双针压力表
双针压力表
20201020
双针压力表是铁路机车车辆上的常用部件,尤其是在普速车辆上,特别是客车,每节车辆上都要设置一块。在动车高速上,设置就有所不同了,通常只是在头车的司机台上。
所谓双针压力表,也就是压力表的一种,而压力表则是一种通过机械传动,通过指针的方式,表现流体压力的一种装置。
压力表普通的结构是要有一个用于感受压力变化的敏感元件,通常是波登管,或是膜盒,或是波纹管,在其内部施加流体,随着流体压力的变化,敏感元件产生弹性变形,带动一个转臂,驱动转轴,引起转轴上的指针转动,就显示了压力的变化和大小。这也就是机械压力表的基本形式。
铁路车辆使用压力表,主要是显示和监控车用压缩空气的变化,而这种变化也对应了列车控制的一些状态,也就是为了保证行车安全。
应该是由于空间和结构的限制,也应该有便于观测的因素,将两套显示机构置于一个整体中,就形成了双针压力表。
其实可以用钟表来类比双针压力表,但是也有差别。钟表的指针之间是相互关联的,时、分、秒有严格的逻辑关系,并且相互联动。同时钟表的指针是要做360°旋转的,并且周而复始。双针压力表的两个指针对应的是两个独立的源,其测量和显示的压力之间,可以是独立的,也可以是关联的,而这种关联并不绝对,只是在功能上允许存在某种关联,而这种关联与压力表的结构无关。另一方面,压力表的表针也不是全角度的,通常是有范围的,也就是压力表的量程,换句话说,就是要有起点和终点,术语上说,就是零点和满量程点。
铁路车辆上用双针压力表的作用,通常是监控其使用的压缩空气的数值与变化,而压缩空气也有不同的作用,并随着发展,有一些扩展。
在火车开始使用之后,为了使它能够停下来,需要制动装置。最初使用的是机械装置,不方便,随后发展了,使用自动装置,就是空气制动机,通过空气压力的变化,施加不同的制动力。开始的时候是直通制动,就是在需要制动的时候,机车,可就是全列车的控制中枢,通过一个长长的管子,也就是列车管,向每一节车辆的制动装置,也就是制动缸,直接加气。这样做的好处是简单方便,而坏处是,当列车解编或断裂时,后部车辆就无法实现制动了。
需要说明的是那个时候,机车是主动的,车辆是被动的,机车提供运行的动力,也发出停止的指令。
这个阶段,压缩空气只是一个动力源,即随着制动缸的压力变化,制动力也随之变化。这样做还有一个弊端,就是协调与一致。试想一下像流水一样的压缩空气,从前端流到后端,是需要时间的,而这也就导致全列车的制动动作并不协调,给列车运行造成不利的影响。
为了解决这个问题,又发展出了一种叫自动制动机的装置,这种方式有了一些变化,设置有所不同。首先也要设置一根贯通全列车的管子,然后在每节车上设置了一个风缸,叫做副风缸,再设置一个制动机,这个制动机作为中间环节,连接列车管,副风缸,制动缸,其实还有一个隐形的通路,大气。因为制动机连接了三个终端,因此这个制动机也被叫做三通阀。
三通的过程是分成了三个阶段的,即制动,保压,缓解。制动阶段,列车管与大气相通,但是这个大气通路并不是三通阀上的大气通路,副风缸与制动缸相通;保压阶段,截断所有的通路,各自封闭;缓解阶段,列车管与副风缸相通,制动缸与大气相通。
还有一点需要说明,铁路上使用的制动缸,是一种单作用形式的,活塞構贝有弹簧作用回复原位的。
这套装置的特点是,由于有了副风缸,作为局部的动力源,列车管在制动的时候,不再充当动力源,而是充当了信号传递的通道。
其实在列车制动缓解的过程中,制动和缓解是可以分解成两个独立的过程,虽然所有的动作都是通过列车管来施加,但是制动和缓解过程,原则上是相互制约和互锁的,这样说有些不确切,直白的说,要制动,就不能缓解,要缓解就不能制动,两者之间不能随意转换,更不能同时发生。
这个过程需要有一个准备,就是初充气,其实也就是一个缓解的过程,只是此时或许制动缸里并没有压缩空气,因此这个过程也可以叫做准备过程。准备过程的作用是让副风缸储存有足够的压缩空气,也就是动力,等待下一次制动过程的实施,这个时候,列车管和副风缸的压缩空气是充满的。
实施制动时,列车管排气,根据需要,以不同的速度,排除不同数量的压缩空气,而这个排气,产生一个信号,三通阀根据这个信号,联通副风缸与制动缸,形成制动作用。当达到预定的要求时,列车管停止排气,副风缸也停止向制动缸充气,进入保压阶段。这个过程可以重复,知道列车管排空,副风缸的压缩空气全部充入制动缸,达到平衡。
实施缓解时,列车管被充入压缩空气,发出缓解信号,三通阀联通制动缸与大气,形成缓解动作,同时列车管向副风缸充风,储存制动动力。这个过程有些时候是可以重复实施的,有些时候是一次完成的。
说了这么多,实际上是想什么列车管,副风缸,制动缸三者之间的压力变化,存在一种关联性,通过观看它们的压力变化,知道当前列车所处的状态。
然而事实并不能如愿,有时候也无法实施。
在货物列车上,无法在每节车辆上进行观察,也没有必要进行观察,只需要监控列车管的压力变化,就可以推断列车的运行状态,也就是说这个时候使用单针表就足够了。只是在机车上,因为需要知道风源压力,这个时候,设置双针压力表,一个显示风源压力,也叫总风,一个显示列车管压力。
在客运列车上,可以在每节车辆上设置压力表,用以监控压力变化。在单管制时期,只能监控列车管的压力,在双管制时期,增加了总风管,也就设置了双针表,一个显示总风管压力,一个显示列车管压力。
在动车高铁列车上,情况又有不同,而且还很特殊。
又有使用列车管传递制动缓解信号,有一个局限,就是响应时间,也就是传递速度。空气中压力信号传递速度的上限不会大于声速,也就是340m/s,这将影响制动缓解过程的一致性。另一方面,制动机对于压力的控制属于模拟控制,无法做到精确,因此在动车高铁上普遍采用直通电气控制方式,又由于采用了各种监控设施,可以全闭环监控各个作用点的实际情况,因此监控的位置也发生了变化。
以复兴号列车为例,在列车上的不同位置,监控的内容也不相同。这里需要先说一下复兴号的制动。
地铁,动车,高铁,现在普遍采用的是电动力,并且是动力分散方式。如果是六辆编组,通常是三动三拖,或者是四动两拖,如果是八辆编组,通常是四动四拖,当然也会有其他的配置,也就是说有无动力的拖车,有有动力的动车。由于使用了电力驱动,在制动的时候,就可以使驱动电机转变成发电机来消耗动能,形成制动作用,术语叫再生自制动,将制动产生的电能回馈到电网,那么这里面就有一个问题,就是有电与无电,动车能够产生制动力,而拖车没有。另外再生制动有一个限制,就是在高速的时候效果显著,而在低速的时候就不显著,甚至完全丧失,而且这个变化是极速的。为了保持运行的平稳,只有再生自动是不够的,还需要空气制动的参与,甚至可以说,是空气制动使列车停下来的。换句话说,制动过程实际上采用了混合制动方式。
列车平稳运行的指标是速度变化的平稳,而对于制动过程,就是制动减速度的变化要平稳,这个过程就需要再生自动与空气制动的协调与匹配,并且这个过程是动态变化的。另一方面,由于车辆间的参数也有差异,比如动车与拖车,成员人数的不同,使得车辆质量也不相同,因此对于制动力的要求也不相同,也就是说不同车辆之间是有差异的,而且差异很大,而具体的表现就是制动缸的压力,而匹配这其中的关系的,是每个车辆上的电子控制单元,根据列车司机发出的指令,结合车辆的运行参数,计算和调解相应的数据。
另外,车辆的配置也不相同。在普速列车上,贯穿整个列车的是列车管,当然双管制时还有一个总风管,但是控制全列车制动缓解的是列车管的压力变化,也就是说,列车管是全列车的控制中枢。在动车高铁列车上,由于控制方式采用了电控及通讯指令方式,使得每节车辆即联通又独立,总体协调,独立动作,贯穿全列车的不再是列车管,而是网络通讯,即便是依然有总风管贯穿全列,其作用也只是提供动力,压缩空气。
在头车上,监控总风压力,制动缸压力,还有列车管压力。在中间车辆上,只监控制动缸压力。需要说明的是,只是在头车上设置有列车管,而列车管的作用也只是在列车需要救援的时候才使用,其他时间里,没有任何的作用。
那么也就是说,这个时候监控的对象发生了变化,直接监控,而不是间接监控,制动缸压力,同时还是独立监控。也就是说任何两个车辆间的瞬时制动缸压力可能是不同的。
说到这里该有一个结论了,以便形成一个明确的认知。
双针压力表用于显示列车车辆的特定管路的压力,并监控列车的运行状态。
被监控两个压力,通常没有逻辑关联。
在不同的情况下,货运车辆、普速客车、动车高铁,双针压力表的监控对象不同。普速列车监控的是总风管和列车管,动车高铁列车监控的是总风管和制动缸。
在普速客货列车上,总风管的压力上限是600kPa,且通常是定压,列车管的压力上限是600kPa,可以向下波动。当列车管减压时,列车处于制动状态,列车管升压时,列车处于缓解状态。列车管压力恒定时,列车处于保压状态。
在动车高铁列车上,总风管的压力上限是波动的,800kPa~950kPa之间,制动缸的压力在0kPa与设定上限压力之间,通常是600kPa,这个数据还需要核定。
由于双针表的精度的限制,这种监控只是一个示意,说明列车车辆处于一种适当的状态,但是并不精确。