張新永,尹 方,曲秋芬,楊永勤,謝春杰,孟慶棟
(唐山軌道客車(chē)有限責(zé)任公司 產(chǎn)品研發(fā)中心,河北唐山063035)
鐵路制動(dòng)系統(tǒng)有著悠久的發(fā)展歷程,早期的制動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)一直采用試驗(yàn)的方法對(duì)其結(jié)構(gòu)、控制和性能等方面進(jìn)行研究和改進(jìn)。但是在現(xiàn)代列車(chē)高速及重載運(yùn)輸?shù)陌l(fā)展趨勢(shì)下,空氣制動(dòng)系統(tǒng)也越來(lái)越復(fù)雜,傳統(tǒng)的試驗(yàn)方式已經(jīng)不能滿(mǎn)足現(xiàn)狀要求,同時(shí)也會(huì)耗費(fèi)大量的人力和物力。此外,試驗(yàn)獲得的制動(dòng)性能結(jié)果也存在離散性,于是人們開(kāi)始尋求更好的方法來(lái)模擬研究,作為部分取代試驗(yàn)或作為試驗(yàn)的補(bǔ)充。計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展,氣體流動(dòng)理論的日趨成熟,為鐵路制動(dòng)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(yàn)工作,還能從整個(gè)空氣制動(dòng)系統(tǒng)的角度來(lái)研究參數(shù)對(duì)制動(dòng)性能的影響,同時(shí)還可以進(jìn)行空氣制動(dòng)性能預(yù)測(cè)。
高速動(dòng)車(chē)組制動(dòng)系統(tǒng)主要由基礎(chǔ)制動(dòng)裝置、空氣懸掛控制裝置、司機(jī)控制裝置、制動(dòng)控制系統(tǒng)(即控制單元BCU)、風(fēng)源系統(tǒng)、風(fēng)缸、列車(chē)管路等部分組成。對(duì)于制動(dòng)系統(tǒng)而言,列車(chē)分兩個(gè)相同制動(dòng)單元,每個(gè)制動(dòng)單元有4節(jié)車(chē),因此以一個(gè)制動(dòng)單元為例,如圖1所示。
圖1 高速列車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)組成部分
動(dòng)車(chē)組制動(dòng)系統(tǒng)采用減速度控制,對(duì)于不同質(zhì)量的車(chē)輛,制動(dòng)時(shí)需要的制動(dòng)力不同。車(chē)重判定通過(guò)檢測(cè)轉(zhuǎn)向架上的空氣彈簧壓力實(shí)現(xiàn)。由中繼閥產(chǎn)生的制動(dòng)壓縮空氣經(jīng)過(guò)管路和防滑排風(fēng)閥最終作用在制動(dòng)缸活塞上,同時(shí)推動(dòng)缸筒和活塞向相反的方向運(yùn)動(dòng),經(jīng)過(guò)杠桿的傳遞,并最終通過(guò)閘片和制動(dòng)盤(pán)夾緊摩擦產(chǎn)生所需的制動(dòng)力,完成制動(dòng)作用。
緊急制動(dòng)時(shí),預(yù)控制壓力不受常用制動(dòng)閥控制,來(lái)自總風(fēng)管的壓縮空氣直接經(jīng)緊急電磁閥到達(dá)空重車(chē)閥,預(yù)控制壓力只受空重車(chē)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(dāng)救援和回送時(shí),需要啟動(dòng)備用制動(dòng)。備用制動(dòng)時(shí),通過(guò)司機(jī)室中的備用制動(dòng)手柄控制列車(chē)管的充排風(fēng),控制分配閥產(chǎn)生制動(dòng)預(yù)控壓力經(jīng)過(guò)雙向閥到達(dá)中繼閥,產(chǎn)生制動(dòng)缸壓力。
依據(jù)制動(dòng)系統(tǒng)工作原理可對(duì)制動(dòng)部件分別進(jìn)行建模,再將其連接最終形成制動(dòng)系統(tǒng)模型,進(jìn)行仿真計(jì)算。
計(jì)算采用軟件LMS Imagine.Lab AMESim,基于基本元素的建模理念,將制動(dòng)系統(tǒng)中制動(dòng)控制單元、單元制動(dòng)器等復(fù)雜的氣動(dòng)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(duì)應(yīng)的模塊組合在一起,即可構(gòu)建對(duì)應(yīng)的部件子模型,將以上子模型綜合起來(lái),即可得到完整的制動(dòng)系統(tǒng)仿真模型。
本文通過(guò)選取一些典型的工況,如常用制動(dòng)的施加和緩解、緊急制動(dòng)的施加和緩解等進(jìn)行分析,對(duì)高速動(dòng)車(chē)組制動(dòng)系統(tǒng)的性能特征進(jìn)行仿真分析,如控制靈敏度、制動(dòng)缸壓力精確度、制動(dòng)輸出力、響應(yīng)時(shí)間等。
將搭建的制動(dòng)系統(tǒng)重要元件封裝后連接在一起,組成了頭車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)模型,如圖2所示。
圖2 頭車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)
搭建完成單節(jié)列車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)的前提下,根據(jù)整列車(chē)的原理圖,搭建整列車(chē)(8節(jié))制動(dòng)系統(tǒng)。
(1)整列常用制動(dòng)分析
常用制動(dòng)時(shí),7級(jí)常用制動(dòng)持續(xù)用到了4級(jí),分別是200,300,400,700kPa,持續(xù)時(shí)間分別為6,7,5,7s。經(jīng)過(guò)中繼閥計(jì)算,得到相對(duì)應(yīng)的壓力分別為160,230,310和420kPa。制動(dòng)缸的壓力和制動(dòng)力如圖3和圖4所示。由于動(dòng)車(chē)和拖車(chē)的制動(dòng)缸活塞面積不同,產(chǎn)生的制動(dòng)力不同。
圖3 常用制動(dòng)時(shí)Cv控制壓力和制動(dòng)壓力
(2)整列緊急制動(dòng)分析
緊急制動(dòng)時(shí),只需要將空電轉(zhuǎn)換閥上面的電磁閥打開(kāi),使得列車(chē)管壓力之間通往空重車(chē)閥。此時(shí)無(wú)論空電轉(zhuǎn)換閥是否起作用,制動(dòng)系統(tǒng)先導(dǎo)控制壓力完全由空重車(chē)閥調(diào)定。動(dòng)車(chē)制動(dòng)力達(dá)到了53kN,拖車(chē)制動(dòng)力達(dá)到了33kN,如圖5所示。
圖4 常用制動(dòng)時(shí)拖車(chē)制動(dòng)力和動(dòng)車(chē)制動(dòng)力
(3)整列備用制動(dòng)分析
當(dāng)空電轉(zhuǎn)換閥和緊急制動(dòng)都有故障時(shí),這時(shí)需要采用備用制動(dòng)。備用制動(dòng)工作時(shí),列車(chē)管需要迅速排風(fēng),列車(chē)管壓力迅速下降,這時(shí)DV閥迅速開(kāi)啟,風(fēng)缸R(shí)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(dòng)先導(dǎo)壓力。這時(shí)先導(dǎo)壓力由控制閥和連接在控制閥兩端的風(fēng)缸來(lái)控制。得到相應(yīng)的控制壓力480kPa,制動(dòng)壓力為370kPa,動(dòng)車(chē)制動(dòng)力和拖車(chē)制動(dòng)力分別為45kN和27kN,如圖6和圖7所示。
圖5 緊急制動(dòng)時(shí)拖車(chē)制動(dòng)力和動(dòng)車(chē)制動(dòng)力
圖6 備用制動(dòng)時(shí)Cv控制壓力和制動(dòng)壓力
圖7 備用制動(dòng)時(shí)動(dòng)車(chē)制動(dòng)力和拖車(chē)制動(dòng)力
本文對(duì)高速動(dòng)車(chē)組型高速列車(chē)制動(dòng)系統(tǒng),基于LMS Imagine.Lab AMESim建模過(guò)程進(jìn)行了詳細(xì)的介紹。
按照高速動(dòng)車(chē)組高速列車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)的原理圖搭建了列車(chē)的制動(dòng)系統(tǒng),分別進(jìn)行了常用制動(dòng)、緊急制動(dòng)和備用制動(dòng)3種工況進(jìn)行了仿真分析。仿真結(jié)果與制動(dòng)系統(tǒng)的現(xiàn)車(chē)試驗(yàn)數(shù)據(jù)基本吻合,可用于指導(dǎo)今后對(duì)于類(lèi)似高速動(dòng)車(chē)組的制動(dòng)系統(tǒng),或者是高速動(dòng)車(chē)組的制動(dòng)系統(tǒng)中功能相似的元件開(kāi)展仿真分析,提高列車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)的接口性能研究。大大縮短車(chē)輛產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)周期,降低制造成本。
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