CRH2動車組空氣制動系統(tǒng)FD-1型中繼閥節(jié)流孔優(yōu)化

1、<div class="article_tit"> CRH 2 動車組空氣制動系統(tǒng) FD-1 型中繼閥節(jié)流孔優(yōu)化 </div> <span> 作 者 &nbsp;:&nbsp;孫 繼 武 任 利 惠 伍 智 敏 漆 暉 </span> <p>摘要： 為研究節(jié)流孔孔徑大小對中繼閥性能的影響并對其進行優(yōu)化, 根據(jù)中繼閥的結(jié)構(gòu)工作 原理,采用 AMESim創(chuàng)立CRH 2動車組(Electric Multiple Un it , EMU FD-1型中繼閥仿真 模型,并在此根底上搭建簡化的 CRH2 動車組空

2、氣制動系統(tǒng)模型 . 分析節(jié)流孔孔徑對增壓缸內(nèi) 氣體壓強和溫度、進氣閥門振蕩以及制動氣缸壓強和耗氣量的影響. 仿真結(jié)果說明 FD-1 中繼閥節(jié)流孔孔徑的優(yōu)選值為 2.03.0 mm. <br/> 關(guān)鍵詞： 動車組； 空氣制動系統(tǒng)； 中繼 閥； 節(jié)流孔； 優(yōu)化； AMESim <br/> 中圖分類號： U260.35; TB151.2 文獻標(biāo)志碼： B <br/><br/> Optimization on throttle hole of FD-1 relay valve of <br/> CRH2 EMU air braking sys

3、tem <br/><br/> SUN Jiwu, REN Lihui, WU Zhimin, QI Hui<br/><br/> (Institute of Railway & Urban Mass Transit Research, TongjiUniversity, Shanghai 202104, China) <br/><br/> Abstract ： To research theeffect of throttle hole diameter on the performance of relay val

4、ve and optimize throttle hole diameter, a simulation model of FD-1 relay valve of CRH 2 ElectricMultiple Unit ( EMU) air braking system is built by AMESimaccording to the structure and mechanism of relay valve, and a simplified simulation model of CRH 2 EMU airbraking system is built on the basis of

5、 FD-1 relay valve simulation model. The effect of throttle hole with different diameters on the gas pressure and temperature in pressurized cylinder, inlet valve oscillation, and pressure and gas consumption of brake cylinder is analyzed. The simulation results show that the preferred diameter of th

6、rottle hole in FD-1 relay valve is 2.03.0 mm. <br/>Key words ： electricmultiple unit; air braking system; relay valve; throttle hole; optimization; AMESim <br/><br/>0 引言 <br/><br/> 制動系統(tǒng)是高速列車的重要組成局部, 其性能的好壞直接影響列車的運行平安 . 由于列車空氣制動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜, 且氣體具有可壓縮性 , 其運動受邊界條件的影響非常明顯,具有高度的非線

7、性特征,導(dǎo)致空氣制動系統(tǒng)的開發(fā)長期 以試驗為主, 開發(fā)周期長、 本錢高 . 近年來, 隨著計算機仿真技術(shù)的開展, 在列車空氣制動系 統(tǒng)的研究過程中越來越多地應(yīng)用仿真技術(shù),一方面為優(yōu)化制動系統(tǒng)性能提供理論參考,另一 方面為低本錢、 短周期地開發(fā)制動系統(tǒng)提供新的手段 . <br/> 列車空氣制動系統(tǒng)的建模仿 真有以下 2種方法： (1) 根據(jù)流體力學(xué)理論對模型進行抽象簡化后自行編寫仿真程序；(2) 在流體傳動和限制商業(yè)仿真軟件上進行二次開發(fā)和建模仿真 .方法(1) 對系統(tǒng)進行抽象簡化,然 后根據(jù)氣體流動的流量方程、能量方程以及動量方程等建立氣體流動的方程組；同時考慮邊 界點上氣體狀態(tài)變

8、量,引入邊界條件方程等；最后使用計算機語言編制相應(yīng)的程序進行仿 真.20 世紀(jì) 80 年代以來, 美國和日本等國使用該方法相繼開展制動系統(tǒng)模擬研究工作： 美國 模擬裝有ABD/ABDV閥的空氣制動系統(tǒng)；日本完成由一根主管組成的空氣制動系統(tǒng)的模擬工作, 取得試驗難以得到的最正確參數(shù) . 1 -2 我國在此領(lǐng)域起步較晚,魏偉3、徐毅 4和刁亮:5等最早開展空氣制動系統(tǒng)仿真研究,研究裝有120, 104和F8中繼閥的列車空氣制動性能仿真等 . 但是, 該方法對研究者的理論抽象和編程水平要求高, 編程工作量大, 而程序的可 讀性和繼承性差, 不同系統(tǒng)的程序之間通用性不強, 一般的工程技術(shù)人員很難在短期

9、內(nèi)掌握 . <br/> 目前,流體傳動和限制的商業(yè)仿真軟件均應(yīng)用模塊化和圖形化的方法建立系統(tǒng)仿真 模型 . 這些軟件提供豐富的標(biāo)準(zhǔn)氣動元件模塊,還提供氣動元件的組成元件模塊. 通過元件模塊之間連接的拓撲關(guān)系并根據(jù)元件的數(shù)學(xué)模型,軟件以一定的算法自動建立整個系統(tǒng)的數(shù)學(xué) 模型,從而實現(xiàn)正確求解 . 圖形化的物理建模方式使得用戶可以從繁瑣的數(shù)學(xué)建模工作中解放 出來,從而專注于物理系統(tǒng)本身的設(shè)計 . 研究人員可以使用軟件中已有的元件庫搭建模型, 省 去大量的編程工作 . 所建的各個系統(tǒng)模型間的通用性較強, 各個功能或結(jié)構(gòu)相似的系統(tǒng)往往只需修改少量的元件或參數(shù)即可通用 . 應(yīng)用上述方法, 歐

10、洲鐵路模塊化制動系統(tǒng)工程 “ MODBRAKE 的研究人員運用 AMESim對列車氣動制動系統(tǒng)中的數(shù)字閥、中繼閥和WSP劃等多種元部件進行仿真研究,并在對元部件研究的根底上對整個制動系統(tǒng)進行建模和仿真研究.楊璨等 6-7 運用AMESin對貨車120中繼閥以及貨車單車制動系統(tǒng)進行建模仿真,并與試驗結(jié)果進行比照,驗證仿真結(jié)果的有效性和準(zhǔn)確性 . 隨著商業(yè)仿真軟件的不斷開展, 該方法越來越被研究人員接 受. <br/> 中繼閥是空氣制動系統(tǒng)的關(guān)鍵元件之一, 通過它可以使車輛產(chǎn)生不同的制動和 緩解作用本文采用流體傳動與限制仿真軟件AMESim創(chuàng)立CRH2動車組Electric Multi

11、pleUnit , EMUFD-1 型中繼閥仿真模型, 研究中繼閥節(jié)流孔孔徑對空氣制動系統(tǒng)性能的影響 . <br/> 仆D-1型中繼閥的作用原理 <br/> 1.1CRH 2 EMU空氣制動系統(tǒng) <br/> CRH 2 EMU空 氣制動系統(tǒng)見圖 1采用直通式空氣制動,分為壓縮空氣供應(yīng)系統(tǒng)、空氣制動限制局部和 根底制動裝置等 空氣制動限制局部主要由電空轉(zhuǎn)換閥、 中繼閥、 緊急閥和增壓缸等組成, 根 據(jù)電子制動限制裝置的指令產(chǎn)生空氣制動原動力, 并對其進行操縱和限制 常用或緊急制動時, 電空轉(zhuǎn)換閥將制動風(fēng)缸送來的壓縮空氣調(diào)整到與制動指令相對應(yīng)的空氣壓力,并作為指

12、令壓 力送給中繼閥,中繼閥將電空轉(zhuǎn)換閥的輸出作為限制壓力,輸出與其相對應(yīng)的壓縮空氣送到 增壓缸；在緊急制動時,從緊急用壓力調(diào)整閥輸出的限制壓力經(jīng)緊急電磁閥通往中繼閥,中 繼閥對電空轉(zhuǎn)換閥與壓力調(diào)整閥的空氣壓力進行比擬, 將較大者作為增壓缸的空氣壓力輸出 <br/><br/>1.2FD-1 型中繼閥 <br/> CRH 2 EMU 制動系統(tǒng)FD-1型中繼閥采用截止閥方式,其原理結(jié)構(gòu)見圖2. <br/><br/> FD-1型中繼閥主要由供氣閥、 供排氣閥桿、 橡膠膜板和復(fù)位彈簧等組成 中繼閥閥體的上蓋上裝有供氣閥部件, 該部件由供氣閥和供

13、氣彈簧構(gòu)成 . 供氣閥的上腔與制動氣缸相連,下腔與增壓缸相聯(lián) . 下部的 AC室與UB室分別與電空轉(zhuǎn)換閥和緊急制動閥相連,各個腔室之間通過上、下2個橡膠膜板分隔,供排氣閥桿的中央通孔那么與大氣連通 . <br/>2FD-1 型中繼閥 AMESim 仿真模型2.1FD-1 型中繼閥仿真模型解構(gòu) <br/> 根據(jù)中繼閥的結(jié)構(gòu)工作原理,可將中繼閥分解為 進氣和排氣氣路,其中進氣口和排氣口可分別等效為一個AMESim中的截止閥.對于進氣氣路,進氣口截止閥的開閉由供排氣閥桿的行程決定,而供排氣閥桿的行程又由工作壓力與輸出壓 力的壓差決定.可用AMESim中的2個膜板閥分別模擬上、

14、下膜板,將膜板閥與進、排氣截止 閥相連接,通過膜板閥行程限制截止閥的開度,即可得到等效的進氣和排氣氣路. <br/>進氣與排氣氣路之間不獨立,當(dāng)一個氣路翻開時,另一個氣路關(guān)閉,二者之間的邏輯關(guān)系可 用AMESim中的一個帶滑移襯套限位質(zhì)量塊實現(xiàn),該質(zhì)量塊起供排氣閥桿的作用.<br/> 在進行制動時,制動壓力的大小根據(jù) AC室與UB室內(nèi)壓力較大的一方而定.當(dāng)一個壓力腔內(nèi)的壓 力空氣起作用時,另一個空腔內(nèi)的壓力空氣應(yīng)不產(chǎn)生影響.這個功能通過 AMESim中的一個間隙彈簧實現(xiàn),其處于2個膜板閥中間.<br/>2.2FD-1型中繼閥的 AMESim模型<br/

15、>FD-1型中繼閥AMESim模型見圖3由AMESim氣動組件庫中的組件組合而成.其中,中繼閥的等效進氣回路分解為進氣氣缸和進氣截止閥, 等效排氣回路等效為排氣截止閥 .氣缸的行程 和滑閥的最大開度通過帶滑移襯套限位質(zhì)量塊限制.比照圖2和3可知,使用AMESim建立的中繼閥仿真模型充分反映中繼閥真實的物理結(jié)構(gòu)和邏輯關(guān)系,這也表達出使用 AMESim建立氣動元件仿真模型具有簡明、直觀的優(yōu)點 . <br/>3FD-1 型中繼閥節(jié)流孔的孔徑優(yōu)化 <br/>中繼閥的節(jié)流孔提供阻尼作用,其孔徑大小直接影響上膜板閥上腔的壓強變化過程,從而影 響進氣和排氣截止閥的開閉動作 .

16、<br/> 為研究節(jié)流孔孔徑大小對 FD-1 型中繼閥性能的 影響,在FD-1型中繼閥AMESim模型的根底上搭建簡化的制動系統(tǒng)模型.該簡化制動系統(tǒng)模型給予中繼閥 2個限制信號, 分別代表來自電空轉(zhuǎn)換閥制動信號和緊急制動信號 .用一個氣缸代 表與之相連的增壓缸氣缸,該氣缸大小約為 1.4 L. <br/><br/>3.1 仿真工況和參數(shù) <br/> 仿真得到的限制信號見圖 4. <br/><br/> 來自電空轉(zhuǎn)換閥的常用制動信號固定為500 kPa 絕對壓強；緊急制動信號 03 s為200 kPa ； 36 s為700 k

17、Pa,之后又減到小于常用制動信號的 400 kPa. 設(shè)定制動氣缸容積為 100 L ,其壓強為 880 kPa ,取節(jié) 流孔孔徑分別為 1.0 mm, 1.5 mm, 2.0 mm,3.0 mm 和 4.0 mm 進行仿真 . <br/> 3.2 節(jié)流 孔孔徑大小對增壓缸內(nèi)氣體壓強變化的影響節(jié)流孔孔徑大小對增壓缸內(nèi)氣體壓強變化的影響 見圖 5. <br/> (a) 節(jié)流孔孔徑為 1.0 mm 和 1.5 mm 時增壓缸的氣體壓強 (b) 節(jié)流孔孔徑為 2.0 mm, 3.0 mm 和 4.0 mm 時增壓缸的氣體壓強 <br/> <br/> &

18、lt;br/> 由圖 5(a) 可知,當(dāng)節(jié)流孔孔徑分別為 1.0 mm 和 1.5 mm 時,增壓缸內(nèi)出現(xiàn)過充情況,且孔徑越小,過 充持續(xù)時間越長； 同樣,在排氣時也出現(xiàn)過排現(xiàn)象 .由圖 5(b) 可知,當(dāng)節(jié)流孔孔徑增大到 2.0 mm寸,只在剛開始時出現(xiàn)一個瞬間的較小過充量,隨著孔徑增大為3.0 mm和4.0 mm寸,增壓缸無過充或過排量 .3.3 節(jié)流孔孔徑大小對進氣閥門振蕩的影響 <br/> 節(jié)流孔孔徑大 小對進氣閥門振蕩的影響見圖 6. 由圖 6(a) 可知,節(jié)流孔孔徑越小, 進氣閥門在最大開度處停 留的時間越長,造成過充 . 比照圖 6(a) 和 6(b) 可知,隨

19、著節(jié)流孔孔徑的增大,雖然閥門在最 大開度處停留時間變短,但節(jié)流孔的阻尼作用減小,造成閥門振蕩逐漸增大. <br/>(a)節(jié)流孔孔徑為1.0 mm和1.5 mm的進氣閥門位移(b)節(jié)流孔孔徑為為 2.0 mm 3.0 mm和4.0 mm 時進 氣閥 門 位 移 <br/> 圖 6 節(jié) 流孔 孔 徑大 小 對進氣 閥 門 振蕩的 影響 <br/> Fig.6Effect of throttle hole diameter on inlet valve oscillation <br/><br/>3.4 節(jié)流孔孔徑大小對增壓缸內(nèi)氣體溫度變化

20、的影響節(jié)流孔孔徑大小對增壓缸內(nèi)氣體溫度變 化的影響見圖 7. 由圖 7(a) 可知, 在充氣和排氣階段, 溫度分別升高和降低, 溫度變化最大為 7 K 左右；但當(dāng)節(jié)流孔孔徑分別為 1.0 mm 和 1.5 mm 時,在充氣后的保壓階段初期,溫度降 低較大 . 這是由于增壓缸氣缸內(nèi)氣體壓強的過充量很大, 從該過充壓強下降到預(yù)設(shè)壓強時, 會 使溫度降低； 之后再與周圍環(huán)境進行熱交換, 降低到環(huán)境溫度 . 同理,在緩解階段的溫度上升 也是由于過排的影響 . 根據(jù)圖 5 的結(jié)論,隨著孔徑的不斷增大, 過充或過排量逐漸減少, 直至 孔徑分別為 3.0 mm 和 4.0 mm 時增壓缸無過充或過排量 .

21、由圖 7(b) 可知,當(dāng)節(jié)流孔孔徑分別 為 3.0 mm 和 4.0 mm 時,溫度變化不會異常 . <br/>(a) 節(jié)流孔孔徑為 1.0 mm,1.5 mm和 2.0 mm 時增壓缸內(nèi)氣體溫度變化 (b) 節(jié)流孔孔徑為 3.0 mm 和 4.0 mm 時增壓缸內(nèi)氣體溫度 變化圖 7 節(jié)流孔孔徑大小對增壓缸內(nèi)氣體溫度變化的影響<br/> Fig.7Effect ofthrottle hole diameter on gas temperature change of pressurized cylinder <br/><br/>3.5 節(jié)流孔孔

22、徑大小對制動氣缸的氣體壓強和質(zhì)量變化的影響節(jié)流孔孔徑大小對制動氣缸內(nèi)氣體壓強變化的影響見圖 8(a) ,可知,在前 2 次充氣制動過程中,制動氣缸內(nèi)氣 體壓力都有一個階段性的降低,其中,孔徑為 2.0 mm 時,氣體壓力降低量最小 . 在緩解排氣 階段,缸內(nèi)壓強理論上應(yīng)保持不變,但由圖8(a)可知,當(dāng)孔徑為1.0 mm和1.5 mm時,氣缸壓強有一個較大的下降量, 這是由于小孔徑時存在過排造成的 . 節(jié)流孔孔徑大小對制動氣缸內(nèi) 氣體質(zhì)量變化的影響見圖 8(b) ,可知, 其與圖 8(a) 所示的節(jié)流孔孔徑大小對制動氣缸內(nèi)氣體 壓強變化的影響有類似的變化規(guī)律,其中,當(dāng)孔徑為2.0 mm時氣體消耗

23、量最小,從100 kPa上升到 500 kPa 所消耗的氣體量為 9.68 g. <br/>(a) 對氣體壓強變化的影響 (b) 對氣體質(zhì)量變化的影響 <br/><br/>3.6 優(yōu)化結(jié)果 <br/> 仿真結(jié)果說明：隨著孔徑的不斷增大,過充或過排量逐漸減少,直至孔徑到達3.0 mm時,增壓缸無過充或過排量,同時,增壓缸內(nèi)氣體溫度的變化也隨著過充或過排量的減少而趨于正常； 然而隨著孔徑的不斷增大, 節(jié)流孔的阻尼作用減小, 造成閥門振蕩逐漸增大 . 通過對制動氣缸內(nèi)氣體的壓強和質(zhì)量進行研 究發(fā)現(xiàn),當(dāng)孔徑為 2.0 mm 時,氣體的壓強降低量和氣體消耗

24、量到達最小值 . 綜合考慮到節(jié)流 孔孔徑對增壓缸內(nèi)氣體壓強、溫度和閥門振蕩的影響以及對制動氣缸壓強及耗氣量的影響,節(jié)流孔孔徑優(yōu)選為2.03.0 mm. <br/>4結(jié)束語<br/> 使用AMESim建立CRH 2 EMU空氣制動系統(tǒng) FD-1 型中繼閥仿真模型, 仿真分析節(jié)流孔孔徑對增壓缸內(nèi)氣體壓強、 溫度和閥 門振蕩的影響以及對制動氣缸壓強及耗氣量的影響,綜合考慮節(jié)流孔孔徑對中繼閥各方面性 能的影響,節(jié)流孔孔徑應(yīng)優(yōu)選為 2.03.0 mm. <br/><br/> 參考文獻： <br/>1JOHNSON M R, BOOTH G F, MATTOON D W. Development of practicaltechniques for the simulation of train air brake operation C / Proc ASMEWinter Annu Meeting. NewYork: Elsevier Science, 1986: 1-4. <br/> 2YOSHIOKAMuneyuki, YAMAZAKIKoji. NewSimulation method for transient resp