應(yīng)之丁, 范 琳, 周和超
(同濟(jì)大學(xué) 鐵道與城市軌道交通研究院,上海,201804)
列車技術(shù)的發(fā)展對(duì)制動(dòng)性能提出了更高的要求,需要進(jìn)行新制動(dòng)閥的研制或者對(duì)現(xiàn)有制動(dòng)閥進(jìn)行改進(jìn),并進(jìn)行不同編組列車制動(dòng)性能的測(cè)試和驗(yàn)證,以滿足制動(dòng)性能需求。傳統(tǒng)的制動(dòng)特性定置試驗(yàn)和線路試驗(yàn),不僅耗時(shí)耗力,得到的試驗(yàn)數(shù)據(jù)十分離散。此外,在試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行的驗(yàn)證性試驗(yàn),不僅需要大量的新閥和更換制動(dòng)閥,而且難以達(dá)到對(duì)新型制動(dòng)系統(tǒng)做出預(yù)測(cè)的目的,成本高,周期長(zhǎng)。通過(guò)理論推導(dǎo)的方式,建立整個(gè)編組列車的氣壓變化傳遞規(guī)律數(shù)學(xué)方程,很難滿足精度要求,也很難將各種復(fù)雜的工況考慮全面。
基于小編組實(shí)物制動(dòng)系統(tǒng)的前提下,考慮將首車模型數(shù)據(jù)曲線作為控制的目標(biāo)曲線,輸入到小編組實(shí)物制動(dòng)系統(tǒng)的首車中,利用小編組的循環(huán)級(jí)聯(lián)得到大編組列車的列車管氣壓變化數(shù)據(jù),重點(diǎn)研究列車制動(dòng)管路氣壓變化傳遞規(guī)律,進(jìn)而研究大編組列車的制動(dòng)性能。將首車模型與小編組實(shí)物制動(dòng)系統(tǒng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)相結(jié)合,從而建立半實(shí)物智能化仿真試驗(yàn)系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)對(duì)大編組列車制動(dòng)系統(tǒng)性能的預(yù)測(cè)。其中不同編組列車首車列車管壓力控制數(shù)學(xué)模型作為連接虛擬列車制動(dòng)系統(tǒng)與后部車輛實(shí)物制動(dòng)系統(tǒng)的接口控制關(guān)鍵軟件,其列車管初充氣及常用制動(dòng)工況下的控制模型準(zhǔn)確性,對(duì)整個(gè)編組列車控制模型的準(zhǔn)確性具有決定作用。
國(guó)內(nèi)外多個(gè)專業(yè)團(tuán)隊(duì)針對(duì)列車的控制模型及仿真試驗(yàn)做出了相關(guān)研究,并取得了一定的成果。文獻(xiàn)[1]基于列車空氣制動(dòng)系統(tǒng)簡(jiǎn)潔有規(guī)律的氣壓傳遞管路,建立了列車制動(dòng)系統(tǒng)半實(shí)物仿真平臺(tái)及空氣制動(dòng)模型:文獻(xiàn)[2]利用AMESim軟件仿真分析了列車在不同工況下的制動(dòng)性能;文獻(xiàn)[3]建立了車輛系統(tǒng)、制動(dòng)系統(tǒng)和控制策略的多系統(tǒng)協(xié)同分析平臺(tái);文獻(xiàn)[4]建立了基于環(huán)境的列車制動(dòng)模型,并提出了相應(yīng)的制動(dòng)模型辨識(shí)方法;文獻(xiàn)[5]建立了氣制動(dòng)與縱向動(dòng)力學(xué)集成系統(tǒng)的氣制動(dòng)系統(tǒng)模型,解決了列車縱向動(dòng)力學(xué)研究中氣制動(dòng)力的激勵(lì)和輸入問(wèn)題;文獻(xiàn)[6]建立的制動(dòng)模型綜合考慮了空氣黏度、傳熱等空氣波現(xiàn)象。
本文從氣動(dòng)系統(tǒng)流體力學(xué)基本原理入手,建立了不同編組列車首車列車管的氣路氣容充排氣數(shù)學(xué)模型,以初充氣為例,該模型既考慮了風(fēng)源向首車列車管充氣,同時(shí)也考慮到了空氣經(jīng)過(guò)首車列車管繼續(xù)向后傳遞的過(guò)程。同時(shí)引入修正系數(shù)對(duì)將除首車之外的其余車輛的列車管看作一個(gè)氣容時(shí),由于列車管橫截面積小,長(zhǎng)度大的形狀特征所帶來(lái)的計(jì)算偏差進(jìn)行修正。并且提出通過(guò)對(duì)閥有效截面積的設(shè)計(jì)計(jì)算,并帶入所建立的數(shù)學(xué)模型中進(jìn)行仿真試驗(yàn),從而對(duì)研制新制動(dòng)閥及改進(jìn)或檢修制動(dòng)閥提供理論基礎(chǔ)與技術(shù)指導(dǎo)。
在外界條件的變化下,系統(tǒng)內(nèi)的氣體能夠極快的建立一系列的新的平衡狀態(tài)。在平衡狀態(tài)下,完全氣體的壓力、體積和溫度三個(gè)量間的數(shù)學(xué)關(guān)系,叫做完全氣體狀態(tài)方程。實(shí)際制動(dòng)系統(tǒng)管路氣態(tài)方程非常復(fù)雜,難以解析并應(yīng)用于實(shí)時(shí)控制,為尋找管路氣壓傳遞規(guī)律,可以先利用完全氣體假設(shè)推導(dǎo)首車列車管的充排氣數(shù)學(xué)模型,此后根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)規(guī)律做流體傳遞修正。
式中:p為絕對(duì)壓強(qiáng);V為體積;N為物質(zhì)的量;R為氣體常數(shù),對(duì)空氣有R=287N·m·(kg·K)-1;T為熱力學(xué)溫度。
在dt時(shí)間內(nèi),充入容器內(nèi)的氣體質(zhì)量為
式中:m1是充入容器內(nèi)的氣體質(zhì)量;qm1是dt時(shí)間內(nèi)流入容器的質(zhì)量流量。
在dt時(shí)間內(nèi),從容器內(nèi)放出的氣體質(zhì)量為
式中:m2是從容器內(nèi)放出的氣體質(zhì)量;qm2是dt時(shí)間流出容器的質(zhì)量流量。
當(dāng)回路處于聲速流動(dòng)時(shí),回路中通過(guò)的氣體質(zhì)量流量的計(jì)算公式為
式中:qm為回路中通過(guò)的氣體質(zhì)量流量,kg·s-1;P1為氣動(dòng)元件上游管道內(nèi)的靜壓力(絕對(duì)壓力),kPa;P2為氣動(dòng)元件下游管道內(nèi)的靜壓力(絕對(duì)壓力),kPa;T1為氣動(dòng)元件上游的總溫,K;S為節(jié)流孔有效截面積,m2;b為臨界壓力比。對(duì)于一般氣動(dòng)元件,臨界壓力比b=0.2~0.5[7]。
當(dāng)回路處于亞聲速流動(dòng)時(shí),回路中通過(guò)的氣體質(zhì)量流量的計(jì)算公式為
1.3.1 制動(dòng)閥的有效截面積
推導(dǎo)制動(dòng)控制模型的目的之一是用于構(gòu)建研制新制動(dòng)閥與改進(jìn)或檢修制動(dòng)閥的技術(shù)分析平臺(tái)。通過(guò)利用幾何面積合成法,計(jì)算閥的有效截面積(與閥體內(nèi)部關(guān)鍵的進(jìn)排氣通路孔徑和布置有關(guān)),并代入所推出的充排氣數(shù)學(xué)模型中,從而分析閥的充排氣性能,為以后閥的改進(jìn)提供理論依據(jù)[8]。
式中:S0為閥的有效截面積;M為閥內(nèi)節(jié)流口的數(shù)量;Ai為第i個(gè)節(jié)流口的面積,i=1,2,…M。
1.3.2 管路系統(tǒng)的合成有效截面積
氣體流過(guò)復(fù)雜的氣動(dòng)元件時(shí),其流動(dòng)損失是不能忽略的。因流經(jīng)空氣管道的空氣流受空氣黏性的影響,所以與通過(guò)受黏性影響極小的小孔流動(dòng)在各種情況下都不相似,但若附加上空氣黏度來(lái)進(jìn)行充排氣時(shí)間等的計(jì)算,會(huì)使計(jì)算變得更加復(fù)雜,所以將管道換算成等價(jià)的小孔,即管道帶來(lái)的氣體流動(dòng)損失也用有效截面積S來(lái)表示。S作為閥和管道總的有效截面積[9]。本研究中將首車列車管看作一個(gè)氣容,其余車輛的列車管看作一個(gè)氣容,所以風(fēng)源向首車列車管充氣時(shí),管路系統(tǒng)的有效截面積是由風(fēng)源到首車列車管之間的各類閥和管路的折算有效截面積。首車列車管向后部車輛充氣時(shí),管路系統(tǒng)的有效截面積即為首車列車管折算有效截面積。在實(shí)際管路中管道和閥是串聯(lián)連接的,合成有效截面積由式(7)求得
式中:g為管道及閥的總數(shù)量;Sj為第j個(gè)管道或閥有效截面積,j=1,2,…g。
1.3.3 聲速與亞聲速條件下的有效截面積的關(guān)系
因?yàn)闅怏w在不同的流態(tài)下,流過(guò)流道時(shí)產(chǎn)生的壓力損失是不同的,而有效截面積正是用來(lái)表示器件內(nèi)通道流通能力的物理量,所以即使是同一個(gè)元器件,在通過(guò)不同流態(tài)的氣體時(shí),其有效截面積也是不相等的,設(shè)亞聲速流態(tài)下元件的有效截面積為A,聲速流態(tài)下元件的有效截面積S,則兩者有以下關(guān)系[10]
實(shí)際上A為不可壓縮流態(tài)下的有效截面積,在這里近似為亞聲速流態(tài)下的有效截面積。其中,節(jié)流閥口的理論有效截面積為30Πmm2[11]。
模擬不同編組列車制動(dòng)系統(tǒng)試驗(yàn),即利用氣動(dòng)方程推導(dǎo)的首車列車管傳遞規(guī)律模型控制不同編組列車的首車列車管壓力,并結(jié)合制動(dòng)系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證,修正每次小編組車輛循環(huán)級(jí)聯(lián)壓力控制模型,利用小編組實(shí)物車輛制動(dòng)系統(tǒng)循環(huán)級(jí)聯(lián)試驗(yàn),實(shí)現(xiàn)多編組列車制動(dòng)系統(tǒng)試驗(yàn)。
在此前的研究中[12]提出可將列車管簡(jiǎn)化為相應(yīng)的等效風(fēng)缸來(lái)對(duì)其壓力變化進(jìn)行研究,本文在此基礎(chǔ)上,將編組列車的首車列車管看作一個(gè)氣容,其余車輛的列車管看作一個(gè)氣容。初充氣時(shí),每一時(shí)刻首車列車管內(nèi)的壓力為風(fēng)源充入首車列車管內(nèi)的壓力減去首車列車管充入后部車輛列車管內(nèi)的壓力,制動(dòng)工況下類似,提出以下不同編組列車首車列車管充排氣數(shù)學(xué)模型。
列車管充氣初期階段壓力變化較快,各腔室和管路來(lái)不及與外界進(jìn)行交換散熱,故剛開(kāi)始充氣時(shí)接近絕熱過(guò)程。隨著氣缸內(nèi)壓力增加,升壓速度開(kāi)始減慢,最后接近等溫過(guò)程。由于試驗(yàn)測(cè)得充氣時(shí)編組列車后部與首車列車管的壓力比值大于b(b=0.5),所以認(rèn)為首車向后部車輛列車管的充氣過(guò)程為亞聲速。
如圖1 所示,壓力為P1, 溫度為T1的恒定的氣源,經(jīng)過(guò)有效截面積為S, 臨界壓力比為b的管路系統(tǒng),向另一容積為V,初始?jí)毫镻20、初始溫度為T20(設(shè)T20=T1)的容器內(nèi)充氣。
圖1 充氣過(guò)程Fig.1 Inflation process
由此得到充氣時(shí)列車管的簡(jiǎn)化模型如圖2所示,壓力為P1, 溫度為T1的恒定氣源,經(jīng)過(guò)管路系統(tǒng),向首車列車管等效為的容積為為單車列車管主管長(zhǎng)度、直徑;L2、D2為單車列車管支管長(zhǎng)度、直徑)、初始?jí)毫镻L0、初始溫度為TS0(設(shè)TS0=T1)的容器內(nèi)充氣,同時(shí)首車列車管等效為的氣容,向后部車輛等效為的容積為為 列 車 編 組數(shù))、初始?jí)毫镻h0、初始溫度為Th0(設(shè)Th0=T1)的容器內(nèi)充氣。
圖2 充氣時(shí)列車管簡(jiǎn)化模型Fig.2 Simplified model of train tube when inflating
2.1.1 首車列車管絕熱充氣階段數(shù)學(xué)模型
對(duì)定容積的絕熱充氣,有[13]
其中,k為等熵指數(shù),對(duì)空氣,k=1.4。
由式(1)、(2)、(9)可得
聲速充氣時(shí),即P2/P1≤b時(shí),令式(4)與式(10)相等得容器由P20充至P2所需的充氣時(shí)間為
亞聲速充氣時(shí),即b<P2/P1≤ 1時(shí),令式(6)與式(10)相等得容器由P20充至P2所需的充氣時(shí)間為
由式(11)、(12)可得向封閉容器絕熱充氣時(shí),容器內(nèi)壓力與時(shí)間的關(guān)系為
由式(13)可得編組列車首車列車管絕熱過(guò)程初充氣的數(shù)學(xué)模型為
式中:W為長(zhǎng)大列車管等效為一個(gè)氣容時(shí)的等效系數(shù);Sh為聲速流態(tài)下由風(fēng)源到首車列車管之間的各類閥和管路的折算有效截面積;Ac為首車列車管向其后車輛進(jìn)行亞聲速充氣時(shí)的列車管折合有效截面積。
2.1.2 首車列車管等溫充氣階段數(shù)學(xué)模型
等溫充氣即充氣過(guò)程中,容器內(nèi)的溫度不變,即在圖1中有T2=T20=T1。
將式(1)代入式(2)可得
同絕熱充氣段推導(dǎo),可得聲速與亞聲速充氣時(shí),容器由P20充至P2所需的充氣時(shí)間為
由式(16)可得向封閉容器等溫充氣時(shí),容器內(nèi)壓力隨時(shí)間的變化關(guān)系為
由式(17)可得編組列車首車列車管等溫過(guò)程初充氣的數(shù)學(xué)模型為
其中,Ah為亞聲速流態(tài)下由風(fēng)源到首車列車管之間的各類閥和管路的合成有效截面積。
與初充氣工況類似,制動(dòng)工況下的列車管排氣也為先絕熱排氣,后等溫排氣的過(guò)程。后部車輛列車管向首車列車管的排氣過(guò)程為亞聲速過(guò)程。
如圖3 所示,某一容器內(nèi)的壓力空氣,經(jīng)某氣動(dòng)元件或氣動(dòng)回路,向外界或另一容器放氣。其中該容器的容積為V,初始?jí)毫镻10、初始溫度為T10,氣動(dòng)元件的流量特性參數(shù)為S和b,氣動(dòng)元件下游的壓力為P2,系統(tǒng)溫度T10=T2。由此得到的列車管放氣時(shí)的簡(jiǎn)化模型如圖4所示。
圖3 放氣過(guò)程Fig.3 Deflated process
圖4 放氣時(shí)列車管簡(jiǎn)化模型Fig.4 Simplified model of train tube when deflating
2.2.1 首車列車管絕熱排氣階段數(shù)學(xué)模型
根據(jù)質(zhì)量守恒定律和能量守恒定律,可得到絕熱排氣時(shí),對(duì)定容積容器,滿足[14]
由式(1)、(3)、(19)可得
同絕熱充氣階段推導(dǎo)可得聲速與亞聲速放氣時(shí),容器由P10充至P1所需的排氣時(shí)間為
其中,亞聲速排氣時(shí),利用了亞聲速絕熱充氣與等溫充氣的關(guān)系,將亞聲速絕熱排氣時(shí)間表示為等溫排氣時(shí)間的1/k 倍,并利用修正系數(shù)Q(Q=22)進(jìn)行了修正。
由式(21)得封閉容器絕熱排氣時(shí),容器內(nèi)壓力隨時(shí)間的變化關(guān)系為
由式(22)得編組列車首車列車管絕熱排氣時(shí)的數(shù)學(xué)模型為
由于不同制動(dòng)級(jí)別下機(jī)車控制閥閥口控制流量不同,故引入閥口開(kāi)度系數(shù)β,與聲速條件下閥的有效截面積S0相乘,用于區(qū)別不同制動(dòng)級(jí)別下的閥口控制流量.
引入編組差異系數(shù)γ,與后部車輛列車管向首車列車管排氣時(shí)的列車管折合有效截面積Az相乘,表示除首車之外的后部車輛首車列車管向首車充氣時(shí)由于編組數(shù)不同造成的氣體損失量差異。
2.2.2 首車列車管等溫排氣段數(shù)學(xué)模型
與等溫充氣推導(dǎo)過(guò)程相同,可得在容器等溫排氣時(shí),容器內(nèi)的壓力隨時(shí)間變化的關(guān)系式為
由式(24)可得編組列車首車列車管等溫排氣過(guò)程的數(shù)學(xué)模型為
PL=
為驗(yàn)證本文提出的首車列車管充排氣模型的正確性,在中車某車輛有限公司的列車制動(dòng)性能試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行了試驗(yàn),試驗(yàn)臺(tái)如圖5所示,主要由150輛車的制動(dòng)系統(tǒng)及管路和測(cè)試氣壓的傳感器和排氣電磁閥、帶兩臺(tái)制動(dòng)執(zhí)行器半實(shí)物制動(dòng)仿真測(cè)控系統(tǒng)組成,在試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)得50、75、150編組時(shí)的首車列車管初充氣及1、7級(jí)制動(dòng)時(shí)的氣壓數(shù)據(jù)。將試驗(yàn)采集得到的數(shù)據(jù)運(yùn)用MATLAB繪制出曲線圖,并將仿真模型計(jì)算所得的結(jié)果與其進(jìn)行對(duì)比分析,以驗(yàn)證模型的正確性。
圖5 試驗(yàn)裝置圖Fig.5 Test setup diagram
3.1.1 模型基本參數(shù)
首車列車管初充氣工況模型的參數(shù)值列于表1,將參數(shù)值帶入模型中,計(jì)算初充氣工況下不同車輛編組列車首車列車管內(nèi)壓力變化情況,并繪制曲線與真實(shí)試驗(yàn)數(shù)據(jù)相比較。
表1 首車初充氣模型參數(shù)表Tab.1 Parameter table of the initial inflation model of the first car
3.1.2 仿真結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比分析
初充氣至定壓500KPa 時(shí),仿真曲線與試驗(yàn)曲線如圖6所示。
圖6 初充氣曲線Fig.6 Initial inflation curve
由圖6可以看出,初充氣工況的仿真結(jié)果和試驗(yàn)數(shù)據(jù)較為吻合,差異最大點(diǎn)在等溫聲速充氣與亞聲速充氣的分段點(diǎn),偏差大小為15.8%,在允許范圍之內(nèi),仿真的正確性較好。
3.2.1 模型基本參數(shù)
首車列車管常用制動(dòng)工況模型的參數(shù)值列于表2,列車管長(zhǎng)度、直徑、溫度、等效系數(shù)參數(shù)在表1中已列出。將參數(shù)值帶入模型中,計(jì)算常用1級(jí)及7級(jí)制動(dòng)工況下不同車輛編組列車首車列車管內(nèi)壓力變化情況,并繪制曲線與真實(shí)試驗(yàn)數(shù)據(jù)相比較。觀察參數(shù)表可得同一制動(dòng)級(jí)別下各編組的βS0、βA0值相同,γAz值與編組數(shù)成正比,由此可預(yù)測(cè)出200 編組常用制動(dòng)時(shí)的模型參數(shù)列于表2。
表2 首車制動(dòng)模型參數(shù)Tab.2 Parameters of the first car braking model
3.2.2 仿真結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比分析
常用1 級(jí)制動(dòng)及7 級(jí)制動(dòng)時(shí)的仿真曲線與試驗(yàn)曲線如圖7所示。
圖7 制動(dòng)工況列車管排氣曲線Fig.7 Exhaust curve of train pipe under braking condition
由圖7可以看出,1級(jí)制動(dòng)時(shí),仿真結(jié)果和試驗(yàn)數(shù)據(jù)差異最大點(diǎn)在絕熱放氣段,偏差大小為2.1%;7級(jí)制動(dòng)時(shí),差異最大點(diǎn)仍在等溫聲速充氣與亞聲速充氣的分段點(diǎn),偏差大小為9.3%,仿真的正確性較好。
將表1、表2 列出的模型參數(shù)帶入首車列車管充排氣數(shù)學(xué)模型,令編組數(shù)為200,將所得數(shù)據(jù)繪制成曲線如圖8。將200編組首車列車管充排氣模型曲線作為控制目標(biāo)曲線輸入到試驗(yàn)臺(tái)中,通過(guò)小編組實(shí)物制動(dòng)系統(tǒng)循環(huán)級(jí)聯(lián)便可得到200 編組列車初充氣及制動(dòng)時(shí)各車的列車管氣壓數(shù)據(jù),從而分析列車制動(dòng)性能。
圖8 列車管充排氣曲線Fig.8 Charge and exhaust curve of the first train tube
通過(guò)氣動(dòng)系統(tǒng)流體力學(xué)原理,建立不同編組列車首車列車管充排氣時(shí)的壓力變化模型,以初充氣為例,該首車列車管模型既考慮了風(fēng)源向首車列車管充氣,同時(shí)也考慮到了空氣經(jīng)過(guò)首車列車管繼續(xù)向后傳遞的過(guò)程,即得到了首車列車管實(shí)際充排氣過(guò)程中的 “邊充邊排” 模型,理論上來(lái)說(shuō)該模型更加準(zhǔn)確。
本文提出通過(guò)計(jì)算或設(shè)計(jì)制動(dòng)閥的有效截面積,進(jìn)而帶入推導(dǎo)出的首車列車管氣路氣容充排氣數(shù)學(xué)模型中,根據(jù)模型數(shù)據(jù)結(jié)果分析制動(dòng)閥的有效截面積對(duì)列車制動(dòng)性能的影響,并通過(guò)試驗(yàn)研究不同制動(dòng)級(jí)別下閥口的開(kāi)度大小,從而為研制新制動(dòng)閥及改進(jìn)或修理制動(dòng)閥提供技術(shù)分析平臺(tái)。
利用列車制動(dòng)系統(tǒng)智能化試驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行初充氣及常用1級(jí)、7級(jí)制動(dòng)試驗(yàn),試驗(yàn)曲線與仿真曲線吻合程度較好,最大偏差為15.8%,分析其原因?yàn)閷?shí)際音速臨界常數(shù)b與理論值存在偏差,以及未通過(guò)試驗(yàn)測(cè)得實(shí)際閥的有效截面積、管路系統(tǒng)的合成有效截面積及不同制動(dòng)級(jí)別下閥口開(kāi)度大小,今后將根據(jù)試驗(yàn)測(cè)得更為準(zhǔn)確的參數(shù)值。在今后的工作中也考慮加入修正曲線使曲線段得以平滑銜接。
作者貢獻(xiàn)聲明:
應(yīng)之丁:提出研究思路,進(jìn)行論文修訂等工作;
范 琳:設(shè)計(jì)研究方案,進(jìn)行試驗(yàn)、論文起草及修訂等工作;
周和超:研究方案修改,論文修訂等工作。