GCX-1000 軌道除雪車制動系統(tǒng)設(shè)計研究

沈加本

GCX-1000 軌道除雪車（高原）（以下簡稱除雪車）是中國鐵建高新裝備股份有限公司根據(jù)鐵道部科技研究開發(fā)計劃，針對鐵路線路冰雪情況，開發(fā)的滿足鐵路線路除雪要求的大型養(yǎng)路機(jī)械車輛。其工作環(huán)境設(shè)計在低溫、大雪天氣下，這和以往常規(guī)的大型養(yǎng)路機(jī)械運(yùn)用有了本質(zhì)的不同，普通大型養(yǎng)路機(jī)械在這種天氣環(huán)境下是不會進(jìn)行作業(yè)施工的。這就對關(guān)系著整車行車安全的制動系統(tǒng)提出了更嚴(yán)格的要求，針對低溫的運(yùn)用要求，除雪車主要進(jìn)行以下幾個方面的針對設(shè)計，保證除雪車低溫環(huán)境下的正常、安全運(yùn)用要求。

1 進(jìn)氣系統(tǒng)

圖1

常規(guī)大型養(yǎng)路機(jī)械的進(jìn)氣系統(tǒng)（原理圖見圖1），一般由1、空壓機(jī)、3、冷凝管、6、積水杯、5、高壓安全閥、7、干燥器、14、壓力控制器、11、電磁閥、13、壓力開關(guān)、8、氣控閥等組成，當(dāng)空壓機(jī)工作后，風(fēng)源進(jìn)過冷凝、干燥后向風(fēng)缸充風(fēng)，當(dāng)壓力到達(dá)額定值后，壓力控制器控制控制電磁閥動作，從而控制氣控閥實(shí)現(xiàn)空壓機(jī)打出空氣直接排大氣。

常規(guī)的大型養(yǎng)路機(jī)械進(jìn)氣系統(tǒng)，為延長干燥劑的使用時間和壽命，泄壓口設(shè)計在干燥器前端，泄壓的空氣是很潮濕的，潮濕空氣中的水分可能凝結(jié)成冰，一旦結(jié)冰，就將堵塞氣控閥的排風(fēng)口，造成系統(tǒng)調(diào)壓失效，最終將導(dǎo)致壓力過高，高壓閥安全閥打開排氣，因排的也是干燥器前端的潮濕空氣，也會出現(xiàn)結(jié)冰現(xiàn)象，如果高壓安全閥也結(jié)冰失效，將導(dǎo)致系統(tǒng)壓力超標(biāo)不可控，可能帶來車輛部件損壞甚至出現(xiàn)安全事故。

除雪車的進(jìn)氣系統(tǒng)（見圖2），充分考慮在低溫環(huán)境下的結(jié)冰問題，增加了一套壓力控制系統(tǒng)（原理圖見圖2），當(dāng)前端調(diào)壓系統(tǒng)如果因結(jié)冰失效后，總風(fēng)壓力上升，增加的泄壓系統(tǒng)會開始工作，且設(shè)計泄壓的總風(fēng)接口為經(jīng)干燥器干燥后的總風(fēng)，排風(fēng)口不會出現(xiàn)結(jié)冰失效，可以充分保證除雪車在低溫環(huán)境下進(jìn)氣系統(tǒng)的正常工作。

圖2

2 干燥系統(tǒng)

除雪車需要在低溫下作業(yè)運(yùn)行，對壓縮空氣的干燥處理更顯得尤為重要，如果干燥效果不好，就會在制動系統(tǒng)運(yùn)用過程中析出水分，在低溫下如果凝結(jié)成冰，會造成制動系統(tǒng)管路或者制動閥堵塞，卡滯，給行車安全和零部件使用壽命造成很嚴(yán)重的后果。除雪車的干燥系統(tǒng)選用TADIIb-1.6-H 型干燥器，主要由干燥塔、組合閥、出氣止回閥、電磁閥、過濾器等組成。

2.1 主要技術(shù)參數(shù)

處理空氣量 1.6m3/min

工作壓力 1000kPa

吸附劑 φ3 ～φ5mm

再生方式 無熱、常壓

再生耗氣率 ≤20%

出氣口相對濕度≤35%

露點(diǎn) 2 級 ISO8573-1

含油率 2 級 ISO8573-1

含塵埃的顆粒度3 級 ISO8573-1

干燥塔轉(zhuǎn)換周期80s

2.2 結(jié)構(gòu)功能

圖3

干燥器外形圖見圖3，干燥器干燥塔左右對稱配置，主要由干燥吸附劑層及上下濾網(wǎng)組成，是完成壓縮空氣干燥凈化的核心部件。

組合閥控制兩干燥塔周期性進(jìn)氣、排氣，安裝在干燥器的下部，閥口根據(jù)電氣控制的電磁閥所發(fā)出的壓縮空氣指令來控制開閉，組合閥是空氣干燥器的關(guān)鍵部件，控制干燥器的干燥塔切換和再生，出氣止回閥安裝于干燥塔的上部，主要由止回閥芯組件、再生螺釘、濕度顯示器等組成。

電控器在干燥器的正面，制動系統(tǒng)打風(fēng)過程是一個動態(tài)的過程，這個過程反饋給電控器，經(jīng)過電控器的邏輯處理，變成有規(guī)律的指令輸出，并通過電控閥來控制干燥器上的機(jī)械動作，構(gòu)成“電氣—機(jī)械”控制系統(tǒng)，使兩塔按一定的程序交替工作，具備如下功能:

2.2.1 定時轉(zhuǎn)換

當(dāng)電控器工作時，按一定的時間周期（T）對 電磁閥“通電”、“斷電”控制，Ad 得電時，電控閥控制組合閥使干燥器 A1塔進(jìn)入“再生”狀態(tài)，A2 塔進(jìn)入“吸附”狀態(tài)，而 Ap 得電時使 A2塔進(jìn)入“再生”狀態(tài)，A1 塔則進(jìn)入“吸附”狀態(tài)。

2.2.2 時間累計

當(dāng)一個周期還未完成而控制電源（CS）斷電時，電控器中斷工作，停止計時，當(dāng)（CS）線再次通電時，計時將在原工作時間上累計，直至這一工作周期的完成。

2.2.3 狀態(tài)記憶

工作周期中斷時，電控器將其工作狀態(tài)記存下來，待下次工作時仍按原狀態(tài)繼續(xù)

2.3 工作原理

工作原理圖如圖4 所示，TADIIb-1.6-H 型空氣干燥器是由兩個干燥塔交替工作的無熱再生式除濕凈化裝置。

圖4

電控閥Ad 處于得電狀態(tài)而電控閥Ap 處于失電狀態(tài)時，進(jìn)氣閥 Cd 關(guān)閉、Cp 打開，排氣閥 Bd 開啟、Bp 關(guān)閉，此時，A1 塔進(jìn)入再生狀態(tài)，A2 塔進(jìn)入吸附狀態(tài)，飽和濕空氣由空壓機(jī)進(jìn)入進(jìn)氣閥座，濕空氣經(jīng)開放的進(jìn)氣閥Cp 進(jìn)入右邊干燥塔，沿著箭頭的流向，經(jīng)過干燥器下部的油水分離器時，除去部分較大的水滴、油滴及灰塵，然后送到干燥床，經(jīng)干燥后的干燥空氣借助壓力打開出氣止回閥，干燥空氣送向總風(fēng)缸，出氣止回閥的左右進(jìn)氣室有一小孔相連，經(jīng)干燥塔A2 處理的凈化空氣有一部分經(jīng)過小孔流向干燥塔A1，從A1 筒上部流向吸附床，帶走干燥床內(nèi)的水分（再生），并帶著離心式油水分離器下部的水滴、油滴及塵埃由排氣閥排出。

當(dāng)A1 塔再生狀態(tài)到設(shè)定時間時，電控器停止對電控閥Ad供電，這時兩電控閥（Ad，Ap）均處于失電狀態(tài)，兩排氣閥亦處于關(guān)閉狀態(tài)，故此時A2 塔繼續(xù)吸附而A1 塔卻停止再生。A2 塔的干燥空氣仍源源充入A1 塔，因A1 塔無排出使壓力逐漸上升，A1 塔在這段時間處于“充氣狀態(tài)”，然后電控器開始向Ap 供電，A1 塔、A2 塔再生吸附相互轉(zhuǎn)換，完成轉(zhuǎn)換周期。如此每個轉(zhuǎn)換周期改變左右干燥塔工作狀態(tài)，左右干燥塔反復(fù)進(jìn)行干燥和再生。

干燥器除了在司機(jī)室設(shè)有雙塔切換顯示狀態(tài)工作燈，還在干燥器上設(shè)有濕度顯示器，濕度顯示器中裝有能根據(jù)濕度變化而變換不同顏色的顆粒物，當(dāng)濕度顯示器為橘黃色時，干燥器輸出空氣正常；濕度顯示器為淺綠色或墨綠色時，干燥器輸出空氣不正常，此時可能是干燥器工作不正?；蛘呤歉稍飫┮呀?jīng)失效，通過濕度濕度顯示器的設(shè)計，能使現(xiàn)場人員在運(yùn)行和保養(yǎng)中，及時、直觀的檢查和保養(yǎng)干燥器，及時排除故障，保證干燥器的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，從而保證整個制動系統(tǒng)風(fēng)源的干燥清潔，在低溫環(huán)境下也不會有水析出，從而保證除雪車的安全運(yùn)行和安全作業(yè)。

3 防凍加熱系統(tǒng)

除雪車制動系統(tǒng)進(jìn)氣系統(tǒng)中的積水杯，經(jīng)過冷凝管冷卻析出的水到積水杯，如果在低溫環(huán)境下，積水杯底部的水就會凝結(jié)成冰，放水閥將失去作用，無法及時將水排出。

除雪車為此對積水杯設(shè)計了加熱防凍系統(tǒng)，通過溫控裝置感應(yīng)環(huán)境溫度，當(dāng)環(huán)境溫度為5℃時自動啟動加熱系統(tǒng)，或者通過司機(jī)室選擇開關(guān)直接啟動加熱系統(tǒng)，加熱裝置直接包裹式安裝在積水杯上，在低溫下加熱積水杯，使得積水杯溫度能保持在10℃以上，保證積水杯中的水不會凝結(jié)，可以隨時通過排水閥排出積水杯積水，安裝使用見圖5。

圖5

4 恒轉(zhuǎn)速空壓機(jī)系統(tǒng)

圖6

在高壓除雪車制動系統(tǒng)設(shè)計中，考慮高原環(huán)境下，空壓機(jī)工作效率下降，在海拔4000 m 左右時，空壓機(jī)的效率降低至55%，在海拔5000 m 左右時，降低至50%，打風(fēng)能力大幅下降，當(dāng)在長大坡道運(yùn)行，如果發(fā)動機(jī)在怠速運(yùn)行，此時發(fā)動機(jī)驅(qū)動的空壓機(jī)效率只有額定轉(zhuǎn)速時的一半，空壓機(jī)打風(fēng)能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于正常工況，高原除雪車為此設(shè)計了液壓驅(qū)動的恒轉(zhuǎn)速空壓機(jī)系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)空壓機(jī)轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定，不因發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速的變化而影響空壓機(jī)打風(fēng)效率，原理圖見圖6。

系統(tǒng)由負(fù)載敏感泵，節(jié)流閥、安全閥、空壓機(jī)驅(qū)動馬達(dá)、旁通閥等組成，當(dāng)節(jié)流閥開度調(diào)定后，負(fù)載敏感泵通過控制油檢測節(jié)流閥兩端的壓差，自動調(diào)節(jié)排量，保證通過節(jié)流閥的流量恒定，從而實(shí)現(xiàn)空壓機(jī)驅(qū)動馬達(dá)流量恒定，即實(shí)現(xiàn)空壓機(jī)轉(zhuǎn)速恒定，成功解決了高原長大下坡工況下打風(fēng)效率下降的問題。

5 部件低溫化設(shè)計

除雪車制動系統(tǒng)在系統(tǒng)設(shè)計過程中，充分考慮低溫環(huán)境，所有閥件選型低溫工作溫度達(dá)到車輛設(shè)計-25℃要求，在可選范圍內(nèi)，部分閥件如電磁閥、單向閥等選用最低工作溫度能達(dá)到-40℃，充分滿足了車輛設(shè)計使用要求。

6 結(jié)論

通過以上針對低溫和高原低氣壓的設(shè)計，除雪車制動系統(tǒng)在低溫和高原環(huán)境下經(jīng)過了一年多的運(yùn)行試驗(yàn)，制動系統(tǒng)設(shè)計完全滿足在低溫和高原低氣壓環(huán)境下的運(yùn)行要求，為今后大型養(yǎng)路機(jī)械制動系統(tǒng)在低溫和高原低氣壓環(huán)境下的設(shè)計提供了較好的經(jīng)驗(yàn)和參考。