DK－1制動機改進(jìn)設(shè)計及綜合分析與探討

徐 暉

（中國南車 株洲電力機車有限公司，湖南株洲412001）

1 機車制動機系統(tǒng)現(xiàn)狀概述

現(xiàn)在國內(nèi)機車制動機的控制，是對風(fēng)路的控制過程。國產(chǎn)的DK－1制動機對風(fēng)路之間的邏輯控制關(guān)系實現(xiàn)主要依靠各型的復(fù)雜專用氣閥來實現(xiàn)，這樣經(jīng)過幾十年的實踐運用，這些復(fù)雜專用氣閥的功能性、穩(wěn)定性和可靠性得到了驗證。但系統(tǒng)中也暴露出一些問題，比如相對復(fù)雜的管路系統(tǒng)總是存在一些故障率，有些故障的判斷較困難，沒有網(wǎng)絡(luò)控制，制動機的功能性較少，這些問題的存在影響了DK－1制動機的發(fā)展空間，現(xiàn)在克諾爾公司CCBⅡ和法維萊公司等外國制動機已經(jīng)進(jìn)入了中國新造電力機車的制動機市場。

國外的制動機具有成熟、可靠的元件模塊和先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，功能全面，相關(guān)設(shè)計比較復(fù)雜，但在中國鐵路運用的適應(yīng)性、可靠性和穩(wěn)定性還有待時間檢驗。中國機車直接使用國外制動機存在一些現(xiàn)實問題，如價格很高且機車全壽命的使用期間制動機的維護(hù)都要依賴外國公司，維護(hù)成本很高；外國公司售后服務(wù)的及時性不如中國公司，有的一些疑難故障要把相關(guān)參數(shù)文件發(fā)到國外去分析，時間成本高等。

國產(chǎn)的DK－1制動機經(jīng)過長期的運行檢驗，已有很多成熟的經(jīng)驗，特別是一些獨具特色的控制模塊、集成模塊和控制方式，如電控制動器（大閘）、空氣制動閥（小閘）、分配閥、中繼閥、過充控制方式、時間定位減壓，這些都是珍貴的經(jīng)驗和知識產(chǎn)權(quán)，如果把存在的一些問題進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計，再運用一些先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)和先進(jìn)的控制元件，完全可以把國產(chǎn)的DK－1制動機改造成具有中國特色的、先進(jìn)的、可靠的、全功能的、低成本的、具有國際競爭力的制動機控制系統(tǒng)。

2 DK－1制動機的改進(jìn)設(shè)計

通過對機車制動控制理論的研究，認(rèn)為機車對風(fēng)路控制總體的要求并不是很多和很復(fù)雜，重要的是可靠性和功能性，以下是總結(jié)和分析DK－1制動機場現(xiàn)運用的實踐經(jīng)驗，針對控制方面的一些薄弱環(huán)節(jié)，結(jié)合先進(jìn)的傳感器和網(wǎng)絡(luò)控制方式，對DK－1制動機進(jìn)行升級改進(jìn)的設(shè)計構(gòu)想。

2．1 國產(chǎn)DK－1制動機在運用中的問題

國產(chǎn)DK－1制動機經(jīng)過幾十年的運行其基本性能得到充分的檢驗，但隨著控制技術(shù)的發(fā)展和鐵路運輸要求不斷的提高，國產(chǎn)DK－1制動機存在越來越大的改進(jìn)設(shè)計空間，具體概括如下。

在控制理論方面的不足：（1）分配閥主閥部的控制原理，使制動缸壓力控制的線性度不好，容易產(chǎn)生制動壓力沖動、控制模式固定化，不靈活。（2）緊急制動時機車制動最大壓力由分配閥安全閥排風(fēng)控制，會造成機車制動壓力的不斷波動，這對閘瓦和輪對都不好。（3）DK－1制動機斷電后會排總風(fēng)，造成風(fēng)源的浪費。（4）緊急制動時小閘對機車制動缸的控制能力不足。（5）大閘的控制邏輯關(guān)系復(fù)雜又不統(tǒng)一，造成檢修和維護(hù)的麻煩。（6）不具備遠(yuǎn)程控制功能。（7）沒有運用工況的顯示、判斷、記憶和儲存等功能。

在技術(shù)工藝方面的不足：在現(xiàn)有的設(shè)計工作狀況下，分配閥主閥部、分配閥安全閥、壓力開關(guān)、小閘、相關(guān)重要的調(diào)壓閥、電控閥故障率都較高，均衡管漏風(fēng)故障很難查找、無火回送操作麻煩等，這些小而廣的問題對DK－1制動機的聲譽造成很大的影響。

2．2 改進(jìn)后的空氣管路原理圖（圖1）及簡單說明

調(diào)壓閥1正常位時為300 k Pa，空氣位時為500 k Pa或600 kPa、調(diào)壓閥2為500 k Pa或600 k Pa、調(diào)壓閥3為250 k Pa、調(diào)壓閥4為450 k Pa。

小閘略加改動：改變定位凸輪形狀，使運轉(zhuǎn)位時位置開關(guān)與定位凸輪配合，其他位置時位置開關(guān)與定位凸輪分開。小閘功能改變?yōu)橹苿游?、運轉(zhuǎn)位和緩解位，其余為控制區(qū)。改進(jìn)后的小閘控制邏輯為在運轉(zhuǎn)位時不起控制作用，在其他位置時小閘可絕對控制機車制動缸壓力。改變后的定位凸輪與位置開關(guān)配合如圖2。

圖1 DK－1制動機改進(jìn)設(shè)計管路圖

正常電控控制時：塞門2、塞門3處關(guān)閉狀態(tài)，由相關(guān)電控閥控制中繼閥從而控制列車管部分，相關(guān)電控閥或小閘控制分配閥，從而控制制動缸管部分。

空氣位時：小閘、轉(zhuǎn)換塞門和塞門2轉(zhuǎn)空氣位，由小閘同時控制中繼閥和分配閥。

2．3 改進(jìn)后的控制電路原理示意圖（圖3）及簡單說明

圖2 定位凸輪配合圖

圖3 DK－1制動機改進(jìn)設(shè)計電路示意圖

電控閥部分全部使用普通電控閥。大閘控制分成6個位置卻只有5根信號線（圖4），全部斷電即為重聯(lián)狀態(tài)，這樣大閘控制簡單明了，既減少了連線可靠性高也方便遠(yuǎn)程控制的實現(xiàn)，可以定為統(tǒng)一的控制設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。遠(yuǎn)程控制原理即通過遠(yuǎn)程控制單元接收或發(fā)射的無線信號，模擬一個虛擬大閘參與制動機控制。由于遠(yuǎn)程控制信號都是開關(guān)信號，更容易做到及時和同步。

圖4 大閘原理圖

2．4 基本控制邏輯程序編寫如下（圖5）

通過相應(yīng)的程序控制，管路部分和電路部分的配合，完全可以實現(xiàn)機車DK－1制動機的全部控制功能，即大閘的過充位、運轉(zhuǎn)位、中立位、制動位、重聯(lián)位、緊急位的全部功能，小閘全部功能，空氣位功能，無火回送功能，監(jiān)控控制功能、補風(fēng)功能、空電聯(lián)合功能等，還有DK－1制動機不具備的開機自檢功能，顯示、記憶、分析、判斷、跟蹤和遠(yuǎn)程控制等功能，也考慮了運行中突然失電后的安全控制。

2．5 具體控制功能說明（以貨車列車管500 kPa為例）

大閘過充位，小閘運轉(zhuǎn)位時：充1得電、均衡風(fēng)缸充風(fēng)至500 kPa（傳感器1）。充3、排3得電過充風(fēng)缸充總風(fēng)。中繼閥給列車管充風(fēng)至530 kPa（傳感器3）左右。排2得電、轉(zhuǎn)換得電，制動缸保壓。

大閘運轉(zhuǎn)位，小閘運轉(zhuǎn)位時：充1得電、排1得電均衡風(fēng)缸充風(fēng)至500 k Pa（傳感器1）。排2失電、轉(zhuǎn)換得電，容積室排風(fēng)至0（傳感器6），制動缸緩解。排3得電，過充風(fēng)缸自己緩慢對外排風(fēng)。中繼閥控制列車管緩慢排風(fēng)至500 k Pa（傳感器3）。

大閘中立位，小閘運轉(zhuǎn)位時：充1失電、排1得電，均衡風(fēng)缸保壓（傳感器1）。排2得電、轉(zhuǎn)換得電容積室保壓，制動缸保壓。排3得電，過充風(fēng)缸自己緩慢對外排風(fēng)，中繼閥控制列車管緩慢排風(fēng)至500 k Pa（傳感器3）。不補風(fēng)，遮斷得電斷開中繼閥的供風(fēng)。補風(fēng)，遮斷失電打開中繼閥的供風(fēng)。

大閘制動位，小閘運轉(zhuǎn)位時：排1失電，均衡風(fēng)缸排風(fēng)，最小減壓量40 k Pa，最大減壓量180 kPa（傳感器1），通過時間定位減壓量。排3失電，快速排空過充風(fēng)缸風(fēng)壓。充2得電、排2得電、轉(zhuǎn)換得電，容積室充風(fēng)，充風(fēng)時間與排1排風(fēng)時間相同，通過縮孔3的調(diào)節(jié)使容積室充風(fēng)與列車管減壓的比例為2．5∶1，最大充風(fēng)為350 k Pa（傳感器6），分配閥均衡部控制制動缸壓力上升。

圖5 DK－1制動機改進(jìn)設(shè)計邏輯控制圖

大閘重聯(lián)位，小閘運轉(zhuǎn)位時：排1得電、重1得電，均列管溝通。遮斷得電斷開中繼閥的供風(fēng)。中繼閥失去作用。排2得電、轉(zhuǎn)換得電，容積室保壓。

大閘緊急位，小閘在任何位時：排1得電、重1得電，均列管溝通。遮斷得電斷開中繼閥的供風(fēng)，中繼閥失去作用。電動緊急閥得電，列車管壓力快速排到0，均衡風(fēng)缸壓力通過重1快速排到0。排2得電、充2得電、轉(zhuǎn)換得電，容積室充風(fēng)到450 k Pa（傳感器6），分配閥均衡部控制制動缸壓力上升到450 k Pa。

大閘緊急位后緩解，小閘運轉(zhuǎn)位時：必須在15 s后回到重聯(lián)位一次才能緩解。

電制動時：排2失電，對外排風(fēng)。

大閘在任何位，小閘不在運轉(zhuǎn)位時：大閘在緊急位時，排2得電、充2得電、轉(zhuǎn)換得電，容積室充風(fēng)到450 kPa（傳感器6），分配閥均衡部控制制動缸壓力上升到450 kPa，小閘必需回到運轉(zhuǎn)位一次才能控制和緩解機車制動缸壓力。大閘在其他位時，轉(zhuǎn)換失電，切斷排2、充2對控制風(fēng)缸的控制，溝通了作用管對容積室的控制。排2失電排風(fēng)。小閘通過作用管控制容積室，從而控制制動缸壓力。

備用1電控閥作用：機車起緊急時監(jiān)測容積室壓力上升是否正常，若不正常則備用1得電、轉(zhuǎn)換失電，由分配閥主閥部來控制容積室壓力上升。

分配閥主閥部投入工況（此為多一種備用功能的設(shè)計）：當(dāng)司機判斷出排2、充2電控閥控制出現(xiàn)故障，不能正?？刂迫莘e室壓力時，可把塞門2打到導(dǎo)通位，電路自動控制轉(zhuǎn)換1失電。若小閘在運轉(zhuǎn)位時：備用2得電，分配閥主閥部可完全控制機車制動缸壓力。若小閘離開運轉(zhuǎn)位時：則備用2失電，小閘可以絕對的控制機車制動缸壓力。

本務(wù)機車時：重聯(lián)閥至本機位，制動缸管通平均管。補機機車時：重聯(lián)閥至補機位，容積室管通平均管。遠(yuǎn)程控制時：本機控制，大閘位信號通過遠(yuǎn)程控制單元發(fā)送出去。補機控制，兩個大閘置重聯(lián)位，遠(yuǎn)程控制單元接收信號轉(zhuǎn)換為大閘控制信號控制機車。

控制電源突然斷電時：排1失電把均衡風(fēng)缸風(fēng)壓排至0，中繼閥排列車管風(fēng)壓至0。轉(zhuǎn)換失電，小閘通過作用管控制容積室，從而控制制動缸壓力。

空氣位操作時：轉(zhuǎn)換塞門、塞門2、小閘都打空氣位，調(diào)壓閥1調(diào)到500 k Pa，控制方式與DK－1相同。轉(zhuǎn)換1、排2、重1失電。

無火回送時：塞門2打空氣位，塞門1、塞門3打無火位。

3 改進(jìn)設(shè)計特點及優(yōu)勢

（1）由電控閥控制分配閥容積室，控制方式可以靈活，且對機車制動缸壓力控制線性度好，機車緊急制動時機車制動缸壓力穩(wěn)定。

（2）均衡管管路系統(tǒng)范圍小、集中，回路漏風(fēng)故障容易判斷和處理，并且在生產(chǎn)過程中加強質(zhì)量控制就可徹底解決均衡管漏風(fēng)造成的列車管不保壓故障。

DK－1均衡管管路系統(tǒng)范圍大、分散，回路漏風(fēng)故障非常不容易判斷和處理，均衡管漏風(fēng)就會造成制動不保壓故障。

（3）在電控閥排2、充2控制時，容積室管路系統(tǒng)范圍小、集中，回路漏風(fēng)故障容易判斷和處理，只要在生產(chǎn)質(zhì)量上加強控制完全可以徹底解決回路漏風(fēng)制動缸不保壓的故障。

DK－1容積室管路系統(tǒng)范圍大、分散，若回路漏風(fēng)就會造成制動缸制動不保壓故障。

（4）緩沖風(fēng)缸、過濾器1的設(shè)計，可以使關(guān)鍵電控閥的供風(fēng)得到預(yù)先的清潔和沉淀，對電控閥工作有很大的好處，并且也可改善調(diào)壓閥2的工作條件，即調(diào)壓閥2充風(fēng)過程中的初始充風(fēng)風(fēng)壓最低也在250 k Pa以上，調(diào)壓充風(fēng)過程中壓力變化波動小對調(diào)壓閥有利。

DK－1的相關(guān)電控閥和此處調(diào)壓閥的故障率高。

（5）中立位保壓的程序設(shè)計，主要針對DK－1制動機在頻繁工作中調(diào)壓閥2有時會出現(xiàn)定壓不準(zhǔn)壓力緩慢上升的故障，若上升壓力過大就會影響到行車安全?，F(xiàn)均衡管回路設(shè)計保壓可靠，所以可在中立位保壓的設(shè)計來控制上述故障的危害影響。

（6）制動機正常工作時分配閥主閥部一直處在充風(fēng)緩解位不起控制作用。主閥部非常精密從而也是比較薄弱的環(huán)節(jié)，DK－1實際運用因雜質(zhì)和磨耗造成分配閥主閥部的故障率較高。改進(jìn)后的設(shè)計主閥部在機車正常操作時不起控制作用，使用時間大大地減少，雜質(zhì)和磨耗就大大的減少，所以相對薄弱環(huán)節(jié)的主閥部故障率較高的問題得到徹底地解決。

（7）DK－1增壓室很少有機會起作用，容積室風(fēng)壓不會超過450 k Pa，所以分配閥的安全閥可調(diào)到455 k Pa排風(fēng)后，就基本上不會出現(xiàn)安全閥排風(fēng)的情況了。并且無火回送的設(shè)計，安全閥也不用反復(fù)地調(diào)節(jié)了。安全閥實際運用中故障率非常高的現(xiàn)象得到根本徹底的解決。

DK－1分配閥的安全閥經(jīng)常大量排風(fēng)，機車斷電后的總風(fēng)基本上都是通過安全閥排完的，安全閥過于頻繁的排風(fēng)在實際運用中經(jīng)常造成損壞、漏風(fēng)和松動，影響機車制動缸上閘，并且安全閥的頻繁排風(fēng)過程中機械沖擊力也容易造成分配閥其他部分的故障和損壞。無火回送時安全閥要調(diào)到160 k Pa，也給司機帶來麻煩。

（8）機車斷電后列車管常用減壓到0，總風(fēng)缸不排風(fēng)，只要有總風(fēng)小閘在機車任何狀態(tài)下都能可靠、方便、迅速、靈活地控制制動缸壓力，這也是DK－1、DK－2系列和國外制動機系統(tǒng)都不具備的。

（9）總風(fēng)排風(fēng)塞門的設(shè)計方便需要時在機車上進(jìn)行總風(fēng)的排放。根據(jù)現(xiàn)場運用經(jīng)驗了解到，有時為了相關(guān)部件的調(diào)整需要釋放總風(fēng)，經(jīng)常是通過頻繁的打緊急位排風(fēng)，這樣對制動機不好排風(fēng)也慢。

（10）小閘位置開關(guān)與定位凸輪只在運轉(zhuǎn)位配合其他位置分開，這樣的設(shè)計對位置開關(guān)起到很好的保護(hù)。

DK－1的小閘位置開關(guān)與定位凸輪的配合距離很長，現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)幾乎所有位置開關(guān)的接觸彈片都把凸輪磨出很長的痕跡，頻繁的機械摩擦容易使接觸彈片發(fā)生崩脫造成制動控制故障。

（11）大閘控制邏輯關(guān)系簡單明了可靠，減少了機車的布線，降低成本，并且這種控制方式可以很方便的配合實現(xiàn)遠(yuǎn)程同步控制。重聯(lián)位設(shè)計成全斷電狀態(tài)，可使同臺機車兩端操縱的大閘做到完全獨立，即可以把故障大閘拆除而不會影響正常大閘對制動系統(tǒng)的控制，若兩端大閘都在重聯(lián)位時就可以接受遠(yuǎn)程信號的控制。

（12）電路控制設(shè)計運用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和多功能顯示屏，可以方便做到相關(guān)信息的傳輸、存儲、顯示、分析和控制等的全面功能。多功能顯示屏可以根據(jù)需要進(jìn)行很豐富的功能設(shè)計，例如對制動工況進(jìn)行全屏顯示和記錄，就可非常方便地對制動工作狀態(tài)的掌握和故障的判斷查詢等。也可以根據(jù)成本的要求去除多功能顯示屏設(shè)計，設(shè)計方式非常的靈活。

4 綜合比較和總結(jié)

DK－1制動機改進(jìn)設(shè)計整體控制和功能都比較清晰、明了和容易理解，針對薄弱環(huán)節(jié)改進(jìn)和功能提升后完全能勝任交流機車的控制要求，若不用顯示屏的簡化版設(shè)計，成本更低，完全可以作為現(xiàn)有直流機車制動機的升級選擇。

和國外制動機比較具有的優(yōu)勢：低價格、高可靠性、純空氣控制的備用環(huán)節(jié)、任何狀態(tài)下不排總風(fēng)，小閘可靠迅速的控制機車制動缸壓力、有過充功能，方便列車管的迅速緩解、維護(hù)檢修方便，機務(wù)段能夠輕易學(xué)習(xí)和掌握，維護(hù)成本低、具有司機熟悉的操縱方式，列車管減壓控制更精確等。

國外制動機設(shè)計使用了特色且昂貴的集成模塊、控制元件和很多快速電控閥，所以成本很高。而DK－1制動機改進(jìn)設(shè)計充分運用和發(fā)揮了經(jīng)過長期檢驗成熟可靠具有獨特的模塊和控制單元，用的都是普通電控閥，所以成本低。普通電控閥相對來說控制精度要差些，機車制動機控制要求更看重的是可靠性和功能性，普通電控閥的控制精確度完全可以滿足要求的。

在實際的司機操縱中，DK－1制動機時間定位減壓的控制方式更能準(zhǔn)確地進(jìn)行制動減壓控制。國外制動機雖然用了很多高速電控閥，但位置定位減壓的控制方式是一個大概值的控制方式，所以司機實際操縱中并不能準(zhǔn)確地進(jìn)行制動減壓控制，只能控制大概范圍。也就是說改進(jìn)型DK－1制動機的制動控制更精確，系統(tǒng)設(shè)計更加合理。

5 結(jié)束語

DK－1制動機可以通過很多不同的巧妙設(shè)計來達(dá)到性能的提升，以上只是對其中一個版本進(jìn)行了詳細(xì)分析和探討。應(yīng)該可以制定具有DK－1基本特色的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，鼓勵大家根據(jù)用戶不同的成本和性能要求設(shè)計成系列產(chǎn)品，通過競爭來不斷發(fā)展和完善國產(chǎn)DK－1制動機控制系統(tǒng)。

只有發(fā)展和改善具有中國自己特色的設(shè)計和標(biāo)準(zhǔn)才會更具競爭力，若都去模仿國外的設(shè)計和標(biāo)準(zhǔn)那就可能永遠(yuǎn)依賴和落后于別人。

［1］劉豫湘．DK－1型電空制動機與電力機車空氣管路系統(tǒng)［M］．北京：中國鐵道出版社，2006．