CN102167026B - 一种电空双室中继阀 - Google Patents

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张礼春
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Abstract

本发明公开了一种电空双室中继阀，包括阀体、位于所述阀体中的活塞杆以及由所述活塞杆的上下运动进行控制的提升阀，所述阀体的总风入口和制动缸出口分别与所述提升阀上部的总风腔和制动缸腔连通，所述活塞杆上的活塞包括上活塞和下活塞，所述上活塞与阀体之间设有上膜板，所述下活塞与阀体之间设有下膜板，所述上膜板上方形成的压力反馈腔通过节流孔与所述制动缸腔连通，所述上膜板与下膜板之间形成的第一控制腔与所述阀体的常用预控制压力进气口连通，所述下膜板下方的第二控制腔与所述阀体的紧急预控制压力进气口连通。该中继阀性能安全可靠、灵敏度高，且制造工艺难度和制造成本相对较低。

Description

一种电空双室中继阀
技术领域
本发明涉及控制阀技术领域，特别是涉及根据空气压力指令来控制列车制动缸的充、排气，以实现制动、缓解和保压功能的中继阀。
背景技术
中继阀是铁路机车车辆电空制动控制装置中的重要气动部件，在车辆的制动过程中，首先司控器或列车控制车载装置发出列车牵引、惰行、制动等控制指令，并通过列车连线或列车网络传输指令信号，每个车辆电空制动控制装置中的电子控制部件接收到指令后根据车辆重量、电制动优先原则进行制动力计算，在计算出所需的制动缸空气压力值后，通过中继阀上安装的压力空气传感器检测当前实际制动缸空气压力值并与计算值比较，然后以电信号方式控制中继阀上安装的电磁阀，输出与计算值一致的制动缸预控先导压力值，并把此预控先导压力空气引入中继阀的一个控制腔，由中继阀对预控先导压力作出迅速、准确反应，通过活塞、活塞杆、提升阀等的作用将大量总风缸压力空气按预控先导压力上升速度及压力值送入制动执行机构---制动缸，实施空气制动。
当列车遇到非正常事故，如列车分离、列车断电时，上述车辆电空制动控制装置中的电子控制部件不能正常工作。为确保列车停车，一般设有紧急制动电磁阀和中继阀的紧急制动控制腔，紧急制动电磁阀一旦失电，便会将总风通过限压阀引入到中继阀的紧急制动控制腔作为紧急预控先导压力值，促使中继阀动作，将大量总风缸压力空气按紧急预控先导压力上升速度及压力值送入制动执行机构---制动缸，实施紧急制动。
请参考图1，图1为现有技术中一种典型的中继阀的结构示意图。
如图所示，该中继阀的工作过程如下：通入预控制压力Cv后，推动活塞5上移，首先关闭了通向制动缸的排气阀口(下橡胶阀面与排气阀座7密贴)，然后进一步打开进气阀(上方的橡胶阀面离开进气阀座8)，使制动储风缸经接口R进入中继阀的压力空气通过该开启的进气阀口、经接口C充入到单元制动缸，产生制动作用。当经过节流孔6反馈到膜板活塞5上腔C的制动缸压力与活塞下腔的Cv压力相等时，进气阀口关闭。
同样，当Cv压力排出时，活塞5在其上方的制动缸压力空气作用下向下移动，于是空气导向杆11的下橡胶阀面离开排气阀座7，排气阀口开启，使单元制动缸中的压力空气经开启的排气阀口、并通过导向杆中空通路及排气口O排入大气，从而实现缓解。
上述中继阀在一定程度上满足了列车制动的要求，但存在以下不足：
其一，其活塞下腔即是常用制动时预控制压力Cv进入的腔体，也是紧急制动时紧急预控制压力Cj进入的腔体，同一腔体兼具两项功能，因此在正常情况下，要保证常用制动预控制压力Cv和紧急制动预控制压力Cj不会同时充满活塞下腔，如果活塞下腔同时充入两种控制压力，势必会叠加而输出更大的制动缸压力C，从制动安全的角度来讲，这是车辆制动控制所不允许的，而上述中继阀并不能完全杜绝这种现象发生。
其二，中继阀是电空制动控制装置的重要部件，作为铁路车辆电空制动的重要部件，要求其具有很好的压力跟随灵敏度，而上述中继阀的膜板1由于受活塞5的约束，活动的灵活性较差，在活塞的运动中遇到的阻力较大，从而影响了活塞对腔室内压力变化的灵敏度，导致整体性能不够优良。
其三，上述中继阀的阀体一般采用铸造工艺制成，其阀体带有封闭铸造腔，并且与各阀口为一体式结构，铸造工艺有一定难度，制造成本较高。此外，由于其需要密封的提升阀和阀座的每一部件都有约束，因此需要较高的制造工艺水平，否则极易造成漏泄。
因此，如何提高中继阀的安全可靠性、灵敏度，并降低其制造工艺难度和制造成本，是本领域技术人员目前需要解决的技术问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种电空双室中继阀。该中继阀性能安全可靠、灵敏度高，且制造工艺难度和制造成本相对较低。
为了实现上述目的，本发明提供了一种电空双室中继阀，包括阀体、位于所述阀体中的活塞杆以及由所述活塞杆的上下运动进行控制的提升阀，所述活塞杆上设有活塞，所述阀体的总风入口和制动缸出口分别与所述提升阀的总风腔和制动缸腔连通，所述活塞包括上活塞和下活塞，所述上活塞与阀体之间设有上膜板，所述下活塞与阀体之间设有下膜板，所述上膜板上方形成的压力反馈腔通过节流孔与所述制动缸腔连通，所述上膜板与下膜板之间形成的第一控制腔与所述阀体的常用预控制压力进气口连通，所述下膜板下方的第二控制腔与所述阀体的紧急预控制压力进气口连通。
优选地，所述上膜板和下膜板的外边缘分别由所述阀体固定压紧密封，而内边缘处于自由可移动状态。
优选地，所述上膜板和下膜板的内边缘分别嵌套于所述上活塞和下活塞的环形沟槽中。
优选地，所述膜板具体为平板膜，其外边缘和内边缘在横截面上呈圆形。
优选地，所述上活塞和下活塞为台阶式活塞，其上台阶直径大于下台阶，所述上台阶与下台阶之间设有所述环形沟槽。
优选地，所述上活塞和下活塞的大径面积相等。
优选地，所述阀体包括依次叠置并通过螺栓连接的上阀体、中阀体和下阀盖，所述上膜板的外边缘由所述上阀体和中阀体相配合的台阶面固定压紧密封，所述下膜板的外边缘由所述中阀体和下阀盖相配合的台阶面固定压紧密封。
优选地，所述下活塞的上表面设有用于减轻活塞自重并利于压力空气充入的环形腔。
优选地，所述常用预控制压力进气口的气路上设有第一电磁阀、第二电磁阀以及压力传感器，所述第一电磁阀的进气口与所述阀体的总风入口相连通、出气口与所述第一控制腔连通，所述第二电磁阀的进气口与所述第一控制腔连通、出气口与外界连通，所述压力传感器的进气口与所述第一控制腔连通。
优选地，所述提升阀压坐在固定于所述阀体中的阀座上，并与所述阀体中的阀盖通过橡胶圈进行配合密封，其与所述阀盖、阀座构成封闭的腔室为总风腔，所述阀座下部与所述制动缸出口连通的腔室为制动缸腔。
本发明采用双膜板结构形成两个控制腔，其中一个控制腔为常作用控制腔，另一个控制腔为备用紧急控制腔，备用紧急控制腔在一般正常得电空制系统中压力为零，当系统出现严重故障常作用控制失效时，才有压力空气进入备用紧急控制腔，实施备用紧急制动，任何一个控制腔的预控压力都会激发中继阀动作，两个控制腔都有预控压力时，会按照取大原则动作而不会出现压力叠加现象，也就是说在第一控制腔和第二控制腔同时充入预控制压力时机构仅选择较大的预控压力，既保证了正常制动也不会造成输出的制动压力过大，具有很好的压力跟随灵敏度和压力稳定性，且输出压力与预控压力偏差小、无漏泄、结构简单、性能可靠。
在一种具体实施方式中，所述上膜板和下膜板的外边缘固定、内边缘处于自由状态。这种结构不但减少了固定膜板的零件，而且使膜板具有良好的灵活性，减少了活塞的运动中造成的阻力，从而增强了活塞对腔室内压力变化的灵敏度，在整体上提高了产品的性能。
在另一种具体实施方式中，所述阀体包括依次叠置并通过螺栓连接的上阀体、中阀体和下阀盖。如此，可以将阀体至少分成三大部分分别单独加工制造，由于各部分的结构得到了简化，因此可采用机加工技术来代替铸造工艺，在一定程度上降低了制造工艺难度和制造成本，且相对于铸造工艺来讲，机加工技术的精确度更高，易于实现准确配合，可有效防止漏泄现象发生。
附图说明
图1为现有技术中一种典型的中继阀的结构示意图；
图2为本发明所提供电空双室中继阀的一种具体实施方式的结构示意图；
图3为图2中所示提升阀与阀座解除密封，同时与活塞杆进行密封的局部放大示意图；
图4为图2中所示提升阀同时与阀座和活塞杆进行密封的局部放大示意图；
图5为图2中所示提升阀与活塞杆解除密封，同时与阀座进行密封的局部放大示意图；
图6为图2中所示第一控制腔和第二控制腔同时进气时，上活塞和下活塞的受力分析示意图；
图7为图2中所示下膜板在上方和下方都没有压力时的结构示意图；
图8为图2中所示下膜板在下方有压力时的结构示意图；
图9为图2中所示下膜板在上方有压力时的结构示意图；
图10为另一种具体实施方式中膜板两端均固定的结构示意图。
图1中：
1.膜板  2.安装面  3.气路板  5.活塞  6.节流孔  7.排气阀座  8.进气阀座  9.弹簧  10.K型密封圈  11.导向杆  12.阀体
图2至图10中：
10.阀体  10-1.上阀体  10-2.中阀体  10-3.下阀盖  10-4.阀盖10-5.阀座  20.活塞杆  30.活塞  30-1.上活塞  30-2.下活塞  40.提升阀  50-1.上膜板  50-2.下膜板  60.节流孔  70-1.第一电磁阀  70-2.第二电磁阀  80.压力传感器  50′.膜板  90.螺母  100.压片
具体实施方式
本发明的核心在于提供一种性能安全可靠、灵敏度高，且制造工艺难度和制造成本相对较低的电空双室中继阀。
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。
本文中的“上、下、左、右”等表示方位的用语是基于附图的位置关系，不应将其理解为对保护范围的绝对限定，“第一、第二”等用语仅是为了便于描述，以区分具有相同名称的不同组成部件，并不表示先后或主次关系。
请参考图2，图2为本发明所提供电空双室中继阀的一种具体实施方式的结构示意图。
如图所示，在一种具体实施方式中，本发明提供的电空双室中继阀主要由阀体10、活塞杆20、活塞30、提升阀40等几大部分构成。
阀体10为三层分体式结构，其上阀体10-1、中阀体10-2和下阀盖10-3自上而下依次叠置，并通过螺栓固定连接，阀体内部的上半部分为用于安装提升阀40的纵向内腔，中间部分用于安装活塞杆20，下半部分为用于安装活塞30的盘状内腔。
提升阀40压坐在阀座10-5上，并与阀盖10-4通过橡胶圈进行配合密封，其与阀盖10-4、阀座10-5构成封闭的腔室为总风腔，阀座10-5下部与制动缸出口连通的腔室为制动缸腔，上阀体10-1左侧的总风入口R经横向的第一气路与总风腔腔连通，上阀体左侧的制动缸出口BC经横向的第二气路与制动缸腔连通，并最终通向制动缸。
活塞杆20同样为空心结构，与上阀体10-1动密封配合，其上端正对提升阀40，两者处于同一纵向轴线上，提升阀40的底面上设有能够同时与阀座10-5和活塞杆20上端密封的密封垫，提升阀40的开启和关闭由活塞杆20的上下运动进行控制。
活塞30包括上活塞30-1和下活塞30-2，其中上活塞30-1与阀体之间设有上膜板50-1，下活塞30-2与阀体之间设有下膜板50-2，上膜板50-1和下膜板50-2具体为平板膜，其外边缘和内边缘在横截面上呈圆形，由耐油耐寒橡胶制成，是活动密封部件，与活塞组成后能随活塞上下运动一定行程，在活塞上下形成隔断。
上活塞30-1和下活塞30-2为台阶式活塞，其上台阶直径大于下台阶，上台阶与下台阶之间形成环形沟槽，上膜板50-1的外边缘由上阀体10-1和中阀体10-2相配合的台阶面固定压紧密封，下膜板50-2的外边缘由中阀体10-2和下阀盖10-3相配合的台阶面固定压紧密封，上膜板50-1和下膜板50-2的内边缘分别嵌套于上活塞30-1和下活塞30-2的环形沟槽中，上活塞30-1和下活塞30-2的上下面积均相等，下活塞30-2的上表面设有环形腔，上活塞30-1的下台阶套于下活塞30-2的环形腔中。
以下膜板50-2为例，其工作过程如下：当下膜板50-2上下都没有压力时(如图7所示)，其内边缘处于A1位置，可以延活塞的环形沟槽自由移动；当下膜板50-2下部有压力空气时(如图8所示)，其内边缘移动到B1位置，并且内边缘只受到F2的力压紧活塞贴近环形沟槽上面，从而实现下膜板上下两腔室间的隔离密封；当下膜板50-2上部有压力空气时(如图9所示)，其内边缘移动到B1位置，并且内边缘只受到F1的力压紧活塞贴近环形沟槽下面，从而实现下膜板50-2上下两腔室间的隔离密封；当下膜板50-2上下腔室都有压力空气时，其内边缘移动到B1位置，并且内边缘同时受到F1、F2力的作用，若两力不相等，则下膜板内边缘会在较大力的作用下贴紧环形沟槽，从而实现两腔室间的隔离密封，若两侧压力值相等即两力相等则边缘受力平衡，也就不存在密封的问题。
上述上膜板50-1和下膜板50-2的外边缘被固定压紧密封，内边缘处于自由可移动状态。这种结构不仅简单，而且能够很好的保证膜板上下两腔室之间的密封，使膜板运动的自由度更大，在同样活塞面积的前提下，能够获得更好的作用灵敏度，且膜板采用压力差密封，密封效果好而且省去了固定零件以及由此可能带来的质量问题。
当然，上膜板和下膜板也可以采用内边缘固定压紧密封而外边缘处于自由可移动状态的结构形式，同样能够实现本发明目的。
上膜板50-1上方形成的压力反馈腔C通过节流孔60与第二气路连通，上膜板50-1与下膜板50-2之间形成的第一控制腔B与阀体的常用预控制压力进气口Cv经第三气路连通，下膜板50-2下方的第二控制腔A与阀体的紧急预控制压力进气口Cj经第四气路连通。
常用预控制压力由第一电磁阀70-1、第二电磁阀70-2以及压力传感器80的共同控制实现压力的调整，第一电磁阀70-1的进气口接于总风腔R，第一电磁阀70-1的出气口与常用控制腔连通，第二电磁阀70-2的进气口与第一电磁阀70-1的出气口连通，即亦与常用控制腔连通，第二电磁阀70-2的出气口与外界连通，压力传感器80的进气口与常用控制腔连通。
第一电磁阀70-1和第二电磁阀70-2为开关电磁阀，即电磁阀得电时接通，失电时截断，两电磁阀和压力传感器80共同作用能够实现预控制压力空气调整的功能，其工作过程为：微机制动控制装置在计算出所需的预控制压力值(假设为200kPa)，然后通过控制第一电磁阀70-1得电把总风压力空气引入第一控制腔B，压力传感器80把所测的实际预控制压力值实时反馈给微机制动控制装置以供其判断，当充入的气体压力不足(小于200kPa)时，微机制动控制装置控制第一电磁阀70-1持续得电通入总风压力空气，如果充入的气体压力过大(大于200kPa)，则控制第二电磁阀70-2得电把第一控制腔B中的压力空气排向大气，如此反复控制直到第一控制腔B内的压力达到预期值(200kPa)，然后关闭第一电磁阀70-1和第二电磁阀70-2。
下面对上述电空双室中继阀的工作过程进行说明：
1)常用制动
在整个工作过程中总风进气口R持续供给压力空气，是阀内其它部分压力空气的来源。当微机控制装置(ECU)计算出所要求提供压力空气值(例如200kPa)的电指令后，通过控制第一电磁阀70-1、第二电磁阀70-2和压力传感器80的共同作用把电指令转换成相应的空气压力值，并通过第三气路充入第一控制腔B中，然后推动上活塞30-1向上移动，使活塞杆20顶开提升阀40，使其离开阀座(如图3所示)，从而使总风进入制动缸腔，并经由第二气路通向制动缸，同时通过节流孔60进入上活塞30-1上面的压力反馈腔C，当充入的空气压力值与第一控制腔B内的空气压力值(200kPa)相同时，上活塞30-1的上下腔室都充满压力空气从而平衡(上活塞5上下面积相等且压力值相同)并下落，同时提升阀40也跟随活塞杆20下落至如图4所示的位置，封闭总风进入制动缸腔的通路，整个过程实现了一次制动，向转向架的制动缸输入压力(200kPa)。
当ECU发出缓解电指令进行缓解时，通过第二电磁阀70-2排出预控制压力空气，此时上活塞30-1下面的第一控制腔B内的压力空气排出，而上活塞30-1上面的压力反馈腔C中存有压力空气会推动上活塞30-1连带活塞杆20向下移动，从而使活塞杆20上端脱离提升阀40(如图5所示)，制动缸中的压力随即从活塞杆20和提升阀40的中空部排出，即实现了缓解的过程。
2)紧急制动
当紧急制动时，紧急预控制压力经第四气路进入下活塞30-2下部的第二控制腔A，推动下活塞30-2向上移动，当下活塞30-2与上活塞30-1接触后继续向上推动上活塞30-1，并连带活塞杆20顶开提升阀40，使提升阀40离开阀座(如图3所示)，从而使总风进入制动缸腔，并经由第二气路通向制动缸，同时通过节流孔60进入上活塞30-1上面的压力反馈腔C。当充入的空气压力值与第二控制腔A中的空气压力值相同时，使得上活塞30-1上面、下活塞30-2的下面都充满压力值相等的压力空气，从而使上活塞30-1和下活塞30-2实现平衡并下落，同时提升阀40也跟随活塞杆20下落压紧在阀座上(如图4所示)，封闭总风进入制动缸腔的通路，整个过程实现了一次制动，输出通向制动缸的压力空气。
当撤销紧急制动进行缓解时，首先排出第二控制腔A中的紧急预控制压力空气，上活塞30-1上面的压力反馈腔中存有压力空气会推动上活塞30-1连带活塞杆20向下移动，从而使活塞杆20脱离提升阀40(如图5所示)，制动缸中压力随即从活塞杆20和提升阀40的中空部排出，即实现了缓解的过程。
请参考图6，图6为图2中所示第一控制腔和第二控制腔同时进气时，上活塞和下活塞的受力分析示意图。
如图所示，在常用制动和紧急制动时，第一控制腔B和第二控制腔A不应同时充满预控制压力，如果第一控制腔B和第二控制腔A同时充入了预控制压力，从制动安全的角度考虑要避免出现两种压力叠加从而输出更大的制动缸压力，而上述产品的结构设计可避免这一现象，在同时充入预控制压力时仅选择较大的压力进行控制，既保证了正常制动也不会造成输出的制动压力过大。
下面具体分析此结构在第一控制腔B和第二控制腔A都有压力时的工作情况：
(i)假设紧急预控制压力值大于常用预控制压力值(即Cj＞Cv)，由于上下活塞的面积相等，所以FCj＞FCv，因此下活塞对上活塞有作用力，其大小为(FCj-FCv)，则上活塞在受到作用FCv时还受到下活塞对其作用力(FCj-FCv)，要使得上活塞平衡，则上活塞上面受力FBC＝FCv+(FCj-FCv)＝FCj，由此可见输出的压力为Cj和Cv中较大的Cj。
(ii)假设紧急预控制压力值小于常用预控制压力值(即Cj＜Cv)，此时下活塞对上活塞并没有作用力，则上活塞只受到FCv的作用力，因此要使得活塞平衡其上面受力FBC＝FCv，其输出的压力BC也为Cj和Cv中较大者，即Cv。
本发明所提供的电空双室中继阀能够根据空气压力指令放大输入的预控制压力流量，从而完成对制动缸压力空气的充排灵敏度、速度等过程控制及稳定值大小的控制，最终制动缸将空气压力通过活塞变为制动推力作用在车轮上实施制动减速或停车，其不完全固定的膜板在空气压力作用下易于变形，使中继阀获得较高灵敏度，结合准确的面积等关系配比使输出压力与控制压力偏差在15kPa以内。
上述中继阀所采用的膜板为平膜板，且一端固定另一端可自由移动，这种结构也可以改为两端都固定的形式，虽然结构会复杂但也可是现实相同的功能。如图10所示，膜板50′的两端都固定，相较与本产品，膜板50′内侧通过螺母90将压片100和活塞压紧从而固定膜板；另外膜板的形状也可以改为碗状或其它形状。
以上对本发明所提供的电空双室中继阀进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种电空双室中继阀，包括阀体、位于所述阀体中的活塞杆以及由所述活塞杆的上下运动进行控制的提升阀，所述活塞杆上设有活塞，所述阀体的总风入口和制动缸出口分别与所述提升阀的总风腔和制动缸腔连通，其特征在于，所述活塞包括上活塞和下活塞，所述上活塞与阀体之间设有上膜板，所述下活塞与阀体之间设有下膜板，所述上膜板上方形成的压力反馈腔通过节流孔与所述制动缸腔连通，所述上膜板与下膜板之间形成的第一控制腔与所述阀体的常用预控制压力进气口连通，所述下膜板下方的第二控制腔与所述阀体的紧急预控制压力进气口连通。
2.根据权利要求1所述的电空双室中继阀，其特征在于，所述上膜板和下膜板的外边缘分别由所述阀体固定压紧密封，而内边缘处于自由可移动状态。
3.根据权利要求2所述的电空双室中继阀，其特征在于，所述上膜板和下膜板的内边缘分别嵌套于所述上活塞和下活塞的环形沟槽中。
4.根据权利要求3所述的电空双室中继阀，其特征在于，所述膜板具体为平板膜，其外边缘和内边缘在横截面上呈圆形。
5.根据权利要求3所述的电空双室中继阀，其特征在于，所述上活塞和下活塞为台阶式活塞，其上台阶直径大于下台阶，所述上台阶与下台阶之间设有所述环形沟槽。
6.根据权利要求5所述的电空双室中继阀，其特征在于，所述上活塞和下活塞的大径面积相等。
7.根据权利要求2所述的电空双室中继阀，其特征在于，所述阀体包括依次叠置并通过螺栓连接的上阀体、中阀体和下阀盖，所述上膜板的外边缘由所述上阀体和中阀体相配合的台阶面固定压紧密封，所述下膜板的外边缘由所述中阀体和下阀盖相配合的台阶面固定压紧密封。
8.根据权利要求5所述的电空双室中继阀，其特征在于，所述下活塞的上表面设有用于减轻活塞自重并利于压力空气充入的环形腔。
9.根据权利要求1至8任一项所述的电空双室中继阀，其特征在于，所述常用预控制压力进气口的气路上设有第一电磁阀、第二电磁阀以及压力传感器，所述第一电磁阀的进气口与所述阀体的总风入口相连通、出气口与所述第一控制腔连通，所述第二电磁阀的进气口与所述第一控制腔连通、出气口与外界连通，所述压力传感器的进气口与所述第一控制腔连通。
10.根据权利要求1至8任一项所述的电空双室中继阀，其特征在于，所述提升阀压坐在固定于所述阀体中的阀座上，并与所述阀体中的阀盖通过橡胶圈进行配合密封，其与所述阀盖、阀座构成封闭的腔室为总风腔，所述阀座下部与所述制动缸出口连通的腔室为制动缸腔。
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