《列车制动技术》第二章自动空气制动机综述

第二章自动空气制动机综述,本章的主要内容：自动空气制动机的基本性能、机构形式和控制方法；提高制动机性能的主要手段；列车管内的空气波、空气波速率；列车的制动波、制动波速率；,第一节缓解稳定性和制动灵敏度,一、三通阀发生制动作用的条件列车管开始排风减压。足够快的减压速度。一定的动作时间。原因：当三通阀主活塞在缓解位时，列车管和副风缸在充气沟处是相通的。列车管减压速度低，副风缸的风可经过充气沟向列车管逆流；减压速度高，则逆流来不及。,二、缓解稳定性和制动灵敏度的概念,缓解稳定性：制动机不会因列车管的正常泄漏而造成意外制动的特性（列车管容积很大，不可能保持绝对密封，少量泄漏是难免的）。制动灵敏度：同样是对制动机性能的要求，指的是当司机施行常用制动而操纵列车管进行减压时，制动机则必须发生制动作用。,三、缓解稳定性和制动灵敏度的极限值,缓解稳定性要求的减压速度临界值为0.51.0kpa/s，意味着列车管的减压速度在此临界值之下，就不会发生制动作用。制动灵敏度要求的减压速度临界值为510kpa/s，意味着列车管的减压速度超过此临界值，就必须发生制动作用。注意：缓解稳定性和制动灵敏度都是对列车管减压速度的要求。,四、影响缓解稳定性和制动灵敏度的因素,充气沟横断面的大小。充气沟横断面的大，逆流速度快，缓解稳定性就好，但制动灵敏度就差一些。主活塞移动阻力。阻力小则阀的制动灵敏度高，如果阻力太小了，缓解稳定性又可能不合格了。,结论：保证制动机的缓解稳定性和制动灵敏度往往是相互矛盾的。设计制动机时，缓解稳定性和制动灵敏度必须统筹兼顾，既要保证在列车管减压速度低于缓解稳定性要求的临界值时不会发生自然制动，又要保证在减压速度达到制动灵敏度规定的临界值时必定能起制动作用。,第二节列车管局部减压,一、早期三通阀的问题列车管减压只是靠机车制动阀排风来实现的。排风口大则排风速度快，列车管减压速度也快。常用制动和紧急制动的区别。机车制动阀排风口由一变二，排风速度的不同，可让列车管获得两种不同的减压速度。受列车管空气压强控制的机车车辆的各个三通阀据此区分常用制动与紧急制动。,自然缓解。列车编组加长，如果机车制动阀排风口过大，排风速度太快，则列车前部减压速度虽然可以很快，但是沿列车长度的减压速度衰减也很厉害，列车后部的压力空气向前涌时列车前部的空气压强将回升并发生自然缓解。,解决这个问题的办法在机车制动阀排风减压之后，每辆车的三通阀动作时，使列车管压力空气在该阀也获得一个排气出口，或让列车管的风排一部分到制动缸去，既可以逐辆加强列车管减压，又可以使每辆车的制动缸获得一定程度的增压。,二、局部减压,定义：对于机车或车辆上受列车管控制而且只控制本车制动作用的阀，排列车管的风时，就认为是“附加排气”或“局部减压”(简称“局减”)。机车制动阀是控制列车管空气压强从而操纵全列车制动作用的阀，它的排风减压就不是“局部减压”。,机构设计及工作原理：为了使每个三通阀都能实现紧急局部减压，在主活塞的外侧加了一个“递动弹簧”，在阀的下部加了一个紧急部。参看图21。工作原理：,初充风：列车管紧急减压：副风缸的风r孔制动缸；副风缸的风t孔压下紧急活塞紧急活塞杆压下紧急阀紧急阀口开放；紧急阀室Y的压力空气开放的紧急阀口制动缸；紧急阀室Y的空气压强骤降，低于列车管的空气压强，止回阀被顶开：列车管的压力空气止回阀紧急阀室Y开放的紧急阀口制动缸；,列车管常用减压：主活塞两侧压差较小，无力压缩递动弹簧，t孔不开放，紧急局减作用不会发生。紧急局减停止：紧急制动时列车管空气压强要一直减到零，主活塞始终在紧急制动位。紧急活塞上方的副风缸空气压强和列车管的空气压强都不断降低，紧急活塞下方的制动缸空气压强不断增加，紧急活塞上下压差不断缩小，紧急阀和紧急活塞在紧急阀和止回阀之间的弹簧作用下，会向上移动，紧急阀关闭，止回阀也随之关闭，紧急局减停止。,紧急局减时让列车管压力空气通往制动缸的弊端：制动缸压强的上升较快，紧急局减停止较快，现代机车车辆制动机已改为将列车管的风排向大气既可获得强烈可靠的紧急局减，又可防止制动力过大导致车轮滑行擦伤。,第三节常用安定性和紧急灵敏度,一、常用(制动)安定性和紧急(制动)灵敏度的概念常用(制动)安定性：列车管的减压速度没有超过常用(制动)安定性指标时要求制动机只能起常用制动而不能起紧急制动的性质。紧急(制动)灵敏度：减压速度达到紧急灵敏度指标时制动机必须起紧急制动的性质。,二、常用(制动)安定性和紧急(制动)灵敏度的指标,常用安定性要求的列车管减压速度临界值范围一般在3136kPas之间。制动灵敏度是常用制动时列车管减压速度的下限，常用安定性则为上限，列车管减压速度高于制动灵敏度指标，低于常用安定性指标，则制动机只能发生常用制动。,紧急灵敏度的范围一般在5080kPas之间。如果列车管减压速度高于紧急灵敏度指标，则制动机一定要发生紧急制动。常用(制动)安定性和紧急(制动)灵敏度的指标同样是对列车管减压速度的要求，列车管的减压速度可由司机通过制动阀来控制。,三、常用安定性和紧急灵敏度的影响因素。,递动弹簧的刚度：递动弹簧的刚度太大，常用安定性要好，但不易起紧急；递动弹簧的刚度太小，紧急灵敏度要好，常用安定性就差可能发生意外的紧急制动。副风缸的减压速度与列车管减压速度是否相匹配，即紧急制动孔和常用制动孔的大小是否合适：紧急制动孔太大，紧急灵敏度就差，常用安定性就好一些。,四、结论,制动机的常用安定性和紧急灵敏度也是相互矛盾的。常用制动与紧急制动决定于主活塞的位置，只是几毫米之差，常常容易顾此失彼，提高常用安定性就降低了紧急灵敏度，紧急灵敏度提高又易引起意外紧急制动。现代机车车辆普遍都把紧急部独立设置成直接受列车管空气压强控制的紧急阀，与主阀相互独立。,第四节常用急制动、减速充气缓解与加速缓解,一、常用急制动需求：列车越来越长，列车前后部制动作用的时间差越来越大，仅仅在紧急制动时各个机车车辆有强烈的局部减压已经不能满足要求了。人们希望在常用制动的时候也能有较好的列车前后部制动作用的一致性。,常用局减的机构及工作原理(见图22),机构设计：在紧急部的紧急室Y的左侧开小孔y，通向滑阀；在滑阀上开设急制动联络孔o和q。工作原理：常用减压时，主活塞两侧的压差使主活塞位于常用急制动位，可产生轻微的局部减压。紧急室Y的压力空气y孔o孔q孔紧急活塞四周间隙制动缸；紧急室Y的空气压力降低，止回阀被列车管的压力空气顶开：列车管的压力空气紧急室Yy孔o孔q孔紧急活塞四周间隙制动缸；,常用局减结束条件：设计意图：列车管的常用局减可使主活塞两侧压差进一步扩大，使主活塞能稍稍压缩递动弹簧，左移到全制动位，使y孔和o孔错开，局减结束。实际情况：常用制动都是急制动，急制动的停止是在机车制动阀置于保压位之后，主活塞稍稍右移到急制动保压位而实现的。,应用：常用局减还是既要可靠，又要有增压。我国103、l04和120等型制动机采用的两阶段局减，第一阶段局减让列车管的风排大气，第二阶段局减让列车管的风排入制动缸。,二、减速充气缓解,作用：提高列车前后部充气缓解的一致性，减小列车的纵向冲动。机构：在主活塞的活塞杆尾部右侧，加上一个减速弹簧。,减速弹簧,原理:减速充气缓解位：三通阀处于列车前部时，列车管增压较快，主活塞尾部能压缩减速弹簧，使主活塞到达右极端位（减速充气缓解位）。，列车管的风只能通过凸起部上一条很小的“限制充气沟”进入滑阀室和副风缸，充气速度减慢；缓解速度减慢。全缓解位：当三通阀处于列车后部时，列车管增压较慢、较弱，主活塞尾部不能压缩减速弹簧，主活塞停在全缓解位，限制充气沟不起作用，充气不受限制；制动缸通过大通路排大气，缓解也不受限制。,三、加速缓解,问题的提出：列车越来越长，列车管总容积越来越大，列车管增压速度也越来越低。解决办法：仿照供制动时局部减压模式，给每个车辆再配上一个供加速缓解或局部增压用的风缸（称为加速缓解风缸），缓解初期由加速缓解风缸向列车管充风，来提高列车管增压速度。,原理：,加设加速缓解风缸和加速缓解阀。缓解时，制动缸压力空气经由分配阀或控制阀的排气管路进入加速缓解阀，打开加速缓解风缸到列车管的通路，然后才排入大气，加速缓解风缸的压力空气加速缓解阀列车管，产生局部增压。初充气时，列车管在向副风缸充风的同时，也通过止回阀向加速缓解风缸充风。,应用：我国的Jz7、F8、104c、120等型制动机都具有这种加速缓解的性能。,第五节二压力、三压力机构及制动机性能的“软”和“硬”,一、制动机的分类参与主活塞平衡的压力多少：制动机可分为二压力机构和三压力机构两种。列车管压强和主活塞动作是否直接控制其制动缸的制动与缓解：制动机可分为直接作用和间接作用两种。,二、直接作用的二压力制动机,前面介绍的三通阀就是一种二压力机构的直接作用的制动机，GK、120等型制动机就属于这一类。结构及特点：,主活塞的动作与否决定于作用在它两侧的空气压力平衡与否。其中一侧是列车管的空气压力，另一侧是副风缸的空气压力。主活塞直接控制着制动缸的制动和缓解。副风缸既参与主活塞的平衡，又承担在制动时向制动缸供风的任务，供风量与制动缸的容积无关。制动缸压强在长大下坡道固漏泄而衰减时也不能由副风缸给予补充，否则会使三通阀发生自然缓解。,制动与否还取决于列车管减压速度。当减压速度低于缓解稳定性的临界值时，副风缸来得及逆流，减压量即使很大也不起制动作用。列车管是副风缸唯一的风源，具有一次轻易缓解性能，缓解较快。如果给副风缸增加第二个风源，例如L、GL型制动机的附加风缸，则也可以有阶段缓解性能。,三、直接作用的三压力制动机,构造（如图）：主活塞和活塞杆是垂直放置，活塞杆中空。主活塞上方通列车管，下方通工作风缸，第二活塞上方通制动缸，下方通大气。,原理：三压力：列车管、工作风缸、制动缸的压力共同决定活塞的位置。无风状态：主活塞及活塞杆因自重落下，供排气阀和充气止回阀关闭，制动缸经活塞杆中心孔和径向孔通大气。初充风，制动机处于缓解状态：列车管的压力空气主活塞上方；列车管的压力空气充气止回阀副风缸；列车管的压力空气充气止回阀工作风缸；,制动：列车管减压，工作风缸的空气压力推动主活塞上移，使活塞杆上方端接触供排气阀，将排气的小阀口(活塞杆中心孔上端)关闭，活塞杆继续上移，顶起供排气阀，副风缸的压力空气制动缸；保压：列车管停止减压，制动缸不断增压，当列车管、工作风缸、制动缸的压力处于新的平衡状态时，活塞杆稍稍下移，关闭供排气阀，活塞杆中心孔上端仍贴在供排气阀上，处于关闭状态。副风缸停止向制动缸供风，制动缸也没有连通大气。,缓解：列车管获得一定的增压量，向下作用于主活塞的力增大，活塞杆下移，活塞杆上端排气的小阀口开放，制动缸的压力空气中空的活塞杆大气。缓解同样有保压位。特点：主活塞的动作与否决定于三种压力的平衡与否。副风缸只承担在制动时向制动缸供风的任务而不参与主活塞的平衡。具有阶段缓解的性能，但缓解比较慢。,具有彻底的制动力不衰减性。制动缸因漏泄而降压时，副风缸将经过供气阀口自动给制动缸补风，恢复其原有的空气压强。制动与否只取决于列车管减压量而与减压速度无关，即缓慢减压也制动。,四、制动机性能的“硬”和“软”,软性制动机定义：一般指的是二压力制动机，其制动作用仅仅取决于列车管与副风缸的压差。制动时列车管风压稍低于副风缸风压，就能起制动作用，而缓解时列车管风压稍高于副风缸风压，即发生完全缓解作用。,特点：具有一定的缓解稳定性。具有必要的制动灵敏度。列车管压力高于副风缸2030kpa，制动机一次缓解完毕。三通阀的作用只取决于主活塞两侧的压差，与定压无关，因此适用于不同的列车管定压。例：列车管定压由500kpa更改为600kpa，阀的作用不变。,硬性制动机三压力机构的制动机，其制动与缓解作用除受列车管压力变化控制外，还要受到工作弹簧（也称定压弹簧）和制动缸压力的控制。硬性制动机的特点：缓慢减压也制动，即没有稳定性。这主要是因为工作弹簧的压力没有衰减性造成的。具有阶段缓解的性能，列车管必须达到工作弹簧的定压，制动机才能够彻底缓解，而且缓解的快慢受列车管增压速度的制约。,列车管的定压在应用中不能改变，如果工作弹簧是按照500kpa设置的，则列车管风压即使增加到600kpa也起不到效果，制动时列车管减压至500kpa以上时是不会发生制动作用的。结束语：制动机性能的软和硬也是相对的。不能说三压力就都是硬性制动机，二压力就都是软性制动机，它们也是可以转化的，都可以变成半软半硬的制动机。（如下图）,半硬性制动机,硬性制动机,第六节列车管空气压强对制动缸的间接控制,一、机车上采用间接控制制动机的原因如采用直接控制的制动机，机车上除了要有总风缸外，还要有一个容积不小的副风缸。由于长大下坡道“交互凉闸”的需要，机车必须有单独制动和单独缓解的性能。制动缸的制动和缓解受列车管空气压强间接作用机构应运而生。,二、机车分配阀,结构：（如图）主阀部：相当于一个三通阀，只是副风缸换为工作风缸（容积小）、原制动缸的位置换成了作用室。作用部：分别通总风缸、作用室和制动缸。第二活塞下方通作用室上方通机车制动缸。,均衡部作用部,作用原理列车管减压制动：主活塞左移：工作风缸的压力空气作用室；第二活塞上移，活塞杆顶开制动缸供排气阀：总风缸供排气阀口制动缸；列车管增压缓解：主活塞右移：作用室的压力空气滑阀缓解沟大气；第二活塞下移，活塞杆顶部离开制动缸供排气阀：制动缸的压力空气中空的活塞杆大气,机车单独制动或缓解：通过单独制动管或单独缓解管直接控制作用室的压力便可实现。,三、车辆分配阀,结构及原理：可参照机车分配阀，大同小异。作用部和均衡部的叫法有些区别,优点：长大下坡道制动缸漏泄时副风缸可以自动给制动缸补风而没有发生自然缓解的问题。闸瓦磨耗后制动缸行程增大时，制动缸压强不会降低。因为制动缸空气压力参与了第二活塞的平衡。,第七节自动制动阀对列车管空气压强的间接控制,一、问题的提出列车的编组辆数越来越多，各个列车的编组辆数也不一致，对操纵控制机构的灵敏度、准确性和充排气容量的要求也日益提高。解决方法：对列车管空气压强的控制是间接作用，在自动制动阀与列车管之间插进了一个均衡风缸和一个中继机构。,控制关系：自动制动阀均衡风缸中继阀列车管压强。二、机构形式内燃机车JZ7型制动机和电力机车DK1型制动机用的“膜板活塞加双阀口”而且带过充的中继阀。司机通过控制均衡风缸的风压来间接控制列车管压强。蒸汽机车ET6等型制动机用的“给风阀加均衡活塞”的中继机构。,作用原理：充气缓解：均衡风缸增压，膜板活塞右移，供气阀1开放，总风缸的压力空气总风管7供气阀1列车管6；,过充：为了加快列车管的充气速度，中继阀膜板左侧没有过充活塞4和过充风缸9，过充风缸的风压通过在过充活塞膜板活塞的平衡。列车管压强必须超过额定压强，才能使膜板活塞回到保压位。过充风缸的风会慢慢排向大气，列车管将慢慢恢复定压。,保压：中继阀膜板左侧均衡风缸的压力和右侧列车管的压力平衡。供气阀、排气阀均关闭。充气时，均衡风缸压强是多少，列车管压强也必须充到多少才结束；排气时，均衡风缸减到什么压强，列车管也必须减到什么压强。,制动：均衡风缸减压，膜板活塞左移，排气阀2开放，列车管6的压力空气排气阀2排气口8大气。,三、有关总风缸给列车管补风的问题,缓解状态给列车管补风，以保持列车管的定压，这是没有问题的。在制动保压状态给列车管补风的问题，补风有可能引起制动机缓解。具有阶段缓解性能的制动机缓解不了多少，无关大局。没有阶段缓解性能的制动机来说，一旦缓解就彻底缓解，是很危险的。,采取的措施：ET6型和DKl型制动机都在自动制动阀施行制动时切断了总风缸(或给风阀)与列车管的联络通道。Jz7型制动机上有一个总风遮断阀和一个客货车转换阀，当转换阀置于货车位时，自动制动阀只要施行制动，也会自动切断总风源。,第八节列车管减压量与制动缸压强的关系及列车管有效减压范围,一、基本原理自动空气制动机的工作过程中，压力空气的压强和容积不断在变化。压强与容积的变化是有一定的关系的。为简化计算起见，通常把制动机内压强和容积的变化过程看作是等温变化过程。根据波义耳马略特定律，等温过程中空气压强与容积之间的关系为：,二、三通阀的有关计算列车管减压量对制动缸压强的影响：忽略因素：制动时副风缸向列车管的逆流；局部减压。制动前以及制动保压时，副风缸的压强和列车管压强相等。,三通阀制动前后的压容关系可列式如下（制动前制动缸容积可认为是0）：,列车管额定绝对压强,列车管减压量,制动缸额定绝对压强,计算结果：换算成相对压强，取副风缸与制动缸的等效容积比为3.25：,结论：在运用中，副风缸与制动缸容积比已经是定值，所以制动缸压强只取决于列车管减压量。司机操纵列车制动时，只要控制列车管减压量，即可掌握制动力的大小。,列车管有效减压量最小有效减压量：由式分析，r30.8kpa，制动缸活塞就应移动。制动缸缓解弹簧一般按制动缸活塞的“背压”为35kPa来设计计算。应有：r42kpa。,实际试验中，列车管减压量约为20kPa时即能将制动缸活塞推动。原因：缓解弹簧的阻力随其压缩量而增大，它只是在制动缸活塞行程达到200mm时才相当于背压35kPa。规定：单车试验时的最小减压量为40kpa；列车试验和列车运用中为50kpa。,最大有效减压量：仅由式分析:r越大，制动缸压强越大，但这是有限制的。当副风缸向制动缸充风充到两者压强相等，在此之后，列车管如再继续减压，制动缸压强也不会再增加，属无效减压量。,计算分析：当副风缸向制动缸充风充到两者压强相等时，制动前后的压容关系：,当列车管定压为500kpa时，制动缸最大压强为360kpa，列车管最大有效减压量为140kpa；当列车管定压为600kpa时，制动缸最大压强为430kpa，列车管最大有效减压量为170kpa。,客车,货车,三、分配阀的有关计算计算分析：工作风缸压强与列车管压强在制动前后相等（有效减压量内）；制动缸的压强等于容积室的压强；容积室在制动前后均有空气。,理论公式：,103型制动机的半经验公式：重车位的空气压强：空车位的空气压强：,空车系数,第九节空气波和空气波速,一、概述机车制动阀排出列车管的压力空气使列车管减压，机