李伯清

摘要 通过对青藏铁路沿线的地理、气候环境条件和空气制动机在该环境下的运用特性的分析，研究空气制动机在高原和低地条件下的性能差异，为空气制动机在高原环境下安全运用提供参考。

关键词  高原  低地  低气压  风沙  温差

世界上最高、最长的高原铁路——青藏铁路已开通数年，研究铁道车辆制动机在高原环境的适应性，是关系到高原列车安全运行的重要课题。

1 青藏铁路的地理和气候环境

青藏铁路由青海省会西宁至西藏区府拉萨，全长1985km。其中西宁至格尔木段845km，已于1984年建成通车。西格段虽然也地处高原，但海拔在3000m以下。而即将开通的格尔木至拉萨段，全长1140 km，就有960 km海拔在4000m以上。其中最高点唐古拉山垭口，海拔达5071m。

海拔高、大气压力（简称“气压”）低、气温低、风沙大、气候变化大是青藏铁路（特别是其中的格拉段）的基本特点。

2  空气制动机在高原环境条件下的工作性能分析

我国现有空气制动机，在青藏铁路西格段近20年的运用实践证明，空气制动机的性能是适应该环境的。但是，空气制动机能否适应海拔3000m～5071 m的格拉段呢？

2.1 高原低气压对制动机性能的影响

不同的海拔，海拔每升高1000m，气压下降约（10～13）％；因为气候因素变化的影响，同一海拔的气压实测值在平均值的（91～107）％之间波动。

表1是不同海拔的气压值。

表1

空气制动机现行的这些参数，均是以1个标准大气压（取值100kPa）为基准计算或在接近标准大气压条件下试验得出的表压力（压力表的指示压力）。压力表一般也是在低海拔地区校准的，其机械结构决定了大气压力对其压力指示值影响极小。而目前的机车制动机，多采用机械压力表显示压力，并以此为依据操作的。其指示值（即表压力p）几乎不受大气压力的影响。因此，在高海拔低气压条件下，其指示值应无明显变化。

即：

式中：p_D和p_G分别代表低海拔和高海拔条件下的表压力。

设：低海拔和高海拔条件下的大气压力分别为p_D0和p_G0。

（2）式表示：海拔不同时，压力表指示值虽相等，但压缩空气的绝对压力不相等。因为空气制动机是依靠压缩空气作用的，所以高原低气压必然要对空气制动机中有大气压力参与的作用性能产生一定的影响。

高原低气压对空气制动机性能的影响，主要表现在分配阀局部减压量、制动缸推力和由此涉及到的列车管有效减压量。

2.1.1 高原低气压对空气分配（控制）阀局减量的影响

以104型空气制动机为例：

图1  在高原低气压条件下104局减阀的作用示意图

    由图1可见：104的局减阀作用活塞一侧通制动缸，另一侧通大气。在低海拔地区，局减阀的作用方程为：

在高海拔地区，局减阀的作用方程为：

式中：S_j —104局减活塞的有效作用面积，约为1.2×10^－3 (m)²；

       ∑W — 活塞运动总阻力，主要包含局减弹簧抗力(Wt)和柱塞运动阻力（Wh），104阀设计值约为78N。

104阀的性能参数规定。局减结束时，制动缸的压力（注：表压力）

不应大于70kPa，即局减活塞的有效作用力不大于84N。在高原条件下，如局减活塞仍以70kPa的表压力作用，以海拔5000m为例：大气压力约为54kPa。根据（4）式计算，局减终了时，局减活塞的有效作用力达139N，这远大于82N，显然与局减阀的结构性能不符。如以作用力82N带入（4）式计算，则制动缸的表压力仅为24kPa。这意味着列车管减压约10kPa时，局减阀就已经关断列车管与制动缸的通路，使第二阶段局减夭折。第二阶段局减量不足造成的直接后果：一是使常用制动波速大为下降；二是减压量很小时，会造成列车尾部车辆制动力减小甚至失去制动力。

2.1.2 高原低气压对制动缸作用力的影响

图2是高原低气压条件下制动缸的作用力示意图（忽略活塞运动阻力）。制动缸的推力（Wt），是由制动缸活塞充气侧的绝对压力与大气侧的绝对压力的压差作用产生的。

Wtz 、Wtz′— 制动前、后制动缸弹簧抗力   Sz — 制动缸活塞面积   pz — 制动缸压力

图2  高原低气压条件下制动缸的作用力示意图

因为制动机不会同时工作于两种大气环境中，所以由等温气态方程导出主阀作用方程，无论高原还是低地都应该是适用的，由此得出的制动缸表压力也应该是一致的。同时，制动缸的弹簧抗力和作用面积也不会因其大气压的变化而明显变化。忽略气温的影响，在高原低气压和同等表压力作用条件下，制动缸活塞的推力方程为：

举例分析：P_z 取430kPa（104阀常用全制动时制动缸最高压力）；p_D0取100kPa；p_G0分别取：p_G0＝p_D0（低地常压）、70kPa（3000m）、58kPa（4500m）、54kPa（5000m），代入（5）式，得出制动缸的绝对作用压差分别为：430kPa 、460kPa、472kPa、476kPa。以356mm制动缸计算，得出的活塞推力分别为：42.8kN、45.8kN、47.0kN、47.4kN。
把海拔4500m高度的制动缸活塞推力与0海拔地区比较：

分析说明：海拔4500m高度的制动缸活塞推力比0海拔要大约10％。

2.1.3 高原低气压对列车管减压量的影响

仍以海拔4500m高度为例，制动缸如果要获得与低海拔地区同

样的推力，制动缸的表压力约为：

列车管相应的减压量为：

分析说明：定压600kPa时，4500m海拔高度要获得与0海拔相同的制动缸推力，列车管有效减压量应减小约10％。

3 高原恶劣气候对制动机工作性能的影响

高原气候的基本特点是：风沙大、温度低、温差大。

3.1 风沙对制动机工作性能和寿命的影响

高原地区气候多变，温差变化大，有风天候极多，且风力较大，造成空气中的沙尘较多。沙尘通过供气通路或呼吸孔进入分配阀、制动缸等部件后：一是增大了零部件磨损，降低其使用寿命；二是增大了阀（缸）内漏泄的可能性，使其可靠性降低。

3.2 高原低温和大温差对制动机用橡胶件性能的影响

低温会使橡胶件变硬甚至脆化，温度高低的频繁交替变化，又会使橡胶件反复硬变而加快老化。TB2206《车辆用103/104型空气分配阀橡胶件》规定：橡胶件的工作温度为－50℃～70℃。青藏线格拉段沿线平均气温为－2℃～－6℃，记录的最低环境温度为－45℃，在橡胶件的规定工作温度范围之内。但实际上，现在制动机极少在持续－40℃低温下运用，而制动机仅按照铁标要求在－50℃条件下做过48h考验。高原的低气压使各种挥发物质更易挥发，因而青藏铁路沿线空气中盐雾、油雾浓度也相对较高，阀和制动缸用润滑脂容易干化，也会加速机件磨损和橡胶件的老化。因此，制动部件在海拔4000m以上的持续低温和昼夜温差、路段温差变化的条件下的使用性能和使用寿命，还有待时间的验证。

另外，温度低、温差大，将造成轮轨粘着系数变化加大。这些因素都会对制动机的性能和制动作用的最终结果产生影响，限于篇幅，我们不再一一阐述。

4 关于空气制动机在青藏线上运用的建议

与机车不同，青藏线上运行的车辆也要在低海拔地区运行。要实现空气制动机在高原和低地条件下作用性能的完全一致，目前在技术上还有一定困难。我们认为：空气制动机在高原和低地条件下的运用性能虽有一定差别，但这种差别并不是已恶化到严重影响安全工作的程度。针对高原的特点，将空气制动机的技术条件作一些必要的修改，采用新的技术弥补空气制动机在高原条件下的性能差别，摸索适应高原特点的制动操作方法，现有的空气制动机是可以满足青藏线要求的。为此，我们建议：

(1) 在青藏线装用电空制动机，用以弥补空气制动机局减量不足造成的缺陷。

(2) 给空气制动机增设空气净化装置，提高压缩空气和阀内的清洁度，以适应青藏线恶劣的自然环境。

(3) 探索适应高原特点的制动操作方法，以适应在高原条件下轮轨的粘着特性和空气制动机的作用特性。修改空气制动机的技术条件，增加在高原环境下空气制动机的试验和操作规程等内容。

参考文献：

    GB4797.2—1986《电子电工产品自然环境条件 海拔与气压、水深与水压》

夏寅荪 黄德山 何力《104型空气及电空制动机》 中国铁道出版社 2001