張 雪，王俊勇

（西南交通大學機械工程學院，四川成都610031）

高速受電弓自動降弓閥研究分析

張 雪，王俊勇

（西南交通大學機械工程學院，四川成都610031）

介紹了CRH380CL型高速動車組受電弓自動降弓閥的功能、原理和結構，基于AMEsim軟件進行模擬和仿真，從仿真結果分析得出影響高速受電弓升弓時間和自動降弓閥靈敏度和穩(wěn)定性的相關因素。分析自動降弓閥設計參數(shù)和升降性能之間的關系，由此提出改進優(yōu)化高速受電弓自動降弓閥結構的設計方法。

受電弓；自動降弓閥；AMEsim；建模仿真

受電弓是安裝在車頂上的從接觸網(wǎng)獲取和傳遞電流的機械裝置。CRH380CL型動車組是我國研制的新一代16輛編組的高速動車組，其選用的受電弓采用先導閉環(huán)主動控制技術，具有可靠的穩(wěn)定性、適應性和良好的空氣動力學性能，采用的自動降弓保護系統(tǒng)可以滿足高速動車組速度300 km/h及以上的速度運營需求。以CRH380CL型高速動車組受電弓自動降弓閥為研究對象，對影響其靈敏度和穩(wěn)定性的相關因素進行深入地分析討論。

1 自動降弓閥結構及工作原理

CRH380CL型高速受電弓配有獨特的自動降弓系統(tǒng)（Automatic Dropping Device：ADD）。ADD在受電弓碳滑板受外力損壞或磨耗到期，檢測氣路產生漏氣（在規(guī)定范圍之外）時實現(xiàn)受電弓自動快速的降弓。降弓之后，如果碳滑板氣路未修復，它可以阻止受電弓進行升弓操作。該系統(tǒng)結構簡單、可靠性高、反應靈敏，正常狀態(tài)下可以使受電弓弓頭在1 s內下降200 mm以上，從而保證受電弓、動車組電氣部件和接觸網(wǎng)線路的安全。

ADD系統(tǒng)安裝在受電弓底架上，通過判斷檢測碳滑板內部氣路是否漏泄，來實現(xiàn)快速降弓功能。ADD閥的結構原理如圖1所示：

ADD閥體內部分為上下兩個腔室，來自動車組空氣壓縮機的壓縮空氣經過精細調壓閥后，分為兩路，一路向受電弓氣囊充氣，另一路進入ADD閥下腔室，同時下腔室經過帶有節(jié)流小孔的橡膠膜板向上腔體充風。上腔體輸出分兩路，一路通碳滑板檢測氣路，另一路和壓力開關連接。正常狀態(tài)下，ADD閥不動作，下腔通過節(jié)流小孔不斷的給上腔和檢測氣路供氣，保持壓力平衡，并保證產生較小的壓力波動和碳滑板少量泄露（允許范圍內）時，不會引起受電弓自動降弓。如果泄漏量大于允許范圍，由于節(jié)流孔徑非常小，下腔向上腔補風不足，導致上腔氣壓迅速下降，上下腔體產生一定的壓力差，推動膜板上移，排氣口打開，氣囊壓縮空氣排出，受電弓快速下降，使弓頭1 s內快速脫離接觸網(wǎng)200 mm以上。降弓的控制方式是隨著氣囊內的壓力空氣排空后，由重力作用實現(xiàn)的。ADD閥同時在正常的升降弓過程中也發(fā)揮著重要作用，受電弓控制單元壓力開關通過檢測上腔的壓力值來進行高低電壓的轉換，TCMS通過檢測壓力開關的狀態(tài)來監(jiān)控受電弓的狀態(tài)。該ADD閥滿足了響應時間迅速、動作靈敏等特性，具有良好的靈敏度和穩(wěn)定性要求。

2 模型建立

2.1 流量方程

為了研究氣體的流量特性，一般認為氣體通過節(jié)流孔時氣體是相對穩(wěn)定的一維流動，其流動情形與收縮噴嘴相似，用收縮噴嘴的流量特性來表示其流量特性。設氣體是絕熱流動，由理想氣體伯努利方程可得，出口處的空氣流速為：

空氣流速：

式中k為比熱比；P0、P1為節(jié)流孔下、上游壓力；ρ0為下游空氣密度。

體積流量：

式中α為流量系數(shù)；A為噴嘴出口面積。質量流量：

式中ρ1為上游空氣密度。

對于膜板，則有：

式中d0為下腔膜板有效直徑；d1為排風口直徑；d2為上腔膜板有效直徑；m為膜板質量；T0為膜板彈簧力。

對于排風縮堵，有：

式中T1為排風彈簧力。

2.2 AMEsim模型建立

AMEsim軟件提供了一個系統(tǒng)工程設計的完整平臺，可以在同一平臺上建立多學科領域系統(tǒng)的模型，基于物理模型的圖形化建模方法，可以從繁瑣的數(shù)學建模中解脫出來，專注于物理系統(tǒng)本身的設計，從而便于工程技術人員的掌握和使用。根據(jù)ADD閥結構原理，以1 dm3風缸模擬碳滑板氣路，5 dm3風缸模擬氣囊，運用氣動庫建立的ADD閥仿真模型如圖2所示。

進行模擬的參數(shù)設置按照ADD閥在高速動車組上的工況來設置，主要參數(shù)如表1所示。

3 仿真結果分析

通過對ADD閥部分相關參數(shù)進行調整，進行模擬分析，得出其仿真結果如下：

3.1 進氣口縮孔大小與升弓時間的關系

將模型中進氣口縮孔大小分別設為1.2，1.4，1.6，1.8 mm，其余保持默認設置，得出升弓時氣囊的壓力和ADD上腔壓力曲線如圖3所示。

受電弓壓力開關的工作范圍是250～300 k Pa，由圖3、圖4可以看出，受電弓升弓時間即從發(fā)出升弓命令到壓力開關常開回路閉合的時間分別為11.6，9.1，8.1，7.5 s。增大進氣口縮孔可以有效的加快氣囊壓力上升速率，從而縮短升弓時間。但是隨著進氣口縮孔的不斷增大，空氣的補風速度越來越快，氣囊壓力相對上升速率并不顯著，從而其對升弓時間的影響也越來越小。根據(jù)動車組和受電弓之間的控制協(xié)議，司機發(fā)出升弓命令之后的20 s之內動車組控制系統(tǒng)必須收到壓力開關常開回路的閉合信號，同時若受電弓的升弓時間過短會導致碳滑板和接觸網(wǎng)、上臂等機械結構受到一定的機械沖擊，縮短受電弓的使用壽命，所以進氣口縮孔孔徑一般根據(jù)情況選擇1.4 mm或者1.6 mm。通過增大進氣口縮孔的直徑可以有效的縮短升弓時間，同時不會對ADD閥的穩(wěn)定性和靈敏度等因素造成不良的影響，是高速動車組運營過程中調節(jié)升弓時間的一種可靠的方式。

3.2 節(jié)流孔直徑與升弓時間的關系

進氣口縮孔直徑為1.6 mm，將膜板節(jié)流孔直徑分別設置0.9，1.0，1.1，1.2 mm，得出ADD上腔壓力曲線如圖5所示。

受電弓的升弓時間分別為12.4，10.2，8.6，7.4 s。增大膜板節(jié)流孔直徑可以有效的縮短ADD閥內部膜板上下壓力平衡的時間，從而縮短受電弓升弓時間。隨著節(jié)流孔直徑的持續(xù)增大，其對升弓時間的影響越來越小。

3.3 節(jié)流孔直徑與臨界泄漏量之間的關系

節(jié)流孔直徑的大小是ADD閥響應靈敏度和穩(wěn)定性的重要因素，模型中以排大氣的小孔直徑大小來模擬泄漏量的大小，分別得出各節(jié)流孔達到臨界時ADD上腔壓力和泄漏量如圖6所示。

由于膜板動作是由上下腔的壓力控制的，由式（4）計算得出若使膜板動作，ADD上腔壓力最小達到282.497 k Pa，由式（3）計算得出各節(jié)流孔的最小泄漏量，對比數(shù)據(jù)如表2所示：

由圖7和表2可以看出，膜板節(jié)流孔的直徑越大，則允許的臨界最小泄漏量就會越大。在高速運行時由于受電弓機械結構的作用會導致氣囊有一定的壓力波動以及受電弓的管路連接處不可避免的會產生少量的泄漏情況，使得膜板上下要允許一定的壓差范圍，即節(jié)流孔直徑不能太小，以免誤動作發(fā)生降弓，保證ADD閥的穩(wěn)定性。同時節(jié)流孔直徑不能過大，若發(fā)生緊急情況，節(jié)流孔較大，ADD下腔的壓力空氣會迅速由節(jié)流孔補風到上腔，膜板上移量小，排風減少，靈敏度降低。所以選擇適當?shù)墓?jié)流孔直徑來同時保證靈敏度和穩(wěn)定性的要求，根據(jù)上述仿真分析，選取1 mm為宜。

3.4 排風彈簧力大小與ADD響應時間的關系

由圖3可以看出，受電弓在升弓的過程中氣囊壓力會有大概1 s的時間壓力未上升，是由于升弓初期膜板上下壓力差導致的ADD短暫排風的現(xiàn)象，由式（5）可計算出氣囊壓力需大于91 k Pa時排風縮堵才會打開，與圖中數(shù)值基本一致，所以排風彈簧的剛度和初始力的大小對縮短升弓初期壓力平衡的時間也有一定的影響。取節(jié)流孔直徑1.0 mm，當由于泄漏原因觸發(fā)自動降弓時，氣囊的壓力值變化如圖8所示。

由圖8可以看出，當ADD膜板開始動作，此時受電弓弓頭立即脫離接觸網(wǎng)，1 s內氣囊壓力迅速由335 k Pa下降到110 k Pa左右，弓頭脫離接觸網(wǎng)200 mm的時間大約是0.82 s。由于排風彈簧控制ADD的排風時間，使得弓頭迅速脫離接觸網(wǎng)的同時氣囊內保留有一定的壓力空氣，使受電弓不會出現(xiàn)較大的機械沖擊，對受電弓起到保護作用。

4 結 論

通過對CRH380CL型高速受電弓ADD閥的性能分析，可以得到以下結論：

（1）通過調節(jié)節(jié)流孔直徑可以調節(jié)升弓時間，隨著孔徑的變大影響越來越小，而且會改變閥的靈敏度和穩(wěn)定性。進氣口縮孔對升弓時間的影響隨著孔徑的變大影響逐漸減小，但不會對ADD閥的性能產生影響，所以一般通過改變進氣口縮孔大小來調節(jié)升弓時間。

（2）橡膠膜板節(jié)流孔直徑的大小是影響ADD閥功能的重要參數(shù)?？讖皆龃?，閥穩(wěn)定性會增強，但會降低閥的靈敏度，反之則情況相反。所以應選擇適當?shù)目讖酵瑫r滿足靈敏度和穩(wěn)定性的要求，孔徑一般選擇1.0 mm為宜。

（3）排風彈簧的剛度和初始力影響受電弓緊急降弓的響應時間和排風速度，保證受電弓弓頭可以在1 s內脫離接觸網(wǎng)200 mm以上。

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Research and Analysis of High-speed Pantograph Automatic Dropping Valve

ZH ANG Xue，WANG Junyong
（School of Mechanical Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031 Sichuan，China）

The function，principle and structure of the pantograph automatic dropping valve used on CRH380CL EMU is introduced.The simulation is built based on AMEsim software.From the results of simulation，the related factors of the rising time of high-speed pantograph and the sensitivity and stability of automatic dropping valve are obtained.By analysis of the relationship between each parameter and the corresponding performance of the valve，the design method of improving optimization of high-speed pantograph automatic dropping valve＇s structure is presented.

pantograph；automatic dropping valve；AMEsim；simulation

U255.2

A

10.3969/j.issn.1008－7842.2014.05.28

1008－7842（2014）05－0103－04

?）男，研究生（

2014－03－19）