YZ-1制動機在青藏鐵路的運用分析

許洪春

(昆明中鐵集團公司，云南昆明 650215)

1 空氣制動機在高原環(huán)境條件下的工作性能

青藏鐵路由青海省會西寧至西藏首府拉薩，全長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1 140 km，有960 km海拔在4 000 m以上。其中最高點唐古拉山埡口，海拔達5 071 m。海拔高、大氣壓力(簡稱“氣壓”)低、氣溫低、風沙大、氣候變化大是青藏鐵路(特別是其中的格拉段)的基本特點。

我國現(xiàn)有空氣制動機在青藏鐵路西格段近20年的運用實踐說明，空氣制動機的性能是能適應(yīng)該環(huán)境的。但是需要研究空氣制動機在海拔3 000～5 071 m的工作性能。

1.1 高原低氣壓對制動機性能的影響

海拔每升高1 000 m，氣壓下降約10% ～13%;因為氣候因素變化的影響，同一海拔的氣壓實測值在平均值的91%～107%之間波動。不同海拔的氣壓值見表1。

表1 不同海拔的氣壓值 kPa

空氣制動機現(xiàn)行的參數(shù)均是以1個標準大氣壓(取值100 kPa)為基準計算或在接近標準大氣壓條件下試驗得出的表壓力(壓力表的指示壓力)。壓力表一般也是在低海拔地區(qū)校準的，其機械結(jié)構(gòu)決定了大氣壓力對其壓力指示值影響極小。而目前的機車制動機，多采用機械壓力表顯示壓力，并以此為依據(jù)進行操作。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，壓力表指示值雖相等，但壓縮空氣的絕對壓力不相等，所以，高原低氣壓必然要對空氣制動機中有大氣壓力參與的作用性能產(chǎn)生一定的影響。

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

1.2 高原低氣壓對空氣分配(控制)閥局減量的影響

以104型空氣制動機為例，如圖1，104的局減閥作用活塞一側(cè)通制動缸，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為活塞運動總阻力，主要包含局減彈簧抗力Wt和柱塞運動阻力Wh，104閥設(shè)計值約為78 N。

104閥規(guī)定局減結(jié)束時，制動缸的壓力(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，大氣壓力約為54 kPa。根據(jù)式(4)計算，局減終了時，局減活塞的有效作用力達139 N，這遠大于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)計算，則制動缸的表壓力僅為24 kPa。這意味著列車管減壓約10 kPa時，局減閥就已經(jīng)關(guān)斷列車管與制動缸的通路，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波速大為下降，另外減壓量很小時，會造成列車尾部車輛制動力減小甚至失去制動力。

1.3 高原低氣壓對制動缸作用力的影響

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

因為制動機不會同時工作于兩種大氣環(huán)境中，所以由等溫氣態(tài)方程導出主閥作用方程，無論高原還是低地都應(yīng)該適用，由此得出的制動缸表壓力也應(yīng)該一致。同時，制動缸的彈簧抗力和作用面積也不會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，制動缸活塞的推力方程為

圖2 高原低氣壓條件下制動缸的作用力示意

式中，pz取430 kPa(104閥全制動時常用制動缸最高壓力);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)，得出制動缸的絕對作用壓差分別為 430 kPa，460 kPa，472 kPa，476 kPa。以 356 mm制動缸計算，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高度的制動缸活塞推力與0海拔地區(qū)比較，海拔4 500 m高度的制動缸活塞推力比零海拔處要大10%。

1.4 高原低氣壓對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苿訖C工作性能的影響

1)高原地區(qū)氣候多變，溫差變化大，有風天氣極多，且風力較大，造成空氣中的沙塵較多。沙塵通過供氣通路或呼吸孔進入分配閥、制動缸后，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)。但實際上，現(xiàn)在制動機極少在持續(xù)－40℃低溫下運用，而制動機僅按照鐵標要求在－50℃條件下做過48 h考驗。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、油霧濃度也相對較高，閥和制動缸用潤滑脂容易干化，也會加速機件磨損和橡膠件的老化。因此，制動部件在海拔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，還有待時間的驗證。

另外，溫度低、溫差大，將造成輪軌黏著系數(shù)變化加大。這些因素都會對制動機的性能和制動作用的最終結(jié)果產(chǎn)生影響。

3 關(guān)于空氣制動機在青藏線上運用的建議

與機車不同，青藏線上運行的車輛也要在低海拔地區(qū)運行。要實現(xiàn)空氣制動機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。空氣制動機在高原和低地條件下的運用性能雖有一定差別，但這種差別并不是已惡化到嚴重影響安全工作的程度。針對高原的特點，將空氣制動機的技術(shù)條件作一些必要的修改，采用新的技術(shù)彌補空氣制動機在高原條件下的性能差別，摸索適應(yīng)高原特點的制動操作方法，現(xiàn)有的空氣制動機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機，用以彌補空氣制動機局減量不足造成的缺陷;增設(shè)制動機空氣清潔部件，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)高原特點的制動操作方法，以適應(yīng)在高原條件下輪軌的黏著特性和空氣制動機的作用特性。修改空氣制動機的技術(shù)條件，增加在高原環(huán)境下空氣制動機的試驗和操作規(guī)程等內(nèi)容。

[1]夏寅蓀，黃德山，何力.104型空氣及電空制動機[M].北京:中國鐵道出版社，2001.

[2]中國國家標準化管理委員會.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.