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        流體阻尼制動(dòng)器原理及仿真

        2020-03-23 06:35:30
        鐵道機(jī)車(chē)車(chē)輛 2020年1期
        關(guān)鍵詞:偏心輪節(jié)流閥阻尼力

        史 炎

        西南交通大學(xué) 牽引動(dòng)力國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 成都 610031)

        列車(chē)制動(dòng)方式可以分為空氣制動(dòng)和電氣制動(dòng)兩大類(lèi),其中空氣制動(dòng)的源動(dòng)力是壓縮空氣,比較典型的有閘瓦制動(dòng)和盤(pán)形制動(dòng),最終的制動(dòng)方式是摩擦制動(dòng);而電氣制動(dòng)的源動(dòng)力來(lái)自于電力,常見(jiàn)的有動(dòng)力制動(dòng)和電磁制動(dòng)。正在修建的川藏鐵路山高路陡,長(zhǎng)大下坡道眾多,對(duì)現(xiàn)有的制動(dòng)方式將是一個(gè)巨大的考驗(yàn)??諝庵苿?dòng)的耐久性不強(qiáng),連續(xù)制動(dòng)很容易引起剎車(chē)件溫度急劇升高造成剎車(chē)疲軟、剎車(chē)片迅速磨損。為此,筆者設(shè)計(jì)了一種利用流體阻尼產(chǎn)生制動(dòng)力的液壓制動(dòng)器,增加了一種機(jī)械制動(dòng)方式,彌補(bǔ)了摩擦制動(dòng)的不足。

        1 液壓制動(dòng)器

        1.1 原理

        液壓制動(dòng)器原理如圖1所示,裝滿(mǎn)油液的容器S1、S2相通,兩個(gè)容器的活塞AB、CD之間嵌入偏心輪,不論偏心輪旋轉(zhuǎn)到任何位置,活塞AB、CD之間的距離恒定為偏心輪的直徑2R。因此,同一時(shí)刻,排出(流入)容器S1的油液體積等于流入(排出)容器S2的油液體積,因此偏心輪能持續(xù)旋轉(zhuǎn)。若在容器S1、S2的連通管中設(shè)置小孔,油液往復(fù)流過(guò)小孔則會(huì)產(chǎn)生指向偏心輪圓心的阻尼力,偏心輪旋轉(zhuǎn)一周受到兩組相位相差180°的阻尼力作用。

        根據(jù)圖1列出活塞速度:

        vp=eωcosωt

        (1)

        vp為活塞速度,m/s;ω為車(chē)輪轉(zhuǎn)速,rad/s;e為偏心距,m。

        為了增大制動(dòng)力同時(shí)減小總阻尼力的波動(dòng),采用兩副液壓制動(dòng)器,如圖2所示,每副液壓缸安裝座固定在構(gòu)架上。偏心輪每轉(zhuǎn)一周產(chǎn)生4個(gè)阻尼力峰值,鄰峰相差90°。每副液壓缸的節(jié)流孔面積通過(guò)電磁節(jié)流閥控制。

        圖1 液壓制動(dòng)器原理

        圖2 液壓制動(dòng)器安裝示意圖

        1.2 油液阻尼力

        在活塞的驅(qū)動(dòng)下,相通液壓缸內(nèi)的油液反復(fù)通過(guò)電磁節(jié)流閥控制的小孔,其原理與液壓減振器相同[1]。根據(jù)流體力學(xué)中的伯努利方程,通過(guò)電磁節(jié)流閥后油液產(chǎn)生壓力降:

        (2)

        作用在活塞上的阻尼力:

        (3)

        F為阻尼力,N;Ω為活塞截面積,m2;γ為油液密度,kg/m3;A為溢流孔面積,m2;Q為流經(jīng)電磁節(jié)流閥的流量,m3/s;Cq為流量系數(shù)。

        式(2)~式(3)表明要保持阻尼力F不變,要控制流量Q恒定。

        用車(chē)輪轉(zhuǎn)速代替活塞速度,式(3)改寫(xiě)為:

        (4)

        其中

        2 模 型

        在SIMPACK中建立仿真模型,模型包含一個(gè)車(chē)體及兩個(gè)轉(zhuǎn)向架,如圖3所示,仿真參數(shù)見(jiàn)表1。假設(shè)轉(zhuǎn)向架一個(gè)軸裝備電機(jī),另一個(gè)軸裝備液壓制動(dòng)器,車(chē)輛受到的制動(dòng)力由兩個(gè)液壓制動(dòng)器提供。

        表1 主要仿真參數(shù)

        圖3 動(dòng)力學(xué)模型

        制動(dòng)過(guò)程中按F=ma控制溢流孔面積,由式(4)得到:

        (5)

        a為車(chē)輛加速度,m·s-2

        總阻尼力對(duì)車(chē)輛產(chǎn)生的制動(dòng)力T:

        (6)

        將式(1)、式(4)、式(5)、式(6)輸入SIMPACK中的函數(shù)表達(dá)中,Kinematics一欄的VX、AY、WY函數(shù)可以實(shí)時(shí)獲得公式中涉及的各個(gè)體的速度、轉(zhuǎn)角和角速度信息。作用力使用5號(hào)力元,在5號(hào)力元Fx表達(dá)式里選擇公式(6)。

        干燥軌面狀態(tài)下,高速列車(chē)黏著系數(shù)μ與車(chē)速v的關(guān)系按下式計(jì)算:

        3 仿真計(jì)算

        3.1 緊急制動(dòng)

        高鐵線(xiàn)路經(jīng)過(guò)的中東部地區(qū)地震帶較多,僅京滬高鐵就有4條較大地震帶。為保證行車(chē)安全,在這些線(xiàn)路附近設(shè)置了預(yù)警系統(tǒng),能提前50 s發(fā)出警報(bào)。有研究表明,當(dāng)車(chē)速超過(guò)200 km/h時(shí),較小的震動(dòng)也會(huì)導(dǎo)致列車(chē)脫軌甚至傾覆,造成車(chē)毀人亡的重大事故[2]。由于摩擦制動(dòng)力大小不可控,電制動(dòng)力與摩擦制動(dòng)力的分配比例不確定,高速列車(chē)緊急制動(dòng)一般單獨(dú)使用機(jī)械制動(dòng),這會(huì)造成閘片和制動(dòng)盤(pán)的急劇磨損。

        車(chē)輛緊急制動(dòng)工況下,車(chē)輛初速3 00 km/h,減速度0.6 m/s2,50 s內(nèi)車(chē)速變化如圖4所示。車(chē)輛終速為190.0 km/h,低于臨界值200 km/h。單軸制動(dòng)力達(dá)到14.7 kN,已接近輪軌黏著力上限15.7 kN。

        圖4 車(chē)輛緊急制動(dòng)工況下速度變化

        每個(gè)液壓缸的壓力按諧波變化,圖5截取了0.1 s數(shù)據(jù)分析。減速度0.6 m/s2時(shí),單缸最大壓力2.8 MPa,遠(yuǎn)低于活塞發(fā)動(dòng)機(jī)的暴發(fā)壓力6.0 MPa,液壓缸可以借鑒活塞發(fā)動(dòng)機(jī)的密封方式。

        因?yàn)檐?chē)速是被動(dòng)量不宜作為電磁節(jié)流閥的控制參數(shù)使用,用時(shí)間做自變量很容易實(shí)現(xiàn)變量控制,用時(shí)間表示節(jié)流孔面積變化,節(jié)流孔面積A隨時(shí)間t線(xiàn)性變化,可表示為式(7)

        A=400-3.0t

        (7)

        因此用電磁節(jié)流閥按式(7)控制節(jié)流孔面積就能實(shí)現(xiàn)緊急制動(dòng)。

        圖5 單缸壓力曲線(xiàn)

        3.2 常規(guī)制動(dòng)

        CRH2型動(dòng)車(chē)組的7N常規(guī)制動(dòng)目標(biāo)減速度特性曲線(xiàn)由3段直線(xiàn)組成[3],0~70 km/h減速度為常數(shù),70~118 km/h和118~300 km/h減速度為速度的一次函數(shù)。7N制動(dòng)曲線(xiàn)的減速度3個(gè)拐點(diǎn)值分別是0.747 m/s2、0.619 m/s2、0.365 m/s2,見(jiàn)圖6。按7N制動(dòng)模式計(jì)算,將式(5)中的加速度a與車(chē)速v建立如式(8)的關(guān)系,分段代入SIMPACK中計(jì)算。

        (8)

        圖6 常規(guī)制動(dòng)加速度變化

        如圖6所示,仿真計(jì)算加速度曲線(xiàn)與7N制動(dòng)模式比較吻合。受7N制動(dòng)模式分段加速度的限制,總制動(dòng)力隨速度遞減而遞增,如圖7所示。如圖8所示節(jié)流孔面積遞減,曲線(xiàn)擬合式(9)表明節(jié)流孔面積與時(shí)間是線(xiàn)性關(guān)系。

        A=511.2-3.45t

        (9)

        圖7 總制動(dòng)力曲線(xiàn)

        圖8 節(jié)流孔面積變化

        3.3 長(zhǎng)大下坡道限速制動(dòng)

        長(zhǎng)大下坡道為線(xiàn)路坡度超過(guò)6‰,長(zhǎng)度為8 km及以上;線(xiàn)路坡度超過(guò)12‰,長(zhǎng)度為5 km及以上;線(xiàn)路坡度超過(guò)20%,長(zhǎng)度為2 km及以上。按12‰坡度計(jì)算,為簡(jiǎn)化計(jì)算,在車(chē)體中心施加一個(gè)與重力縱向分量53 514.2 kN 相等的牽引力模擬下坡工況。

        車(chē)輛下坡速度200 km/h,選擇兩種減速度0.7 m/s2、1.0 m/s2對(duì)車(chē)輛限速制動(dòng),結(jié)果如圖9~圖11所示。當(dāng)減速度0.7 m/s2時(shí),55 s后降到60 km/h的安全速度;78.3 s后車(chē)停止,制動(dòng)距離2.2 km。當(dāng)減速度1.0 m/s2時(shí),33.8 s后降到60 km/h的安全速度;55.5 s后車(chē)停止,制動(dòng)距離1.5 km。

        圖11表明節(jié)流孔面積隨時(shí)間線(xiàn)性變化,同樣可列出以下兩種減速度下的節(jié)流孔面積變化公式。兩種工況節(jié)流孔初始面積都比緊急制動(dòng)時(shí)的小,這是因?yàn)殚L(zhǎng)大下坡道制動(dòng)要額外增加阻尼力克服重力分量作的功。

        A-0.7=154.96-1.98t

        A-1.0=143.88-2.58t

        節(jié)流孔徑保持在40 mm時(shí)液壓缸壓力為0.2 MPa,不會(huì)影響車(chē)輛正常運(yùn)行。孔徑不容易控制,如果將孔改成縫隙,縫隙寬度恒定,控制面積變化簡(jiǎn)化為只控制長(zhǎng)度變化。具體做法是:按減速度對(duì)應(yīng)的縫隙面積,電磁節(jié)流閥打開(kāi)相應(yīng)的縫隙長(zhǎng)度,并按預(yù)訂的斜率減小縫隙的長(zhǎng)度。

        圖9 速度變化曲線(xiàn)

        圖10 制動(dòng)距離-車(chē)速關(guān)系

        圖11 節(jié)流孔面積-時(shí)間關(guān)系

        4 結(jié) 論

        通過(guò)分析制動(dòng)工況車(chē)輛動(dòng)力學(xué)性能可知,液壓制動(dòng)器適合緊急制動(dòng)、常規(guī)制動(dòng)、長(zhǎng)大下坡道限速。不論哪種制動(dòng)工況,節(jié)流孔面積都能表達(dá)為時(shí)間的線(xiàn)性函數(shù),只需簡(jiǎn)單地按時(shí)間控制阻尼孔的面積就能滿(mǎn)足設(shè)定制動(dòng)工況要求。由于能精確控制液體阻尼力,可以與電制動(dòng)共同進(jìn)行緊急制動(dòng)從而減小液壓制動(dòng)器的負(fù)擔(dān)。除了流體運(yùn)動(dòng)摩擦發(fā)熱不會(huì)有其他損失,故液壓制動(dòng)器非常適合在長(zhǎng)大下坡道作限速使用,摩擦制動(dòng)方式可用在關(guān)鍵時(shí)刻。

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