一种新型空气停放制动系统

2023-10-08覃立伟李培署

城市轨道交通研究 2023年9期

覃立伟李培署陈旭

(中车青岛四方车辆研究所有限公司, 266112, 青岛∥第一作者, 高级工程师)

停放制动是指在车辆停止状态下,为防止溜车而施加的制动方式。弹簧停放制动系统因其操作简单、安全可靠、停放力大等优点在动车组、城市轨道交通车辆及机车上获得了广泛的应用[1-2]。但同时,弹簧停放制动系统也具有停放制动力不稳定、存在疲劳衰减等缺点,且由于弹簧停放缸结构较为复杂,其会增加制动执行装置的质量和体积,为设计和制造环节带来不便。为解决上述问题,相关企业纷纷开始研究新型停放制动系统,例如:法国Faiveley公司研制了一种采用丝杠棘轮锁定机构的新型停放制动执行装置,其具有体积小、质量轻和停放力大等优点;中国铁道科学研究院集团有限公司设计了一种采用丝杠棘轮实现制动力保持的新型停放制动装置,其具有结构简单、体积小等优点。

本文介绍了一种由压缩空气施加的新型停放制动系统,包括停放制动控制模块和停放制动执行装置。所提新型空气停放制动系统具有停放制动力可灵活调节,停放力大小稳定不衰减,停放制动执行装置结构简单、体积小、质量轻等优点。此外,新型空气停放制动系统的接口及安装方式均与现有弹簧停放制动系统保持一致,可与现有弹簧停放制动系统对等替换,而不改变车辆控制逻辑和司机操作习惯。本文研究可为新一代轨道交通车辆制动系统的研发提供理论基础和工程技术指导。

1 弹簧停放制动系统结构组成及功能原理

城市轨道交通车辆的制动系统包含制动控制装置和基础制动装置。制动控制装置由行车制动控制模块和停放制动控制模块两部分组成。基础制动装置包括行车制动装置和停放制动装置,行车制动装置负责日常的行车制动、行车缓解,停放制动装置负责驻车时的停放制动、停放缓解。行车制动装置可单独工作,停放制动装置通常和行车制动装置组合出现,称为复合制动装置。制动缸为复合制动装置中的行车制动驱动机构,停放缸为复合制动装置中的停放制动驱动机构。根据功能划分,将制动系统中负责停放制动、缓解功能的部分称为停放制动系统,包括停放制动控制模块和停放复合制动装置。弹簧停放制动系统,即为停放制动原动力由弹簧施加的停放制动系统。

弹簧停放制动系统如图1所示。在停放制动控制模块输出口和行车制动控制模块输出口之间设置双向阀,双向阀出口接停放风管以控制停放缸,双向阀可用于防止停放制动和行车制动叠加施加。停放制动系统的工作原理为:停放控制模块向停放缸充入额定值的压缩空气,缓解停放制动;排出压缩空气,施加停放制动;在特定情况下,也可通过机械装置人工缓解停放制动。弹簧停放复合制动装置的3种工作状态如图2所示。

a) 行车制动状态

2 弹簧停放制动系统特性分析

停放制动力的大小、停放制动力的一致性、停放制动力的稳定性和停放手动缓解拉力大小等指标为停放制动系统的重要参数。影响停放制动力的变量为活塞行程、弹簧刚度和停放弹簧力,其中弹簧刚度属于弹簧机械特性。随着弹簧动作次数的增加,弹簧刚度和停放弹簧力会发生疲劳衰减。活塞行程的影响因素包括缓解间隙、弹性变形、衬套磨损及制动倍率。

弹簧停放复合制动装置控制动作逻辑框图如图3所示。由弹簧施加停放制动力,制动缸和停放缸动作相互独立,这种独立结构使得弹簧停放制动系统存在几个问题:①停放制动力和行车制动力可叠加作用在制动盘或车轮踏面上,容易导致制动力超过轮轨黏着力而引发滑行;②在车辆运行过程中,若停放缸内的压缩空气发生泄漏,停放制动力便直接施加在车轮上,这会导致车辆带闸运行,易引发严重事故;③弹簧力大小存在个体差异,影响停放制动力的一致性,且停放制动力随着弹簧的疲劳衰减而减小,需要定期检修更换弹簧,以保持停放力始终满足要求;④停放弹簧制造难度大且成本高,弹簧停放复合制动装置具有结构复杂、体积大、挤占转向架空间等缺点,其质量也较大,不利于系统轻量化设计。

图3 弹簧停放复合制动装置控制动作逻辑框图

3 空气停放制动系统结构组成和功能原理

为解决弹簧停放制动系统现有的问题,本文提出一种制动缸和停放缸联动工作的新型空气停放制动系统,制动缸施加制动力,停放缸对制动力进行锁定,从而保持停放制动力。新型空气停放制动系统如图4所示。

a) 缓解状态

新型空气停放制动系统的控制模块气路分为两路,Ⅰ路为制动缸控制气路,Ⅱ路为停放缸控制气路。Ⅰ路由总风管压缩空气经减压阀、单向阀、储风缸进入停放阀1口,1口与3口对应,3口与制动风管连通,制动风管经过双向阀接入制动缸进风口A。Ⅱ路总风管压缩空气经减压阀、节流阀进入停放阀2口,2口与4口对应,4口与停放风管连通,停放风管接入停放缸进风口B。停放阀5口通大气压,在不同位置时,其分别与3口和4口连通,可分别将制动风管和停放风管通大气压。停放阀有3种控制方式:电磁控制、手动按钮控制和先导压力控制。前两种控制方式与现有弹簧停放制动系统的控制方式相同,先导压力控制用于总风压力意外降低情况下自动施加制动,是一种冗余安全措施。

新型空气停放制动系统的3种工作状态为:

1) 停放充气缓解:气路Ⅱ保持导通状态,停放缸处于解锁位(见图4 a))。此时,制动缸可正常充气、排气,实现行车制动与缓解功能。

2) 停放制动:气路Ⅱ截断,停放缸通大气压,停放缸处于锁定位,控制制动缸活塞只能单向运动,即只能制动不能缓解。同时,气路Ⅰ导通,储风缸内的压缩空气被充入制动缸施加停放制动(见图4 b))。

3) 停放手动缓解:通过截断塞门排出制动缸内的压缩空气,然后操作手动缓解装置使停放缸处于解锁位置,释放制动缸活塞,停放制动缓解(见图4 c))。在手动缓解状态下,制动缸的行车制动、缓解功能正常。当列车在无电、无风、被救援的情况下,无法通过压缩空气使停放缸保持在解锁位,而经过特殊设计的手缓装置可以保持停放缸处于解锁位置,使制动活塞恢复行车制动、缓解功能。

手缓装置的结构示意图如图5所示,其C口和停放缸进风口B连通。手缓装置具有充气缓解、停放制动、手动缓解3种工作位置,如图6所示。手缓装置的3种工作位置分别与停放缸的3种工作位置对应:①充气缓解状态——压缩空气推动缓解活塞2,同时推动手缓楔8,使滚动轴承6位于手缓楔8的斜面顶端,带动手缓拉杆7处于释放位置。②停放制动状态——压缩空气排出,复位弹簧9推动手缓楔8复位,滚动轴承6沿斜面向下运动,带动手缓拉杆7处于锁定位置,制动缸活塞只能进行制动动作,无法缓解,从而实现停放制动。③手动缓解状态——手动拉动手缓楔8,使滚动轴承6沿斜面向上运动,带动手缓拉杆7处于释放位置,制动缸活塞被释放,可施加行车制动和缓解动作。此时,锁定活塞4,将钢球5推出并落在手缓缸体1的台阶上,阻止手缓楔8复位,手缓装置保持在手动缓解位置。当再次向手缓装置充入压缩空气时,推动锁定活塞4复位,钢球5退回,手缓楔8被释放。

注:1—手缓缸体;2—缓解活塞;3—锁定弹簧;4—锁定活塞;5—钢球;6—滚动轴承;7—手缓拉杆;8—手缓楔;9—复位弹簧;10—拉杆复位弹簧;C为手缓进风口。

a) 充气缓解

4 新型空气停放制动系统特性分析

新型空气停放制动系统与弹簧停放制动系统的最大差异在于停放复合制动装置的动作逻辑差异。空气停放复合制动装置将停放缸和制动缸功能重构,使其不再独立工作,通过相互协作完成制动和缓解动作。制动缸作为驱动机构,提供行车制动和停放制动所需的制动力;停放缸作为控制机构,通过状态切换完成行车制动和停放制动模式的转换。

空气停放复合制动装置动作逻辑框图如图7所示。由图7可知:当停放缸处于解锁状态时,制动缸处于行车制动模式;当停放缸处于锁定状态时,制动缸处于停放制动模式。新型空气停放制动系统的主要特点为:①行车制动和停放制动具有统一的驱动机构,从结构上避免了行车制动力和停放制动力叠加的问题;②新型空气停放制动系统的停放制动力由压缩空气提供,停放制动力大小由空气压力决定,避免了停放力大小不足、波动、疲劳衰减等问题;③停放制动力由制动缸施加,即使发生停放缸意外泄漏的情况也不会导致停放制动直接施加,提高了制动系统的安全性;④空气停放复合制动装置简化了复合制动装置的结构,减轻了复合制动装置的体积和质量,有利于产品的轻量化和小型化设计。