新型多功能安全折角塞门的设计原理

新型多功能安全折角塞门的原理、技术方案与应用意义

——王翌冬王世诚_

前言“防止列车折角塞门非正常关闭”重大科研攻关课题（简称“防关技术”）已困扰国内外铁道行业多年。新型多功能安全折角塞门创建全新的设计理论，以最简单可靠的机械结构、最轻松方便的使用方法实现自动防范四大类非正常关闭因素、特别是人为破坏和操作失误的危害和多种安全作业自动防护功能，为铁路运输提供安全、可靠、科学、经济的技术保障，有望使我国在“防关技术”研究领域达到国际领先水平。

该项创新技术如果经过验证后移植应用到机车自动阀（俗称“大闸”）上，有望不做其它任何改造即可大幅度提高原有机车车辆制动系统的技术性能，使之更加适合高速、重载、长大列车编组的需要，可能具有极高的社会效益和经济效益。

今将该项技术的原理、技术方案与应用意义阐述如下，供业内工程技术人员研讨。

主题词新型多功能安全折角塞门

关键词原因浅析设计原理技术方案应用意义

以往众多研究方案虽然至今尚无成功先例，但是积累了大量宝贵经验，客观地分析研究以往方案的利弊与矛盾至关重要，使我们得以避免重复错误，另辟蹊径，创建全新的研究理论和结构设计。

久攻不克的原因浅析：

“防关技术”研究方案很多，公认的首选方案是研制可自动排风制动的新型折角塞门，在此只讨论与“排风制动”密切相关的技术问题。

“可自动排风制动的折角塞门”最初的设想是模仿机车排风制动的工作原理，在关闭时排出软管端的压力空气，使得被关塞门软管一侧的车辆自动制动，以阻止关门列车开出或使运行列车自动停车，从而消除或避免制动失控事故危害后果。大多数工程技术人员最初认为很简单：既然机车可以排风制动，折角塞门理所当然的应该很容易实现排风制动；但是大量研究试验证实：由于造成折角塞门非正常关闭的因素很多，工况条件十分复杂，实施排风制动非常困难,每增设一种自动化防关功能都产生一系列新的技术问题难以解决。

例如：以往研究方案均为直排式单向排风方案，当被关塞门处在车前位时，后侧车列完全失去制动力；被关塞门前侧有机车自动补风为补充风压，由于机车强大的自动补风能力（为了快速自动补风，除了空气机可自动补风外，机车上还设有四个常压在900kpa以上的大型储压缸），每辆车排风制动的减压量衰减很大；被关塞门在列车中部时每辆车减压量逐辆衰减高达20～40kpa,因为受到常用制动最小有效减压量39.2kpa 和最大减压量138.2kpa的限制，实际有效减压量被限定在100kpa左右，只有前侧5辆以内可以实现常用制动；被关塞门越靠近机车，减压量衰减越大，甚至高达70kpa 以上，可实现常用制动的车辆减少到2辆以内，必然损伤少数可制动车辆的构件、擦伤车轮或线路；这样的制动效果不但无益反而有害（有试验证明：编组43辆仅有机车和前5辆制动时几乎没有制动效果、当重载或编组超过60辆时，机车和前8～10辆车制动基本不能有效减速，反而容易造成脱轨颠覆）；当被关塞门处在车后位时，前侧车列不制动，被关塞门后侧失去机车补风为容积压，略微排风即可触发非常制动，必然拉断车钩造成较长时间的途停事故、甚至造成脱轨颠覆等严重后果。

在长期研究试验过程中也形成一部分被广为认可的研究理论，例如：“折角塞门若要实现排风制动，排风孔的截面积必须大于或等于机车充风孔的截面积220㎜2”；并

曾经据此推出了一批多排风孔、大排风孔或双通道、双球芯的研究方案，这类大排量的研究方案未能解决不同车位、不同性质风压和原有设计理论中关于“机车排风减压常用制动的排风孔截面积不宜超过28.3㎜2”等一系列矛盾，无一幸免的在正常作业关闭和开通时都触发意外的非常制动，将压力排空至0kpa，严重影响正常作业。国际铁道行业在历经几十年研究和反复试验后，导致绝大多数研究人员误认为“由折角塞门排风制动实现自动防关是不可能的”。

以往研究方案难以解决的其它问题还很多，使得业内专家广泛认为：

1)不能抵消机车自动补风的影响、不能解决车前位与车后位不同性质风压、不同排量要求、不同部位不同排量要求等矛盾，所以“由塞门排风控制全列车常用制动是不可能的”；

2) 以往方案均处于压力失控状态，不能避免触发非常制动将压力排空，严重影响正常作业并易于损伤车辆构件或导致脱轨颠覆，所以“塞门排风制动不影响正常作业或无负面影响是不可能的”；

3)以往方案的安定性都很差，每辆车的减压量和每个时间段的减压量差异都很大，均不能避免触发非常制动将压力排空，所以“塞门排风实现稳压常用制动和保压常用制动是不可能的”；

4) 以往方案自动化水平低，其可行性、实用性都比较差，所以“只要能正常操作就不可能自动防范人为破坏、特别是内行作案”；

5) 折角塞门工况复杂，有的操作失误根本就是没有操作，所以“自动防范工作人员操作失误是不可能的”等等。

在分析上述观点时，我们注意到以往研究方案只对排风制动进行浅显的结构改造，未曾对制动系统最基本的传动介质——压力空气与空气波质量有任何关注或改良措施。

在研究分析以往方案中我们还发现原有的机车车辆制动系统本身存在某些技术缺陷，例如：在常用制动时，由于温度和压力回流等综合作用影响，列车前部容易发生意外的自动缓解，必须靠机车司机适时操控单独自动阀弥补这一技术缺陷（列车编组越长这一缺陷越明显）以及列车实施常用制动所需时间较长（制动波速度不高）、制动缓慢（灵敏度不高，最小有效减压量为39.2kpa，可获得的有效制动力约为29.3kpa）、制动力偏弱（最大减压量为138.5kpa，可获得的最大常用制动力为352kpa），导致列车制动距离过长、纵向冲动偏大、制动质量不高；如果机车司机操作不当，即使将制动主管压力排空至0kpa，也不能获得352kpa以上的非常制动力（非常制动力通常以最大常用制动力加10％计算，定压为500kpa时非常制动力最大为387.2kpa）等等。折角塞门的排风制动不具备机车司机的操控条件，工况条件更复杂，“防关”的技术要求难度更大。如果沿袭传统的研究方法，只进行简单的模拟改造，显然不能获得实质性突破。

新型多功能安全折角塞门研究方案就是要在以往研究误区里理出头序，探寻全新的设计理论，用最简单可靠的方法研制高度自动化、安全可靠的新一代球芯折角塞门。新型多功能安全折角塞门的原理和技术方案：

一、工作原理构思：

在系统分析国内外诸多研究方案的利弊与矛盾后，新型多功能安全折角塞门设计方案从改良原有制动系统最基本的传动介质——压力空气的空气波质量入手，在关闭瞬间有效改良空气波的波形曲线，使原有制动系统获得前所未有的常用制动波速度、灵敏度和安定性以及超常的常用制动力效果，从而使得“防关技术”研究长期以来不能解决的一系列技术难题迎刃而解，并且没有发现任何负面影响。这一改良方法的工作原理与电子电路中利用电容器构成简单有效的保护电路，对电动势波形削峰填谷、降低冲击值、提高电流实际作功效率的原理极为相似，并在大量试验中得到验证。