朱 宇， 申燕飛， 劉文軍， 劉亞梅， 杜 霞

(眉山中車制動(dòng)科技股份有限公司， 四川眉山 620010)

在列車制動(dòng)領(lǐng)域，三通閥也叫分配閥，它的主要功能是根據(jù)列車管減壓量自動(dòng)控制列車中各機(jī)車車輛制動(dòng)缸的壓力，是列車自動(dòng)制動(dòng)系統(tǒng)的核心部件。2003年我國(guó)引進(jìn)了德國(guó)CCBⅡ微機(jī)控制機(jī)車制動(dòng)機(jī)，其上搭載DBTV三通閥可靠性高，檢修期為6年。2010年中車株洲電力機(jī)車有限公司研制完成了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的DK-2型機(jī)車制動(dòng)機(jī)，也實(shí)現(xiàn)了微機(jī)控制，但其上搭載的109H分配閥，檢修期僅為1年，與DBTV三通閥6年檢修期相比有較大差距，是DK-2機(jī)車制動(dòng)機(jī)的一大短板。

109H分配閥是一種金屬滑閥結(jié)構(gòu)分配閥，靠精密研磨的金屬平面之間的油膜密封，但這層油膜在滑閥相對(duì)運(yùn)動(dòng)過程中容易隨壓力空氣流失，使滑閥密封性能失效。另外，109H分配閥的主膜板結(jié)構(gòu)存在設(shè)計(jì)缺陷，在運(yùn)用過程中，容易破損。因此，109H分配閥每使用一年，必須加注潤(rùn)滑油，更換主膜板，以保證其性能。

2015年眉山中車制動(dòng)科技股份有限公司研制完成了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的長(zhǎng)檢修期三通閥，型號(hào)為ZYF。該三通閥全部采用成熟可靠的O形密封圈柱塞結(jié)構(gòu)，在軸向和徑向多層次布局，代替滑閥和主膜板，實(shí)現(xiàn)了二壓力制動(dòng)機(jī)的基本功能，相關(guān)型式試驗(yàn)表明該閥功能適用，性能可靠，可以適應(yīng)6年檢修期要求。2015年首批ZYF三通閥試裝車，到目前為止，在未檢修的情況下連續(xù)使用3年，狀態(tài)正常。2017年ZYF三通閥開始量產(chǎn)，在新造的DK-2制動(dòng)機(jī)正式裝車，彌補(bǔ)了DK-2制動(dòng)機(jī)的短板，使我國(guó)機(jī)車制動(dòng)機(jī)整體技術(shù)指標(biāo)達(dá)到了世界先進(jìn)水平。

1 ZYF三通閥技術(shù)參數(shù)

1.1 應(yīng)用環(huán)境

環(huán)境溫度：-40℃ ～ +70℃。

振動(dòng)和沖擊：GB/T 21563-2008中I類的規(guī)定。

工作介質(zhì)：壓縮空氣，其質(zhì)量應(yīng)符合ISO 8573-1-2001中規(guī)定的固體顆粒3級(jí)、濕度等級(jí)2級(jí)、含油量3級(jí)的要求。

防護(hù)等級(jí)：IP54。

1.2 性能參數(shù)

適用于列車管定壓500 kPa和600 kPa。當(dāng)列車管定壓600 kPa，與11 dm3工作風(fēng)缸和3.8 dm3作用風(fēng)缸匹配時(shí)，技術(shù)參數(shù)如下：

(1)充氣性能：工作風(fēng)缸由0上升至500 kPa的時(shí)間小于70 s。

(2)穩(wěn)定性：在緩解狀態(tài)下，列車管以小于40 kPa/min速率減壓，不發(fā)生制動(dòng)作用。

(3)制動(dòng)性能：列車管以10～40 kPa/s速率從定壓開始減壓，在減壓35 kPa之前能起制動(dòng)作用，作用風(fēng)缸壓力為80～130 kPa。具有階段制動(dòng)功能，響應(yīng)靈敏度10 kPa，見圖1?？焖僦苿?dòng)時(shí)，作用風(fēng)缸壓力由0上升至400 kPa的時(shí)間為3～6 s。

緩解性能：在制動(dòng)保壓狀態(tài)下，只要列車管壓力上升大于工作風(fēng)缸5～15 kPa時(shí)，作用風(fēng)缸能直接緩解到零。作用風(fēng)缸壓力由400 kPa下降至40 kPa的時(shí)間為4～7 s。

2 ZYF三通閥安裝接口

為了便于替代進(jìn)口產(chǎn)品，ZYF三通閥的安裝接口與動(dòng)車組上引進(jìn)德國(guó)克諾爾公司制動(dòng)系統(tǒng)中搭載的FE115型三通閥完全一致，可直接替換。ZYF三通閥為平面安裝，預(yù)留3個(gè)M8安裝螺釘孔，有一個(gè)防錯(cuò)裝的定位銷，外接列車管、工作風(fēng)缸和作用風(fēng)缸，見圖1。

3 ZYF三通閥結(jié)構(gòu)組成

ZYF三通閥全部為O形密封圈柱塞結(jié)構(gòu)。下蓋、閥體、主控套和上蓋與相應(yīng)的O形密封圈和螺釘?shù)冉M合成相對(duì)固定的閥體組成。主活塞、主活塞桿和穩(wěn)定桿與相應(yīng)的O形密封圈和螺母等組合成相對(duì)固定的主活塞組成?；瑒?dòng)套上套裝有相應(yīng)的O形密封圈。這3個(gè)組成可以相對(duì)運(yùn)動(dòng)，從徑向看，主活塞桿和滑動(dòng)套、滑動(dòng)套和主控套之間有2層O形密封圈，從軸向看，主活塞桿上4個(gè)O形密封圈控制滑動(dòng)套上2條氣路通斷，滑動(dòng)套上5個(gè)O形密封圈控制主控套上3 條氣路通斷，主活塞組成和滑動(dòng)套可在軸向相對(duì)移動(dòng)一定距離，形成三通閥的不同作用位，見圖2。

圖1 ZYF三通閥接口圖

1-下蓋；2-閥體；3-主控套；4-上蓋；5-主活塞；6-主活塞桿；7-穩(wěn)定桿；8-滑動(dòng)套。圖2 ZYF三通閥結(jié)構(gòu)圖

4 ZYF三通閥工作原理

ZYF三通閥是一種二壓力機(jī)構(gòu)的自動(dòng)制動(dòng)機(jī)，具有階段制動(dòng)、直接緩解的特性。主活塞上方通列車管，下方與工作風(fēng)缸連通，列車管和工作風(fēng)缸兩種壓力控制主活塞組成沿軸向移動(dòng)，同時(shí)，帶動(dòng)滑動(dòng)套沿軸向移動(dòng)，形成了不同作用位置，這就是二壓力機(jī)構(gòu)。ZYF三通閥有充氣緩解、初制動(dòng)、制動(dòng)和保壓4個(gè)作用位置，實(shí)現(xiàn)機(jī)車或車輛的緩解、制動(dòng)和保壓功能。

4.1 充氣緩解位(圖3)

當(dāng)列車管充氣壓力上升時(shí)，壓力空氣經(jīng)安裝面列車管孔以及閥體組成內(nèi)部暗道，首先進(jìn)入主活塞上方，將主活塞組成推到下極限位，主活塞桿推動(dòng)滑動(dòng)套一起下移到下極限位，使ZYF三通閥處于充氣緩解位。

1-列車管；2-工作風(fēng)缸；3-作用風(fēng)缸；4-排大氣。圖3 充氣緩解位

(1)列車管給工作風(fēng)缸充風(fēng)

列車管壓力空氣經(jīng)安裝面列車管孔→閥體組成內(nèi)部暗道→主控套充氣限孔Ⅰ→滑動(dòng)套徑向孔→主活塞桿軸向孔向下→穩(wěn)定彈簧座→下蓋安裝面工作風(fēng)缸孔→工作風(fēng)缸。

還有一路經(jīng)主活塞桿軸向孔向上→主活塞下方。

(2)作用風(fēng)缸排氣緩解

當(dāng)列車管減壓制動(dòng)后再充氣緩解時(shí)，此時(shí)作用風(fēng)缸有壓力空氣，作用風(fēng)缸排氣緩解。通路如下：

作用風(fēng)缸→下蓋安裝面作用風(fēng)缸孔→閥體組成內(nèi)部暗道→主控套最下一圈徑向孔→滑動(dòng)套聯(lián)絡(luò)環(huán)槽→主控套中間一圈徑向孔→閥體排氣口→大氣。

(3)穩(wěn)定性

為了使三通閥在列車管發(fā)生輕微漏泄時(shí)，仍穩(wěn)定在緩解位，不引起意外制動(dòng)，三通閥在設(shè)計(jì)上，從下列兩個(gè)措施來實(shí)現(xiàn)其穩(wěn)定性。

①列車管壓力以緩慢速度減壓(列車管發(fā)生輕微漏泄)時(shí)，工作風(fēng)缸可以通過充氣限孔Ⅰ向列車管逆流，主活塞兩側(cè)形成不了足以使其上移的壓力差。

②主活塞組成與閥體和滑動(dòng)套之間O形密封圈的靜摩擦力等阻力的作用，也阻礙了主活塞組成上移至制動(dòng)位。

4.2 初制動(dòng)位(圖4)

當(dāng)列車管以常用制動(dòng)速率減壓時(shí)，主活塞上方以較快速率減壓，下方工作風(fēng)缸壓力空氣通過充氣限孔Ⅰ向列車管逆流，減壓速率較慢，于是在主活塞兩側(cè)產(chǎn)生了一定的壓力差，促使主活塞組成上移。由于滑動(dòng)套與主控套間的O形密封圈靜摩擦力大于主活塞桿與滑動(dòng)套間O形密封圈摩擦力，在制動(dòng)開始階段，只是主活塞組成上移，而滑動(dòng)套未動(dòng)，直到穩(wěn)定桿剛好碰到滑動(dòng)套瞬間，ZYF三通閥處于初制動(dòng)位。此時(shí)，主活塞桿最上2個(gè)外露的O形密封圈切斷工作風(fēng)缸向列車管逆流的通路。

初制動(dòng)位是ZYF三通閥在從充氣緩解位到制動(dòng)位瞬間過程，非常短暫，也可以理解為制動(dòng)的第1階段。

1-列車管；2-工作風(fēng)缸；3-作用風(fēng)缸；4-排大氣。圖4 初制動(dòng)位

4.3 制動(dòng)位(圖5)

1-列車管；2-工作風(fēng)缸；3-作用風(fēng)缸；4-排大氣。圖5 制動(dòng)位

初制動(dòng)位時(shí)，由于工作風(fēng)缸向列車管逆流通路被切斷，列車管繼續(xù)減壓加大了主活塞兩側(cè)的壓差，于是主活塞組成帶動(dòng)滑動(dòng)套克服與主控套間的摩擦阻力繼續(xù)上移至上極限位——制動(dòng)位。此時(shí)主控套和滑動(dòng)套最下一圈徑向孔對(duì)齊，形成了工作風(fēng)缸向作用風(fēng)缸充氣通路，作用風(fēng)缸壓力上升，產(chǎn)生制動(dòng)作用。

工作風(fēng)缸壓力→下蓋安裝面工作風(fēng)缸孔→穩(wěn)定桿軸向孔及徑向孔→滑動(dòng)套最下一圈徑向孔→主控套最下一圈徑向孔→閥體內(nèi)部暗道→下蓋安裝面作用風(fēng)缸孔→作用風(fēng)缸。

4.4 制動(dòng)保壓位(圖6)

在制動(dòng)過程中，當(dāng)列車管停止減壓，初期由于主活塞和滑動(dòng)套都還在制動(dòng)位，工作風(fēng)缸仍在向作用風(fēng)缸充氣，主活塞下方工作風(fēng)缸壓力繼續(xù)降低，但上方列車管壓力停止下降，就形成壓差，使主活塞組成下移而滑動(dòng)套不動(dòng)，直到主活塞桿與滑動(dòng)套上端面剛好接觸，主活塞桿最下面2個(gè)密封圈切斷了工作風(fēng)缸與作用風(fēng)缸的通路，工作風(fēng)缸停止向作用風(fēng)缸充風(fēng)，工作風(fēng)缸和作用風(fēng)缸壓力保持，主活塞上下壓力平衡，主活塞組成不再移動(dòng)，此時(shí)的ZYF三通閥處于制動(dòng)保壓位。

1-列車管；2-工作風(fēng)缸；3-作用風(fēng)缸；4-排大氣。圖6 制動(dòng)保壓位

ZYF三通閥在制動(dòng)保壓位時(shí)，如果列車管繼續(xù)減壓，還可以進(jìn)入制動(dòng)位，使作用風(fēng)缸壓力繼續(xù)上升，這就是階段制動(dòng)特性。

ZYF三通閥在制動(dòng)保壓位時(shí)，如果列車管壓力上升，就會(huì)進(jìn)入緩解位，即使列車管壓力停止上升，ZYF三通閥仍然處于緩解位，作用風(fēng)缸的壓力會(huì)直接緩解到零，這就是直接緩解特性。

ZYF三通閥制動(dòng)緩解曲線見圖7。

圖7 ZYF三通閥制動(dòng)緩解曲線

5 結(jié)束語

ZYF三通閥是我國(guó)首次研制成功并量產(chǎn)的長(zhǎng)檢修期制動(dòng)系統(tǒng)閥類部件，基本結(jié)構(gòu)成熟可靠，總體布局巧妙新穎，是一種全新的設(shè)計(jì)。ZYF三通閥已在DK-2機(jī)車制動(dòng)機(jī)成功運(yùn)用，下一步將嘗試在我國(guó)動(dòng)車組制動(dòng)系統(tǒng)中替代國(guó)外產(chǎn)品，打破國(guó)外技術(shù)壁壘。