 kPa上升至600 kPa的流量特性曲线和空簧压力从600 kPa下降至200 kPa的流量特性曲线如图4所示。此时,慢速充风时间为40 s,慢速排风时间为77 s。

总风压力为800 kPa,空簧容积为80 dm3时,空簧压力从400 kPa上升至455 kPa的流量特性曲线和空簧压力从455 kPa下降至400 kPa的流量特性曲线如图5所示。此时,快速充风时间为2.6 s,快速排风时间为4.7 s。

图4 慢速充风和慢速排风流量特性曲线

图5 快速充风和快速排风流量特性曲线

对该型号高度阀的实测结果如表1所示。经对比分析,理论仿真分析和试验数据的最大误差只有5%,对高度阀的流量特性分析和节流结构的设计有较高的理论依据。

表1 仿真分析与试验数据的对比

3 结 论

(1) 通过不同的阀口结构实现了快速充排风和慢速充排风功能,使车体的高度控制更加平稳;

(2) 流量特性的仿真分析方法和参数的选择贴近实际产品,对高度阀的设计有较高的指导意义;

(3) 通过高度阀的流量特性分析,能进一步掌握影响产品特性的关键要素,有助于产品的优化设计。

[1] 金 哲,余欲为,韩晓辉. 高度阀工作原理及检测方法[J],铁道机车车辆,2011,31(5):151-154.

[2] 王月明. 动车组制动技术[M].北京:中国铁道出版社,2010.

Working Theory and Measuring Methods of Leveling Valve

ZHANGXinyu

(Locomotive and Car Research Institute, China Academy of Railway Sciences, Beijing 100081, China)

The leveling valve is used for controlling of the charge and venting of the air springs on railway vehicles, in order to adjust the height of the cars according to the loads. The working theories of the leveling valve are introduced. Measuring methods and the test bed for the leveling valve are developed as well. The test bed is fit to various types of leveling valves, which could control the angle of the level and measure the time of charge and venting, as well as the leakage of check valve intake valve and exhaust valve.Key words:

leveling valve; working theory; test bed

��)男,助理研究员(

2016-02-26)

1008-7842 (2016) 05-0062-02

U260.35+1

A

10.3969/j.issn.1008-7842.2016.05.13

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