魏偉 ,張長東,王存兵

(1.大連交通大學 交通運輸工程學院,遼寧 大連 116028；2.中車大連機車車輛有限公司，遼寧 大連 116022)

列車供風與用風能力仿真分析

魏偉1,張長東1,王存兵2

(1.大連交通大學 交通運輸工程學院,遼寧 大連 116028；2.中車大連機車車輛有限公司，遼寧 大連 116022)

機車供風能力是機車設計的內容之一，隨著客運列車用風裝置的增多，供風與用風的矛盾突出，出現空壓機頻繁啟動的現象，影響到空壓機壽命和列車供風能力，甚至影響列車運行安全.建立機車供風和列車用風系統(tǒng)模型，首先通過線路試驗數據，獲得列車用風數據，在實際用風條件下分析主風缸容積、空壓機排氣量和空壓機開啟壓力對空壓機啟動次數和工作時間的影響，計算結果表明：主風缸容積增加、空壓機排氣量減小和空壓機啟動壓力降低都可以減小空壓機啟動次數，并且保證列車用風.在保證空壓機啟動次數不超過30次/h條件下，給出了某一參數固定時其他兩參數選擇范圍.該研究為認識機車風源系統(tǒng)各參數影響規(guī)律，設計機車風源系統(tǒng)提供了借鑒.

列車；機車；供風能力；空氣壓縮機；制動；空氣彈簧

0 引言

隨著客運列車舒適性和安全性的提升，列車中用風裝置不斷增加，除了傳統(tǒng)的制動系統(tǒng)、機車風笛、排沙裝置用風，還有空氣彈簧、塞拉門、集便器等新式裝置使用壓縮空氣作為動力源.一方面是用風裝置種類和數目的增加，另一方面機車供風系統(tǒng)多年來基本沒有變化，主風缸、空氣壓縮機(以下簡稱空壓機)等多年來都使用相同的設計，用風裝置增加和供風裝置的無變化，出現供風與用風矛盾，最突出的問題就是空壓機頻繁啟動，空壓機頻繁起動的現象不僅出現在提速客車上，也在地鐵車輛上頻繁出現[1-2].這不僅縮短空壓機壽命，能耗增大，還會對空壓機部件產生沖擊而導致空壓機損壞，可能導致空壓機控制電路發(fā)熱造成自動開關跳、燒損等故障，甚至對行車安全帶來威脅.

國內對機車供風系統(tǒng)的研究較少，文獻[1]指出在提速客車中，兩臺空壓機同時工作仍存在供風不足問題，同時在夜間兩臺空壓機供風能力過剩，出現空壓機頻繁啟動的現象.提出用兩個控制開關分別控制兩臺空壓機，且兩臺空壓機啟動壓力保持一定差值；或將制動用風和輔助用風系統(tǒng)分離設計.文獻[3]使用仿真模型方法研究了重載列車風源充風能力，給出了主風缸容積和空壓機壓氣量對列車充風能力的影響.文獻[4]通過對城軌車輛各用風裝置用風量估算,計算出系統(tǒng)的充風時間,并用實驗驗證了方法的準確性.文獻[5]介紹了機車空壓機和總風缸的選擇方法.文獻[6]針對出口巴基斯坦機車風源系統(tǒng)選型進行了介紹.文獻[7]對高速動車組制動供風系統(tǒng)進行了仿真與分析.文獻[8]分析了空壓機排氣量、機車總風缸容積及列車制動系統(tǒng)的泄露對列車充氣時間的影響.文獻[9]針對時速250 km/h動車組空壓機選型給出了建議.文獻[10]針對高原列車供風能力進行了理論與實驗研究.許多研究者對風源系統(tǒng)開展了研究，但是多數研究都是基于靜態(tài)分析，本文提出基于試驗結果的動態(tài)分析方法，研究各參數對列車供風能力的影響，并針對空壓機頻繁起動的問題，給出參數選擇范圍.

本文首先建立了列車供風及用風系統(tǒng)模型，開發(fā)了對應的基于氣體流動的仿真程序.首先根據試驗結果確定客運列車的用風量，在與試驗相同用風量的前提下，分析了主風缸容積、空壓機開啟壓力、空壓機排氣量對空壓機啟動次數的影響，最終給出供風系統(tǒng)合理參數范圍.

1 列車供風與用風系統(tǒng)模型

機車供風系統(tǒng)由兩臺空壓機、兩個主風缸及連接管路組成.兩個主風缸分別向列車制動系統(tǒng)和其它用風裝置供風，兩個主風缸通過管路相連.空壓機提供風源系統(tǒng)用風.在用風系統(tǒng)中，每個車輛的塞拉門、空氣彈簧、集便器，制動系統(tǒng)都獨立用風，并且每個車輛的用風具有不同時性和不同量性，因此對每個車輛用風獨立模型化難度較大，同時也沒有這個必要，因為對應于風源系統(tǒng)，主要考察的是所有用風裝置用風總量，因此用風系統(tǒng)采用集成化模型.為此將列車用風裝置模型化為兩個壓力容器，一個壓力容器主要代表制動系統(tǒng)，另一個壓力容器代表其它用風裝置.列車供風及用風系統(tǒng)共模型化為四個壓力容器，兩臺空壓機，系統(tǒng)模型如圖1所示，模型中還包含了各壓力容器間的連接管.圖中V1、V2是主風缸，V3、V4代表用風裝置.

圖1 列車風源與用風系統(tǒng)模型簡圖

在列車壓縮空氣系統(tǒng)中，假定管路內氣體流動為有摩擦、非等熵不定常流動，根據氣體流動質量守恒、動量守恒和能量守恒，得出管路內氣體流動方程如下：

(1)

其中，u為氣體流速，ρ為氣體密度，p為氣體壓力，F為管路橫截面積，a是聲速，f是管內壁摩擦系數，k是比熱比，D為直徑，t為時間，x為距離.

在計算氣體流動過程中，管路內部氣體流動都可以通過上述方程求解，但是對于邊界點，例如管路和缸交界處，需要引入管路與缸連接邊界方程，本模型中管路與缸連接采用下述方程：

(2)

(3)

其中,下標c代表管路與缸連接處，p代表管路，φ為連接處面積比，U是無量綱流速.

流入流出缸的氣體流率：

(4)

對于V1缸，流入氣體有空壓機氣體，流出氣體有流入V2和V3的氣體；對于V2缸流入氣體來自于V1缸，流出氣體為流向V4缸的氣體.

空壓機模型化為具有固定質量流率的風源，質量流率計算如下：

(5)

式中：w為空壓機排氣量，m3/min；P為空壓機工作壓力，kPa；ψ為進氣系數，此值根據試驗值確定；AA為氣體熵值.

在步長為Δt時間內，由空壓機流入主風缸的氣體流量為：

(6)

n為空壓機啟動個數.

根據氣體動力學原理，編制了氣體流動仿真程序，該仿真系統(tǒng)動態(tài)分析空壓機-主風缸-用風系統(tǒng)的各種參數的影響，可用于分析各缸管容積、初壓力，空壓機壓縮量、開啟關閉壓力等各種參數對空壓機工作狀態(tài)的影響.

2 列車用風量確定

2.1空壓機充風能力

在仿真模型中，進氣是空壓機工作能力，排氣是列車用風能力.在確定列車用風能力以前，首先需要確定空壓機進氣能力，為此，使用列車主風缸從0充氣到900 kPa的現車試驗結果，模型中設置主風缸容積與試驗機車相同，空壓機排氣量與空壓機標牌數值相同，通過模型參數的改變，調整模型中主風缸充氣能力，最終確定是式(5)中空壓機進氣系數.

從圖2中可以看出，一臺空壓機向主風缸充氣，主風缸壓力由0 kPa上升至900 kPa試驗所用時間為371 s，仿真所用時間為391 s，仿真曲線和試驗曲線基本吻合.

圖2 主風缸初空氣壓強曲線

2.2列車用風量確定

在空壓機充氣能力確定后，仿真系統(tǒng)參數中僅有一個列車用風能力是待求值了.可以通過試驗數據，調整仿真模型中用風風缸的排氣面積，最終得到與試驗曲線相近的仿真結果，此時對應的模型中排氣面積就可以理解為與試驗對應的列車用風量的描述.圖3是試驗和仿真的列車供風裝置動態(tài)過程對比圖.圖中選取了用風量較大時的1個小時的試驗數據.

圖3可以看出，主風缸壓強變化、空壓機工作時間、空壓機工作個數都與試驗吻合較好，這說明已經找到真實列車用風能力的描述方式.

圖3 主風缸壓強及空壓機啟動次數試驗與仿真對比曲線圖

在一個小時內，空壓機共啟動44次，每次啟動幾乎都是兩臺空壓機同時工作，這一個小時內空壓機平均開啟壓力為788 kPa；空壓機工作時間試驗值為1 672 s，占總時間的46.4%，空壓機工作時間仿真值為1 753 s,誤差為4.87%.

螺桿式空壓機要求啟動次數不大于30次/h，該試驗結果顯然不滿足上述要求，為了使空壓機工作次數滿足要求并確保空壓機工作率盡可能高，首先確定影響空壓機工作時間和工作次數的機車風源系統(tǒng)參數，分析這些參數變化對空壓機工作時間和工作次數的影響趨勢，然后對空壓機工作參數進行優(yōu)選.

3 機車風源系統(tǒng)參數影響

機車風源系統(tǒng)主要參數有主風缸容積、空壓機開啟壓力、空壓機排氣量.這些參數對空壓機工作次數和空壓機工作時間有一定的影響，為此在仿真程序中以上述試驗獲得的列車用風為基本需求，以主風缸容積、空壓機開啟壓力、空壓機排氣量為可變參數，研究這些參數對空壓機工作次數和工作時間的影響.在仿真計算中，根據機車設計參數和實測參數，兩個主風缸分別為600 L，空壓機排氣量為2.4 m3/min，空壓機雙機啟動壓力為788 kPa.以此為基本參數分析各參數的影響.

3.1主風缸容積對空壓機工作參數的影響

選取主風缸容積為變量，在原容積上分別增加10%、20%、30%、40%，將列車試驗得到的真實用風使用兩個用風風缸的排氣面積描述，即與試驗用風量一致的條件下，利用仿真程序計算空壓機工作時間和啟動次數，如表1所示.

表1 空壓機工作時間和啟動次數

主風缸容積對空壓機工作時間和啟動次數的影響如圖4所示.從圖中可以看出當主風缸容積增大時，空壓機工作次數減小，在計算主風缸容積變化范圍內，并沒有使空壓機每小時啟停次數降低在30次/h以下.因為主風缸容積涉及到機車空間布置問題，主風缸容積不能無限增大，因此僅調整主風缸容積滿足標準要求方案不可行，必須在幾個參數間協調調整才能滿足標準要求.從空壓機工作時間看，主風缸容積變化后，空壓機工作時間變化不大，最多相差約13 s，因此改變主風缸容積不會對空壓機工作時間帶來不利影響.

圖4 主風缸容積對空壓機工作次數影響

3.2空壓機開啟壓力對空壓機工作參數的影響

將現在列車空壓機開啟壓力設置為基準，將空壓機雙機開啟壓力分別減小2%、4%、6%、8%，利用仿真程序計算空壓機工作時間和啟停次數.計算結果空壓機工作次數分別為44、41、36、32次，如圖5所示，工作時間分別為1738.2、1742.6、1 745.5、1 750.3 s.從圖中可以看出當空壓機開啟壓力減小時，空壓機工作次數明顯減小.這說明空壓機啟動壓力太大，并不利于減少空壓機啟停次數，但是如果空壓機啟動壓力太小，可能會出現主風缸壓力過低的情況，從仿真結果看，當空壓機啟動壓力減小8%后(725 kPa)，主風缸最低壓力為725 kPa，足以保證列車用風系統(tǒng)的用風壓力.

圖5 空壓機開啟壓力對啟停次數影響

3.3空壓機排氣量對工作參數的影響

將空壓機排氣量在原排氣量基礎上分別減小5%、10%、15%、20%，計算空壓機工作次數分別為44、44、42、39次，空壓機工作次數隨排氣量變化如圖6所示，從圖中可以看出空壓機排氣量減小時，空壓機工作次數減少，但是減少的幅度并不大.4種方案對應的空壓機工作時間分別為1839.7、1 939.4、2 052.9、2 187.4 s.從空壓機排氣量對工作時間影響看,排氣量越小,工作時間越長，從本計算范圍看，當空壓機排氣量減小20%后，空壓機工作時間增加18.9%.

圖6 空壓機排氣量對工作次數影響

以上所有計算中，主風缸最低壓力都是設定的空壓機雙機啟動壓力，沒有發(fā)現在空壓機啟動后主風缸壓力繼續(xù)下降的現象.由此可以得出，上述的壓力設定，均能滿足列車用風需求，不會出現因為列車用風需求過大，主風缸壓力過低的現象.

4 空壓機工作參數設計空間

當得到以上三個重要參數對空壓機啟動次數影響后，對現有列車中參數進一步修正以獲得滿足要求的空壓機啟停次數.為此將現有列車實際參數作為基本參數，通過改變其中一個參數，獲得空壓機啟動次數為30 次/h的邊界區(qū)域，進而尋找到在現有列車參數條件下修改某一個參數就能夠獲得滿足標準的設計區(qū)間.

當機車主風缸總容積為1 200 L時，調整雙空壓機啟動壓力和空壓機排氣量，得到空壓機工作次數的曲線如圖7所示.圖7中陰影部分為空壓機啟停滿足30 次/h需求.由圖可知，在空壓機啟停次數一定的情況下，空壓機排氣量增加，則需要對應的開啟壓力降低，反之則需要空壓機開啟壓力增加.因此針對試驗測得的空壓機啟動次數太高的現象，可以通過降低空壓機啟動壓力的方法解決.按現有機車主風缸和空壓機參數，如果不設單機啟動，僅設置雙機同時啟動壓力，則啟動壓力不得高于710 kPa.如果雙機啟動壓力設置在750kPa，空壓機排氣量則不得高于2.0 m3/min.圖8是空壓機雙機啟動壓力為788 kPa時(實測客運列車雙機啟動壓力)，空壓機排氣量和主風缸容積對空壓機啟停次數的影響.圖中陰影部分是空壓機滿足啟動30 次/h條件的可行區(qū)域.由圖可以看出，隨著主風缸容積增加，空壓機的排氣量許用范圍在不斷增大.例如當主風缸容積由1 400 L增加到1 800 L時，空壓機排氣量最大值從1.95增加到2.2 m3/min.

圖7 空壓機排氣量和開啟壓力對啟停次數影響

圖8 空壓機排氣量主風缸容積對空壓機啟動次數影響

圖9為空壓機排氣量(2.4 m3/min)固定情況下，空壓機開啟壓力和主風缸容積對空壓機啟停次數的影響.由圖可知，當主風缸容積增加時，空壓機開啟壓力許用范圍增加，對開啟壓力要求更低.由圖中可以查的，如果主風缸容積為1 400 L，那么雙機啟動壓力不得高于740 kPa.如果主風缸容積為1 600 L，空壓機啟動壓力不得高于755 kPa大主風缸容積時，開啟壓力范圍可以更大.

圖9 壓縮機開啟壓力和主風缸容積對空壓機啟停次數的影響

5 結論

本文建立基于氣體流動理論的機車風源系統(tǒng)和列車用風系統(tǒng)模型，首先根據客車線路試驗數據確定列車用風量，在此基礎上，分析了主風缸容積、空壓機開啟壓力、空壓機排氣量對空壓機啟停次數的影響，并根據現車數據，給出了各種參數選擇空間，得出如下結論：

(1)增大主風缸容積或者減小空壓機開啟壓力可以明顯減少空壓機工作次數，并且對空壓機工作時間沒有太大影響；

(2)空壓機排氣量減小將使空壓機工作時間增加，空壓機啟動次數略有減少；

(3)在主風缸容積和空壓機排氣量確定情況下，可以通過降低空壓機開啟壓力的方法降低空壓機啟動次數；

(4)空壓機排氣量和開啟壓力對空壓機啟動次數影響具有相反的作用，當排氣量增加時需要對應減小啟動壓力，當排氣量減小時可以適當增加啟動壓力以保證空壓機啟動次數滿足要求；

(5)在保證空壓機啟動次數一定的條件下，增加主風缸容積，空壓機排氣量或者開啟壓力許用范圍增大.

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SimulationResearchonTrain′sCompressedAirSupplyandConsumptionAbility

WEI Wei1, ZHANG Changdong1, WANG Chunbing2

(1.School of Traffic and Transportation Engineering, Dalian Jiaotong University, Dalian 116028, China; 2. CRRC Dalian Co., Ltd, Dalian 116022, China)

The frequent starting of air compressor influences the fatigue life of air compressor and the air supply ability, even damages the safety of train running. The locomotive air supply and train air consumption system model was established. First, the train air consumption data were obtained from train in-site experiment. Under the actual conditions of air consumption of the train, the influences of the volume of main reservoir, the capacity of air compressor and the opening pressure of air compressor on opening times and working time of air compressor were analyzed. It shows the increasing in volume of main cylinder, decreasing of capacity of air compressor and decreasing opening pressure will reduce the opening times of air compressor and can meet the demand of train air consumption. In order to ensure that the starting of air compressor is not more than 30 times/h, the feasible ranges of the two parameters are given when one parameter is fixed.

train; locomotive; air supply ability; air compressor; air brake; air spring

1673- 9590(2017)06- 0019- 06

2017-01-13

中國鐵路總公司科技開發(fā)計劃資助項目(2015J007-0)

魏偉(1963-)，男，教授，博士，主要從事列車空氣制動與縱向動力學的研究

E-mailweiwei43@163.com.

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