轨道车辆用中继阀压差与供风压力、预控压力的关系研究

郭宗斌，张振超，郗开冲，李培署

(中车青岛四方车辆研究所有限公司 制动事业部，山东 青岛 266031)

制动系统是轨道车辆的核心系统，其可靠性直接影响车辆运行安全[1-2]。中继阀是车辆制动系统的关键部件，其性能好坏直接影响制动系统的性能。中继阀的作用是根据不同预控压力产生不同的大流量输出压力，实现制动力的快速准确控制。中继阀的压差为输出压力与预控压力之间的差值，意为中继阀输出压力与预控压力的跟随性，是中继阀的一项重要性能指标，在一定程度上代表着中继阀的品质[3]。

轨道车辆用中继阀结构形式较多，压差水平也不尽相同。中继阀压差越小，说明其输出压力与预控压力越接近，在某种意义上代表其组成的制动系统所输出的制动压力越接近目标值，最终产生的制动力越精准；反之，中继阀压差越大，最终产生的制动力与目标值偏差越大[4]。

中继阀机械结构形式不同决定了其压差特性的不同，对于已定型结构的中继阀，其压差可能受供风压力和预控压力影响。本文对此影响关系进行了研究，并给出了选型建议。

1 典型结构与工作原理

1.1 结构组成

轨道车辆用中继阀有多种结构形式，图1为2种典型结构中继阀的结构示意图，分别将其命名为A型中继阀和B型中继阀。中继阀主要由阀体、阀座、阀杆、活塞、膜板、弹簧、密封件等部件组成，阀内各部件通过一定的装配关系集成在阀体内部，并根据各腔室压力大小产生相应动作[5]。2种结构中继阀均设有4个对外气路接口，分别为输入口、预控口、输出口和排气口[6]。

图1 中继阀结构示意图

1.2 工作原理

2种结构中继阀工作原理基本一致。如图1所示，预控压力通过预控口进入膜板下腔室，推动活塞向上移动，活塞向上推动阀杆，切断输出口与排气口的通路，供风阀口密封件离开阀座，打开输入口到输出口的通路，输入口向输出口管路充气。当输出口压力上升到一定值时，阀杆随活塞向下移动，供风阀口密封件重新贴靠到阀座上，此时输入口与输出口、输出口与排气口之间的通路均被切断，各部件处于平衡状态。如果预控压力再次升高，则活塞又推动阀杆向上移动，再次打开输入口与输出口的通路，输入口又向输出口充气，直至供风阀口密封件贴靠到阀座上，达到平衡状态。

如果预控压力下降，则活塞向下移动，排气阀口密封件脱离阀杆，打开输出口与排气口的通路，输出口排出部分压缩空气，输出口压力下降到一定值时，活塞在预控压力的作用下向上移动，排气阀口密封件贴靠上阀杆，此时输入口与输出口、输出口与排气口之间的通路均被切断，各部件处于平衡状态。完全缓解时，预控压力降为0，活塞在输出口压力作用下移动至下部，打开输出口与排气口的通路，输出口的压缩空气排到大气，输出口压力降为0[7]。

2 试验研究

中继阀工作时，输入口通入供风压力以满足用风需求，预控口通入预控压力以驱动阀内部件产生相应动作，产生输出压力通过输出口流向下游部件[8]。中继阀供风压力并不是固定不变的，而是维持在一定范围内，一般为750～900 kPa。中继阀预控压力与控制需求有关，不同的控制需求中继阀会接收到不同的预控压力，一般为0～600 kPa，从而产生的输出压力也随之不同。

现对2种结构中继阀分别在不同供风压力、不同预控压力下的压差进行试验测试，试验原理见图2，试验管路通径为18 mm，压力表精度为1 kPa。供风压力和预控压力分别通过调压阀1和调压阀2调节，各管路压力稳定后，通过压力表1、压力表2和压力表3分别读取供风压力、预控压力和输出压力，并记录数据，试验数据统计见表1。其中，压差为预控压力与输出压力的差值(本文定义为代数值)。

图2 中继阀压差试验原理图

表1 中继阀压差试验数据统计 kPa

基于表1试验数据，在不同预控压力下，2种结构中继阀压差与供风压力的关系曲线如图3所示；在不同供风压力下，2种结构中继阀压差与预控压力的关系曲线如图4所示。

注：图中“A-100”、“B-100”分别表示A型、B型中继阀-预控压力100 kPa。

注：图中“A-700”、“B-700”分别表示A型、B型中继阀-供风压力700 kPa。

由上述曲线可看出：

(1) A型中继阀压差与供风压力关系较大，同等预控压力下，压差与供风压力成正比，即供风压力越高，压差越大；

(2) A型中继阀压差与预控压力关系较大，同等供风压力下，压差与预控压力成反比，即预控压力越高，压差越小；

(3) 预控压力一般大于输出压力，但在某些条件下，A型中继阀输出压力会反超预控压力，即输出压力大于预控压力；

(4) B型中继阀压差与供风压力、预控压力无明显关系，压差基本不受二者影响。

3 力学分析

为分析上述现象产生的原因，现对中继阀进行力学分析。中继阀动作后达到平衡状态，阀内各部件满足力学平衡原理。由图1可知，供风压力作用在阀杆上，而阀杆同时又受到输出压力的作用，活塞两侧也分别受到预控压力和输出压力的作用，加之弹簧力、阻力等因素共同作用，各部件达到平衡状态。针对2种结构中继阀，分别对阀杆活塞整体、阀杆、活塞进行受力分析。

3.1 A型中继阀

图5为A型中继阀的受力分析图。

对于A型中继阀，根据阀杆平衡状态时的受力分析，可列出如下的平衡方程：

(1)

图5 A型中继阀受力分析

阀杆与活塞之间通过密封压紧力F5进行力学衔接，对公式(1)变形如下：

(2)

根据活塞平衡状态时的受力分析，可列出如下平衡方程：

(3)

为便于研究预控压力P2和输出压力P3差值，将公式(2)代入公式(3)并对公式(3)变形如下：

(4)

3.2 B型中继阀

图6为B型中继阀的受力分析图。

图6 B型中继阀受力分析

对于B型中继阀，根据阀杆平衡状态时的受力分析，可列出如下的平衡方程：

(5)

阀杆与活塞之间通过密封压紧力F5进行力学衔接，对公式(5)变形如下：

(6)

根据活塞平衡状态时的受力分析，可列出如下平衡方程：

(7)

为便于研究预控压力P2和输出压力P3差值，将公式(6)代入公式(7)并对公式(7)变形如下：

(8)

4 原因分析

4.1 受供风压力影响分析

对于A型中继阀，d1与d2大小存在差异，故A型中继阀供风压力P1会对阀杆产生一定附加力，对压差产生影响，且由公式(4)可知，在其他条件不变的情况下，供风压力P1越高，压差越大；而对于B型中继阀，d5与d6大小几乎相等，故B型中继阀供风压力P1基本不会对阀杆产生附加力且不会对压差产生影响。

4.2 受预控压力影响分析

中继阀达到平衡状态时，由公式(4)、公式(8)可知，预控压力P2和输出压力P3通过各自作用面积产生作用力参与平衡计算，若两者作用面积不同，则对压差一致性产生影响。

对于A型中继阀，d3显然远大于0，即P2与P3的作用面积存在差异，故A型中继阀预控压力P2会对压差产生影响，且预控压力P2越高，压差越小；而对于B型中继阀，d7与d9基本相等，即P2与P3的作用面积差异较小，故B型中继阀预控压力P2基本不会对压差产生影响。

5 建议

中继阀本身机械结构决定了其压差无法完全消除，且压差特点也因中继阀结构不同而有差异。结合上述分析，提出以下建议。

(1) 针对制动控制系统采用预控压力进行闭环控制，且以获得输出压力为目的的场合：

1)对于供风压力波动范围较大的，建议采用B型中继阀；若采用A型中继阀，因其压差随供风压力不同而变化，则需考虑在不同供风压力段对输出压力进行校正；

2)对于预控压力有多个级别或无级连续变化的，建议采用B型中继阀；若采用A型中继阀，因其压差随预控压力、输出压力不同而变化，则需考虑在不同预控压力段对输出压力进行校正。

综上，若在此种场合采用A型中继阀，要获得满足要求的输出压力，则需考虑的校正修正措施较多，控制方法复杂，且中继阀存在一定的个体差异，一套控制方法很难涵盖全部个体阀，故建议在此种场合采用B型中继阀。

(2) 针对制动控制系统采用输出压力进行闭环控制，且以获得输出压力为目的的场合，不管供风压力、预控压力如何波动或变化，2种结构中继阀均可选用。