許洪春

(昆明中鐵集團(tuán)公司，云南昆明 650215)

1 空氣制動(dòng)機(jī)在高原環(huán)境條件下的工作性能

青藏鐵路由青海省會(huì)西寧至西藏首府拉薩，全長(zhǎng)1 985 km。其中西寧至格爾木段845 km，已于1984年建成通車。西格段雖然也地處高原，但海拔在3 000 m以下。而格爾木至拉薩段，全長(zhǎng)1 140 km，有960 km海拔在4 000 m以上。其中最高點(diǎn)唐古拉山埡口，海拔達(dá)5 071 m。海拔高、大氣壓力(簡(jiǎn)稱“氣壓”)低、氣溫低、風(fēng)沙大、氣候變化大是青藏鐵路(特別是其中的格拉段)的基本特點(diǎn)。

我國(guó)現(xiàn)有空氣制動(dòng)機(jī)在青藏鐵路西格段近20年的運(yùn)用實(shí)踐說(shuō)明，空氣制動(dòng)機(jī)的性能是能適應(yīng)該環(huán)境的。但是需要研究空氣制動(dòng)機(jī)在海拔3 000～5 071 m的工作性能。

1.1 高原低氣壓對(duì)制動(dòng)機(jī)性能的影響

海拔每升高1 000 m，氣壓下降約10% ～13%;因?yàn)闅夂蛞蛩刈兓挠绊?，同一海拔的氣壓?shí)測(cè)值在平均值的91%～107%之間波動(dòng)。不同海拔的氣壓值見表1。

表1 不同海拔的氣壓值 kPa

空氣制動(dòng)機(jī)現(xiàn)行的參數(shù)均是以1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓(取值100 kPa)為基準(zhǔn)計(jì)算或在接近標(biāo)準(zhǔn)大氣壓條件下試驗(yàn)得出的表壓力(壓力表的指示壓力)。壓力表一般也是在低海拔地區(qū)校準(zhǔn)的，其機(jī)械結(jié)構(gòu)決定了大氣壓力對(duì)其壓力指示值影響極小。而目前的機(jī)車制動(dòng)機(jī)，多采用機(jī)械壓力表顯示壓力，并以此為依據(jù)進(jìn)行操作。其指示值(即表壓力p)幾乎不受大氣壓力的影響。因此，在高海拔低氣壓條件下，其指示值應(yīng)無(wú)明顯變化。

式中，pD和pG分別代表低海拔和高海拔條件下的表壓力。

假設(shè)低海拔和高海拔條件下的大氣壓力分別為pDO和pGO。

由式(2)可以看出，海拔不同時(shí)，壓力表指示值雖相等，但壓縮空氣的絕對(duì)壓力不相等，所以，高原低氣壓必然要對(duì)空氣制動(dòng)機(jī)中有大氣壓力參與的作用性能產(chǎn)生一定的影響。

高原低氣壓對(duì)空氣制動(dòng)機(jī)性能的影響，主要表現(xiàn)在分配閥局部減壓量、制動(dòng)缸推力和由此涉及到的列車管有效減壓量。

1.2 高原低氣壓對(duì)空氣分配(控制)閥局減量的影響

以104型空氣制動(dòng)機(jī)為例，如圖1，104的局減閥作用活塞一側(cè)通制動(dòng)缸，另一側(cè)通大氣。在低海拔地區(qū)，局減閥的作用方程為

在高海拔地區(qū)，局減閥的作用方程為

圖1 在高原低氣壓條件下104局減閥的作用示意

式中，Sj為104局減活塞的有效作用面積，約為1.2×10－3m2;ΣW為活塞運(yùn)動(dòng)總阻力，主要包含局減彈簧抗力Wt和柱塞運(yùn)動(dòng)阻力Wh，104閥設(shè)計(jì)值約為78 N。

104閥規(guī)定局減結(jié)束時(shí)，制動(dòng)缸的壓力(注:表壓力)不應(yīng)大于70 kPa，即局減活塞的有效作用力不大于84 N。在高原條件下，如局減活塞仍以70 kPa的表壓力作用，在海拔為5 000 m時(shí)，大氣壓力約為54 kPa。根據(jù)式(4)計(jì)算，局減終了時(shí)，局減活塞的有效作用力達(dá)139 N，這遠(yuǎn)大于82 N，顯然與局減閥的結(jié)構(gòu)性能不符。如以作用力82 N帶入式(4)計(jì)算，則制動(dòng)缸的表壓力僅為24 kPa。這意味著列車管減壓約10 kPa時(shí)，局減閥就已經(jīng)關(guān)斷列車管與制動(dòng)缸的通路，使第二階段局減不足。第二階段局減量不足造成的直接后果是使常用制動(dòng)波速大為下降，另外減壓量很小時(shí)，會(huì)造成列車尾部車輛制動(dòng)力減小甚至失去制動(dòng)力。

1.3 高原低氣壓對(duì)制動(dòng)缸作用力的影響

圖2是高原低氣壓條件下制動(dòng)缸的作用力示意圖(忽略活塞運(yùn)動(dòng)阻力)。制動(dòng)缸的推力(Wt)，是由制動(dòng)缸活塞充氣側(cè)的絕對(duì)壓力與大氣側(cè)的絕對(duì)壓力的壓差作用產(chǎn)生的。

因?yàn)橹苿?dòng)機(jī)不會(huì)同時(shí)工作于兩種大氣環(huán)境中，所以由等溫氣態(tài)方程導(dǎo)出主閥作用方程，無(wú)論高原還是低地都應(yīng)該適用，由此得出的制動(dòng)缸表壓力也應(yīng)該一致。同時(shí)，制動(dòng)缸的彈簧抗力和作用面積也不會(huì)因其大氣壓的變化而明顯變化。忽略氣溫的影響，在高原低氣壓和同等表壓力作用條件下，制動(dòng)缸活塞的推力方程為

圖2 高原低氣壓條件下制動(dòng)缸的作用力示意

式中，pz取430 kPa(104閥全制動(dòng)時(shí)常用制動(dòng)缸最高壓力);pDO取100 kPa;pGO分別取pGO=pDO(低地常壓)，70 kPa(3 000 m)，58 kPa(4 500 m)，54 kPa(5 000 m)，代入式(5)，得出制動(dòng)缸的絕對(duì)作用壓差分別為 430 kPa，460 kPa，472 kPa，476 kPa。以 356 mm制動(dòng)缸計(jì)算，得出的活塞推力分別為42.8 kN，45.8 kN，47.0 kN，47.4 kN。把海拔4 500 m高度的制動(dòng)缸活塞推力與0海拔地區(qū)比較，海拔4 500 m高度的制動(dòng)缸活塞推力比零海拔處要大10%。

1.4 高原低氣壓對(duì)列車管減壓量的影響

4 500 m海拔高度要獲得與零海拔相同的制動(dòng)缸推力，列車管有效減壓量應(yīng)減小約10%。

2 高原惡劣氣候?qū)χ苿?dòng)機(jī)工作性能的影響

1)高原地區(qū)氣候多變，溫差變化大，有風(fēng)天氣極多，且風(fēng)力較大，造成空氣中的沙塵較多。沙塵通過(guò)供氣通路或呼吸孔進(jìn)入分配閥、制動(dòng)缸后，增大了零部件磨損，降低其使用壽命，增大了閥(缸)內(nèi)漏泄的可能性，使其可靠性降低。

2)低溫使橡膠件變硬甚至脆化，溫度高低的頻繁交替變化，使橡膠件反復(fù)硬變而迅速老化。TB2206《車輛用103/104型空氣分配閥橡膠件》規(guī)定:橡膠件的工作溫度為－50℃ ～70℃。青藏線格拉段沿線平均氣溫為 －2℃ ～－6℃，記錄的最低環(huán)境溫度為－45℃，在橡膠件的規(guī)定工作溫度范圍之內(nèi)。但實(shí)際上，現(xiàn)在制動(dòng)機(jī)極少在持續(xù)－40℃低溫下運(yùn)用，而制動(dòng)機(jī)僅按照鐵標(biāo)要求在－50℃條件下做過(guò)48 h考驗(yàn)。高原的低氣壓使各種揮發(fā)物質(zhì)更易揮發(fā)，因而青藏鐵路沿線空氣中鹽霧、油霧濃度也相對(duì)較高，閥和制動(dòng)缸用潤(rùn)滑脂容易干化，也會(huì)加速機(jī)件磨損和橡膠件的老化。因此，制動(dòng)部件在海拔4 000 m以上的持續(xù)低溫和晝夜溫差、路段溫差變化的條件下的使用性能和使用壽命，還有待時(shí)間的驗(yàn)證。

另外，溫度低、溫差大，將造成輪軌黏著系數(shù)變化加大。這些因素都會(huì)對(duì)制動(dòng)機(jī)的性能和制動(dòng)作用的最終結(jié)果產(chǎn)生影響。

3 關(guān)于空氣制動(dòng)機(jī)在青藏線上運(yùn)用的建議

與機(jī)車不同，青藏線上運(yùn)行的車輛也要在低海拔地區(qū)運(yùn)行。要實(shí)現(xiàn)空氣制動(dòng)機(jī)在高原和低地條件下作用性能的完全一致，目前在技術(shù)上還有一定困難?？諝庵苿?dòng)機(jī)在高原和低地條件下的運(yùn)用性能雖有一定差別，但這種差別并不是已惡化到嚴(yán)重影響安全工作的程度。針對(duì)高原的特點(diǎn)，將空氣制動(dòng)機(jī)的技術(shù)條件作一些必要的修改，采用新的技術(shù)彌補(bǔ)空氣制動(dòng)機(jī)在高原條件下的性能差別，摸索適應(yīng)高原特點(diǎn)的制動(dòng)操作方法，現(xiàn)有的空氣制動(dòng)機(jī)是可以滿足青藏線要求的。為此，建議在青藏線采用電空制動(dòng)機(jī)，用以彌補(bǔ)空氣制動(dòng)機(jī)局減量不足造成的缺陷;增設(shè)制動(dòng)機(jī)空氣清潔部件，提高壓縮空氣和閥內(nèi)的清潔度，以適應(yīng)青藏線惡劣的自然環(huán)境;探索適應(yīng)高原特點(diǎn)的制動(dòng)操作方法，以適應(yīng)在高原條件下輪軌的黏著特性和空氣制動(dòng)機(jī)的作用特性。修改空氣制動(dòng)機(jī)的技術(shù)條件，增加在高原環(huán)境下空氣制動(dòng)機(jī)的試驗(yàn)和操作規(guī)程等內(nèi)容。

[1]夏寅蓀，黃德山，何力.104型空氣及電空制動(dòng)機(jī)[M].北京:中國(guó)鐵道出版社，2001.

[2]中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì).GB 4797.2—1986 電子電工產(chǎn)品自然環(huán)境條件 海拔與氣壓、水深與水壓[S].北京:電子工業(yè)出版社，1987.