張新永,尹 方,曲秋芬,楊永勤,謝春杰,孟慶棟
(唐山軌道客車有限責(zé)任公司 產(chǎn)品研發(fā)中心,河北唐山063035)
鐵路制動系統(tǒng)有著悠久的發(fā)展歷程,早期的制動系統(tǒng)設(shè)計一直采用試驗的方法對其結(jié)構(gòu)、控制和性能等方面進行研究和改進。但是在現(xiàn)代列車高速及重載運輸?shù)陌l(fā)展趨勢下,空氣制動系統(tǒng)也越來越復(fù)雜,傳統(tǒng)的試驗方式已經(jīng)不能滿足現(xiàn)狀要求,同時也會耗費大量的人力和物力。此外,試驗獲得的制動性能結(jié)果也存在離散性,于是人們開始尋求更好的方法來模擬研究,作為部分取代試驗或作為試驗的補充。計算機技術(shù)的快速發(fā)展,氣體流動理論的日趨成熟,為鐵路制動系統(tǒng)數(shù)值模擬研究創(chuàng)造了良好的條件。數(shù)值模擬研究不僅能模擬試驗工作,還能從整個空氣制動系統(tǒng)的角度來研究參數(shù)對制動性能的影響,同時還可以進行空氣制動性能預(yù)測。
高速動車組制動系統(tǒng)主要由基礎(chǔ)制動裝置、空氣懸掛控制裝置、司機控制裝置、制動控制系統(tǒng)(即控制單元BCU)、風(fēng)源系統(tǒng)、風(fēng)缸、列車管路等部分組成。對于制動系統(tǒng)而言,列車分兩個相同制動單元,每個制動單元有4節(jié)車,因此以一個制動單元為例,如圖1所示。
圖1 高速列車制動系統(tǒng)組成部分
動車組制動系統(tǒng)采用減速度控制,對于不同質(zhì)量的車輛,制動時需要的制動力不同。車重判定通過檢測轉(zhuǎn)向架上的空氣彈簧壓力實現(xiàn)。由中繼閥產(chǎn)生的制動壓縮空氣經(jīng)過管路和防滑排風(fēng)閥最終作用在制動缸活塞上,同時推動缸筒和活塞向相反的方向運動,經(jīng)過杠桿的傳遞,并最終通過閘片和制動盤夾緊摩擦產(chǎn)生所需的制動力,完成制動作用。
緊急制動時,預(yù)控制壓力不受常用制動閥控制,來自總風(fēng)管的壓縮空氣直接經(jīng)緊急電磁閥到達空重車閥,預(yù)控制壓力只受空重車調(diào)整閥控制,使之與空氣彈簧的壓力即載荷情況相適合。
當救援和回送時,需要啟動備用制動。備用制動時,通過司機室中的備用制動手柄控制列車管的充排風(fēng),控制分配閥產(chǎn)生制動預(yù)控壓力經(jīng)過雙向閥到達中繼閥,產(chǎn)生制動缸壓力。
依據(jù)制動系統(tǒng)工作原理可對制動部件分別進行建模,再將其連接最終形成制動系統(tǒng)模型,進行仿真計算。
計算采用軟件LMS Imagine.Lab AMESim,基于基本元素的建模理念,將制動系統(tǒng)中制動控制單元、單元制動器等復(fù)雜的氣動部件分解為各種不同的基本結(jié)構(gòu)單元,如節(jié)流孔、活塞、容腔、質(zhì)量塊等,再按照一定的邏輯關(guān)系將對應(yīng)的模塊組合在一起,即可構(gòu)建對應(yīng)的部件子模型,將以上子模型綜合起來,即可得到完整的制動系統(tǒng)仿真模型。
本文通過選取一些典型的工況,如常用制動的施加和緩解、緊急制動的施加和緩解等進行分析,對高速動車組制動系統(tǒng)的性能特征進行仿真分析,如控制靈敏度、制動缸壓力精確度、制動輸出力、響應(yīng)時間等。
將搭建的制動系統(tǒng)重要元件封裝后連接在一起,組成了頭車制動系統(tǒng)模型,如圖2所示。
圖2 頭車制動系統(tǒng)
搭建完成單節(jié)列車制動系統(tǒng)的前提下,根據(jù)整列車的原理圖,搭建整列車(8節(jié))制動系統(tǒng)。
(1)整列常用制動分析
常用制動時,7級常用制動持續(xù)用到了4級,分別是200,300,400,700kPa,持續(xù)時間分別為6,7,5,7s。經(jīng)過中繼閥計算,得到相對應(yīng)的壓力分別為160,230,310和420kPa。制動缸的壓力和制動力如圖3和圖4所示。由于動車和拖車的制動缸活塞面積不同,產(chǎn)生的制動力不同。
圖3 常用制動時Cv控制壓力和制動壓力
(2)整列緊急制動分析
緊急制動時,只需要將空電轉(zhuǎn)換閥上面的電磁閥打開,使得列車管壓力之間通往空重車閥。此時無論空電轉(zhuǎn)換閥是否起作用,制動系統(tǒng)先導(dǎo)控制壓力完全由空重車閥調(diào)定。動車制動力達到了53kN,拖車制動力達到了33kN,如圖5所示。
圖4 常用制動時拖車制動力和動車制動力
(3)整列備用制動分析
當空電轉(zhuǎn)換閥和緊急制動都有故障時,這時需要采用備用制動。備用制動工作時,列車管需要迅速排風(fēng),列車管壓力迅速下降,這時DV閥迅速開啟,風(fēng)缸R和風(fēng)缸Cv連通,控制閥將現(xiàn)有風(fēng)缸的壓力轉(zhuǎn)化為制動先導(dǎo)壓力。這時先導(dǎo)壓力由控制閥和連接在控制閥兩端的風(fēng)缸來控制。得到相應(yīng)的控制壓力480kPa,制動壓力為370kPa,動車制動力和拖車制動力分別為45kN和27kN,如圖6和圖7所示。
圖5 緊急制動時拖車制動力和動車制動力
圖6 備用制動時Cv控制壓力和制動壓力
圖7 備用制動時動車制動力和拖車制動力
本文對高速動車組型高速列車制動系統(tǒng),基于LMS Imagine.Lab AMESim建模過程進行了詳細的介紹。
按照高速動車組高速列車制動系統(tǒng)的原理圖搭建了列車的制動系統(tǒng),分別進行了常用制動、緊急制動和備用制動3種工況進行了仿真分析。仿真結(jié)果與制動系統(tǒng)的現(xiàn)車試驗數(shù)據(jù)基本吻合,可用于指導(dǎo)今后對于類似高速動車組的制動系統(tǒng),或者是高速動車組的制動系統(tǒng)中功能相似的元件開展仿真分析,提高列車制動系統(tǒng)的接口性能研究。大大縮短車輛產(chǎn)品的開發(fā)周期,降低制造成本。
[1]付永領(lǐng),齊海濤.LMS Imagine.Lab AMESim系統(tǒng)建模和仿真實例教程[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2011.
[2]付永領(lǐng),祁曉野.LMS Imagine.Lab AMESim系統(tǒng)建模和仿真參考手冊[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2011.
[3]張 莢,龔禮華.現(xiàn)代計算機仿真技術(shù)[J].達縣師范高等專科學(xué)校學(xué)報,2000,10(2):64-66.