GCX-1000 轨道除雪车制动系统设计研究

沈加本

GCX-1000 轨道除雪车（高原）（以下简称除雪车）是中国铁建高新装备股份有限公司根据铁道部科技研究开发计划，针对铁路线路冰雪情况，开发的满足铁路线路除雪要求的大型养路机械车辆。其工作环境设计在低温、大雪天气下，这和以往常规的大型养路机械运用有了本质的不同，普通大型养路机械在这种天气环境下是不会进行作业施工的。这就对关系着整车行车安全的制动系统提出了更严格的要求，针对低温的运用要求，除雪车主要进行以下几个方面的针对设计，保证除雪车低温环境下的正常、安全运用要求。

1 进气系统

图1

常规大型养路机械的进气系统（原理图见图1），一般由1、空压机、3、冷凝管、6、积水杯、5、高压安全阀、7、干燥器、14、压力控制器、11、电磁阀、13、压力开关、8、气控阀等组成，当空压机工作后，风源进过冷凝、干燥后向风缸充风，当压力到达额定值后，压力控制器控制控制电磁阀动作，从而控制气控阀实现空压机打出空气直接排大气。

常规的大型养路机械进气系统，为延长干燥剂的使用时间和寿命，泄压口设计在干燥器前端，泄压的空气是很潮湿的，潮湿空气中的水分可能凝结成冰，一旦结冰，就将堵塞气控阀的排风口，造成系统调压失效，最终将导致压力过高，高压阀安全阀打开排气，因排的也是干燥器前端的潮湿空气，也会出现结冰现象，如果高压安全阀也结冰失效，将导致系统压力超标不可控，可能带来车辆部件损坏甚至出现安全事故。

除雪车的进气系统（见图2），充分考虑在低温环境下的结冰问题，增加了一套压力控制系统（原理图见图2），当前端调压系统如果因结冰失效后，总风压力上升，增加的泄压系统会开始工作，且设计泄压的总风接口为经干燥器干燥后的总风，排风口不会出现结冰失效，可以充分保证除雪车在低温环境下进气系统的正常工作。

图2

2 干燥系统

除雪车需要在低温下作业运行，对压缩空气的干燥处理更显得尤为重要，如果干燥效果不好，就会在制动系统运用过程中析出水分，在低温下如果凝结成冰，会造成制动系统管路或者制动阀堵塞，卡滞，给行车安全和零部件使用寿命造成很严重的后果。除雪车的干燥系统选用TADIIb-1.6-H 型干燥器，主要由干燥塔、组合阀、出气止回阀、电磁阀、过滤器等组成。

2.1 主要技术参数

处理空气量 1.6m3/min

工作压力 1000kPa

吸附剂 φ3 ～φ5mm

再生方式 无热、常压

再生耗气率 ≤20%

出气口相对湿度≤35%

露点 2 级 ISO8573-1

含油率 2 级 ISO8573-1

含尘埃的颗粒度3 级 ISO8573-1

干燥塔转换周期80s

2.2 结构功能

图3

干燥器外形图见图3，干燥器干燥塔左右对称配置，主要由干燥吸附剂层及上下滤网组成，是完成压缩空气干燥净化的核心部件。

组合阀控制两干燥塔周期性进气、排气，安装在干燥器的下部，阀口根据电气控制的电磁阀所发出的压缩空气指令来控制开闭，组合阀是空气干燥器的关键部件，控制干燥器的干燥塔切换和再生，出气止回阀安装于干燥塔的上部，主要由止回阀芯组件、再生螺钉、湿度显示器等组成。

电控器在干燥器的正面，制动系统打风过程是一个动态的过程，这个过程反馈给电控器，经过电控器的逻辑处理，变成有规律的指令输出，并通过电控阀来控制干燥器上的机械动作，构成“电气—机械”控制系统，使两塔按一定的程序交替工作，具备如下功能:

2.2.1 定时转换

当电控器工作时，按一定的时间周期（T）对 电磁阀“通电”、“断电”控制，Ad 得电时，电控阀控制组合阀使干燥器 A1塔进入“再生”状态，A2 塔进入“吸附”状态，而 Ap 得电时使 A2塔进入“再生”状态，A1 塔则进入“吸附”状态。

2.2.2 时间累计

当一个周期还未完成而控制电源（CS）断电时，电控器中断工作，停止计时，当（CS）线再次通电时，计时将在原工作时间上累计，直至这一工作周期的完成。

2.2.3 状态记忆

工作周期中断时，电控器将其工作状态记存下来，待下次工作时仍按原状态继续

2.3 工作原理

工作原理图如图4 所示，TADIIb-1.6-H 型空气干燥器是由两个干燥塔交替工作的无热再生式除湿净化装置。

图4

电控阀Ad 处于得电状态而电控阀Ap 处于失电状态时，进气阀 Cd 关闭、Cp 打开，排气阀 Bd 开启、Bp 关闭，此时，A1 塔进入再生状态，A2 塔进入吸附状态，饱和湿空气由空压机进入进气阀座，湿空气经开放的进气阀Cp 进入右边干燥塔，沿着箭头的流向，经过干燥器下部的油水分离器时，除去部分较大的水滴、油滴及灰尘，然后送到干燥床，经干燥后的干燥空气借助压力打开出气止回阀，干燥空气送向总风缸，出气止回阀的左右进气室有一小孔相连，经干燥塔A2 处理的净化空气有一部分经过小孔流向干燥塔A1，从A1 筒上部流向吸附床，带走干燥床内的水分（再生），并带着离心式油水分离器下部的水滴、油滴及尘埃由排气阀排出。

当A1 塔再生状态到设定时间时，电控器停止对电控阀Ad供电，这时两电控阀（Ad，Ap）均处于失电状态，两排气阀亦处于关闭状态，故此时A2 塔继续吸附而A1 塔却停止再生。A2 塔的干燥空气仍源源充入A1 塔，因A1 塔无排出使压力逐渐上升，A1 塔在这段时间处于“充气状态”，然后电控器开始向Ap 供电，A1 塔、A2 塔再生吸附相互转换，完成转换周期。如此每个转换周期改变左右干燥塔工作状态，左右干燥塔反复进行干燥和再生。

干燥器除了在司机室设有双塔切换显示状态工作灯，还在干燥器上设有湿度显示器，湿度显示器中装有能根据湿度变化而变换不同颜色的颗粒物，当湿度显示器为橘黄色时，干燥器输出空气正常；湿度显示器为浅绿色或墨绿色时，干燥器输出空气不正常，此时可能是干燥器工作不正常或者是干燥剂已经失效，通过湿度湿度显示器的设计，能使现场人员在运行和保养中，及时、直观的检查和保养干燥器，及时排除故障，保证干燥器的正常运转，从而保证整个制动系统风源的干燥清洁，在低温环境下也不会有水析出，从而保证除雪车的安全运行和安全作业。

3 防冻加热系统

除雪车制动系统进气系统中的积水杯，经过冷凝管冷却析出的水到积水杯，如果在低温环境下，积水杯底部的水就会凝结成冰，放水阀将失去作用，无法及时将水排出。

除雪车为此对积水杯设计了加热防冻系统，通过温控装置感应环境温度，当环境温度为5℃时自动启动加热系统，或者通过司机室选择开关直接启动加热系统，加热装置直接包裹式安装在积水杯上，在低温下加热积水杯，使得积水杯温度能保持在10℃以上，保证积水杯中的水不会凝结，可以随时通过排水阀排出积水杯积水，安装使用见图5。

图5

4 恒转速空压机系统

图6

在高压除雪车制动系统设计中，考虑高原环境下，空压机工作效率下降，在海拔4000 m 左右时，空压机的效率降低至55%，在海拔5000 m 左右时，降低至50%，打风能力大幅下降，当在长大坡道运行，如果发动机在怠速运行，此时发动机驱动的空压机效率只有额定转速时的一半，空压机打风能力远远小于正常工况，高原除雪车为此设计了液压驱动的恒转速空压机系统，能够实现空压机转速的稳定，不因发动机转速的变化而影响空压机打风效率，原理图见图6。

系统由负载敏感泵，节流阀、安全阀、空压机驱动马达、旁通阀等组成，当节流阀开度调定后，负载敏感泵通过控制油检测节流阀两端的压差，自动调节排量，保证通过节流阀的流量恒定，从而实现空压机驱动马达流量恒定，即实现空压机转速恒定，成功解决了高原长大下坡工况下打风效率下降的问题。

5 部件低温化设计

除雪车制动系统在系统设计过程中，充分考虑低温环境，所有阀件选型低温工作温度达到车辆设计-25℃要求，在可选范围内，部分阀件如电磁阀、单向阀等选用最低工作温度能达到-40℃，充分满足了车辆设计使用要求。

6 结论

通过以上针对低温和高原低气压的设计，除雪车制动系统在低温和高原环境下经过了一年多的运行试验，制动系统设计完全满足在低温和高原低气压环境下的运行要求，为今后大型养路机械制动系统在低温和高原低气压环境下的设计提供了较好的经验和参考。