CRH 2动车组空气制动系统FD-1型中继阀节流孔优化

来源:用户上传      作者: 孙继武 任利惠 伍智敏 漆晖

　　摘要： 为研究节流孔孔径大小对中继阀性能的影响并对其进行优化，根据中继阀的结构工作原理，采用AMESim创建CRH 2动车组（Electric Multiple Unit，EMU）FD-1型中继阀仿真模型，并在此基础上搭建简化的CRH 2动车组空气制动系统模型.分析节流孔孔径对增压缸内气体压强和温度、进气阀门振荡以及制动气缸压强和耗气量的影响.仿真结果表明FD-1中继阀节流孔孔径的优选值为2.0~3.0 mm.
　　关键词： 动车组； 空气制动系统； 中继阀； 节流孔； 优化； AMESim
　　中图分类号： U260.35; TB151.2文献标志码： B
　　
　　Optimization on throttle hole of FD-1 relay valve of
　　CRH 2 EMU air braking system
　　
　　SUN Jiwu, REN Lihui, WU Zhimin, QI Hui
　　
　　(Institute of Railway & Urban Mass Transit Research, Tongji University, Shanghai 201804, China)
　　
　　Abstract： To research the effect of throttle hole diameter on the performance of relay valve and optimize throttle hole diameter, a simulation model of FD-1 relay valve of CRH 2 Electric Multiple Unit（EMU） air braking system is built by AMESim according to the structure and mechanism of relay valve, and a simplified simulation model of CRH 2 EMU air braking system is built on the basis of 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 throttle hole in FD-1 relay valve is 2.0~3.0 mm.
　　Key words： electric multiple unit; air braking system; relay valve; throttle hole; optimization; AMESim
　　
　　0引言
　　
　　制动系统是高速列车的重要组成部分，其性能的好坏直接影响列车的运行安全.由于列车空气制动系统结构复杂，且气体具有可压缩性,其运动受边界条件的影响非常明显，具有高度的非线性特征，导致空气制动系统的开发长期以试验为主，开发周期长、成本高.近年来，随着计算机仿真技术的发展，在列车空气制动系统的研究过程中越来越多地应用仿真技术，一方面为优化制动系统性能提供理论参考，另一方面为低成本、短周期地开发制动系统提供新的手段.
　　列车空气制动系统的建模仿真有以下2种方法：(1)根据流体力学理论对模型进行抽象简化后自行编写仿真程序；(2)在流体传动和控制商业仿真软件上进行二次开发和建模仿真.方法(1)对系统进行抽象简化，然后根据气体流动的流量方程、能量方程以及动量方程等建立气体流动的方程组；同时考虑边界点上气体状态变量，引入边界条件方程等；最后使用计算机语言编制相应的程序进行仿真.20世纪80年代以来，美国和日本等国使用该方法相继开展制动系统模拟研究工作：美国模拟装有ABD/ABDW阀的空气制动系统；日本完成由一根主管组成的空气制动系统的模拟工作，取得试验难以得到的最佳参数.［1-2］我国在此领域起步较晚，魏伟［3］、徐毅［4］和刁亮［5］等最早开展空气制动系统仿真研究，研究装有120，104和F8中继阀的列车空气制动性能仿真等.但是，该方法对研究者的理论抽象和编程能力要求高，编程工作量大，而程序的可读性和继承性差，不同系统的程序之间通用性不强，一般的工程技术人员很难在短期内掌握.
　　目前，流体传动和控制的商业仿真软件均应用模块化和图形化的方法建立系统仿真模型.这些软件提供丰富的标准气动元件模块，还提供气动元件的组成元件模块.通过元件模块之间连接的拓扑关系并根据元件的数学模型，软件以一定的算法自动建立整个系统的数学模型，从而实现正确求解.图形化的物理建模方式使得用户可以从繁琐的数学建模工作中解放出来，从而专注于物理系统本身的设计.研究人员可以使用软件中已有的元件库搭建模型，省去大量的编程工作.所建的各个系统模型间的通用性较强，各个功能或结构相似的系统往往只需修改少量的元件或参数即可通用.应用上述方法，欧洲铁路模块化制动系统项目“MODBRAKE”的研究人员运用AMESim对列车气动制动系统中的数字阀、中继阀和WSP阀等多种元部件进行仿真研究，并在对元部件研究的基础上对整个制动系统进行建模和仿真研究.杨璨等［6-7］运用AMESim对货车120中继阀以及货车单车制动系统进行建模仿真，并与试验结果进行对比，验证仿真结果的有效性和准确性.随着商业仿真软件的不断发展，该方法越来越被研究人员接受.
　　中继阀是空气制动系统的关键元件之一，通过它可以使车辆产生不同的制动和缓解作用.本文采用流体传动与控制仿真软件AMESim创建CRH 2动车组（Electric Multiple Unit，EMU）FD-1型中继阀仿真模型，研究中继阀节流孔孔径对空气制动系统性能的影响.
　　1FD-1型中继阀的作用原理
　　1.1CRH 2 EMU空气制动系统
　　CRH 2 EMU空气制动系统（见图1）采用直通式空气制动，分为压缩空气供给系统、空气制动控制部分和基础制动装置等.空气制动控制部分主要由电空转换阀、中继阀、紧急阀和增压缸等组成，根据电子制动控制装置的指令产生空气制动原动力，并对其进行操纵和控制.常用或紧急制动时，电空转换阀将制动风缸送来的压缩空气调整到与制动指令相对应的空气压力，并作为指令压力送给中继阀，中继阀将电空转换阀的输出作为控制压力，输出与其相对应的压缩空气送到增压缸；在紧急制动时，从紧急用压力调整阀输出的控制压力经紧急电磁阀通往中继阀，中继阀对电空转换阀与压力调整阀的空气压力进行比较，将较大者作为增压缸的空气压力输出.

　　
　　1.2FD-1型中继阀
　　CRH 2 EMU制动系统FD-1型中继阀采用截止阀方式，其原理结构见图2.
　　
　　FD-1型中继阀主要由供气阀、供排气阀杆、橡胶膜板和复位弹簧等组成.中继阀阀体的上盖上装有供气阀部件，该部件由供气阀和供气弹簧构成.供气阀的上腔与制动气缸相连，下腔与增压缸相联.下部的AC室与UB室分别与电空转换阀和紧急制动阀相连，各个腔室之间通过上、下2个橡胶膜板分隔，供排气阀杆的中心通孔则与大气连通.
　　2FD-1型中继阀AMESim仿真模型2.1FD-1型中继阀仿真模型解构
　　根据中继阀的结构工作原理，可将中继阀分解为进气和排气气路，其中进气口和排气口可分别等效为一个AMESim中的截止阀.对于进气气路，进气口截止阀的开闭由供排气阀杆的行程决定，而供排气阀杆的行程又由工作压力与输出压力的压差决定.可用AMESim中的2个膜板阀分别模拟上、下膜板，将膜板阀与进、排气截止阀相连接，通过膜板阀行程控制截止阀的开度，即可得到等效的进气和排气气路.
　　进气与排气气路之间不独立，当一个气路打开时，另一个气路关闭，二者之间的逻辑关系可用AMESim中的一个带滑移衬套限位质量块实现，该质量块起供排气阀杆的作用.
　　在进行制动时，制动压力的大小根据AC室与UB室内压力较大的一方而定.当一个压力腔内的压力空气起作用时，另一个空腔内的压力空气应不产生影响.这个功能通过AMESim中的一个间隙弹簧实现，其处于2个膜板阀中间.
　　2.2FD-1型中继阀的AMESim模型
　　FD-1型中继阀AMESim模型（见图3）由AMESim气动组件库中的组件组合而成.其中，中继阀的等效进气回路分解为进气气缸和进气截止阀，等效排气回路等效为排气截止阀.气缸的行程和滑阀的最大开度通过带滑移衬套限位质量块控制.对比图2和3可知，使用AMESim建立的中继阀仿真模型充分反映中继阀真实的物理结构和逻辑关系，这也体现出使用AMESim建立气动元件仿真模型具有简明、直观的优点.
　　3FD-1型中继阀节流孔的孔径优化
　　中继阀的节流孔提供阻尼作用，其孔径大小直接影响上膜板阀上腔的压强变化过程，从而影响进气和排气截止阀的开闭动作.
　　为研究节流孔孔径大小对FD-1型中继阀性能的影响，在FD-1型中继阀AMESim模型的基础上搭建简化的制动系统模型.该简化制动系统模型给予中继阀2个控制信号，分别代表来自电空转换阀制动信号和紧急制动信号.用一个气缸代表与之相连的增压缸气缸，该气缸大小约为1.4 L.
　　
　　3.1仿真工况和参数
　　仿真得到的控制信号见图4.
　　
　　来自电空转换阀的常用制动信号固定为500 kPa（绝对压强）；紧急制动信号0~3 s为200 kPa；3~6 s为700 kPa，之后又减到小于常用制动信号的400 kPa.设定制动气缸容积为100 L，其压强为880 kPa，取节流孔孔径分别为1.0 mm，1.5 mm，2.0 mm，3.0 mm和4.0 mm进行仿真.
　　3.2节流孔孔径大小对增压缸内气体压强变化的影响节流孔孔径大小对增压缸内气体压强变化的影响见图5.
　　(a)节流孔孔径为1.0 mm和1.5 mm时增压缸的气体压强(b)节流孔孔径为2.0 mm，3.0 mm和4.0 mm时增压缸的气体压强
　　
　　
　　由图5(a)可知，当节流孔孔径分别为1.0 mm和1.5 mm时，增压缸内出现过充情况，且孔径越小，过充持续时间越长；同样，在排气时也出现过排现象.由图5(b)可知，当节流孔孔径增大到2.0 mm时，只在刚开始时出现一个瞬间的较小过充量，随着孔径增大为3.0 mm和4.0 mm时，增压缸无过充或过排量.3.3节流孔孔径大小对进气阀门振荡的影响
　　节流孔孔径大小对进气阀门振荡的影响见图6.由图6(a)可知，节流孔孔径越小，进气阀门在最大开度处停留的时间越长，造成过充.对比图6(a)和6(b)可知，随着节流孔孔径的增大，虽然阀门在最大开度处停留时间变短，但节流孔的阻尼作用减小，造成阀门振荡逐渐增大.
　　(a)节流孔孔径为1.0 mm和1.5 mm的进气阀门位移(b)节流孔孔径为为2.0 mm，3.0 mm和4.0 mm时进气阀门位移
　　图 6节流孔孔径大小对进气阀门振荡的影响
　　Fig.6Effect of throttle hole diameter on inlet valve oscillation
　　
　　3.4节流孔孔径大小对增压缸内气体温度变化的影响节流孔孔径大小对增压缸内气体温度变化的影响见图7.由图7(a)可知，在充气和排气阶段，温度分别升高和降低，温度变化最大为7 K左右；但当节流孔孔径分别为1.0 mm和1.5 mm时，在充气后的保压阶段初期，温度降低较大.这是由于增压缸气缸内气体压强的过充量很大，从该过充压强下降到预设压强时，会使温度降低；之后再与周围环境进行热交换，降低到环境温度.同理，在缓解阶段的温度上升也是由于过排的影响.根据图5的结论，随着孔径的不断增大，过充或过排量逐渐减少，直至孔径分别为3.0 mm和4.0 mm时增压缸无过充或过排量.由图7(b)可知，当节流孔孔径分别为3.0 mm和4.0 mm时，温度变化不会异常.
　　(a)节流孔孔径为1.0 mm，1.5 mm和2.0 mm时增压缸内气体温度变化(b)节流孔孔径为3.0 mm和4.0 mm时增压缸内气体温度变化图 7节流孔孔径大小对增压缸内气体温度变化的影响
　　Fig.7Effect of throttle hole diameter on gas temperature change of pressurized cylinder
　　
　　3.5节流孔孔径大小对制动气缸的气体压强和质量变化的影响节流孔孔径大小对制动气缸内气体压强变化的影响见图8(a)，可知，在前2次充气制动过程中，制动气缸内气体压力都有一个阶段性的降低，其中，孔径为2.0 mm时，气体压力降低量最小.在缓解排气阶段，缸内压强理论上应保持不变，但由图8(a)可知，当孔径为1.0 mm和1.5 mm时，气缸压强有一个较大的下降量，这是由于小孔径时存在过排造成的.节流孔孔径大小对制动气缸内气体质量变化的影响见图8(b)，可知，其与图8(a)所示的节流孔孔径大小对制动气缸内气体压强变化的影响有类似的变化规律，其中，当孔径为2.0 mm时气体消耗量最小，从100 kPa上升到500 kPa所消耗的气体量为9.68 g.
　　(a)对气体压强变化的影响(b)对气体质量变化的影响
　　
　　3.6优化结果
　　仿真结果表明：随着孔径的不断增大，过充或过排量逐渐减少，直至孔径达到3.0 mm时，增压缸无过充或过排量，同时，增压缸内气体温度的变化也随着过充或过排量的减少而趋于正常；然而随着孔径的不断增大，节流孔的阻尼作用减小，造成阀门振荡逐渐增大.通过对制动气缸内气体的压强和质量进行研究发现，当孔径为2.0 mm时，气体的压强降低量和气体消耗量达到最小值.综合考虑到节流孔孔径对增压缸内气体压强、温度和阀门振荡的影响以及对制动气缸压强及耗气量的影响，节流孔孔径优选为2.0~3.0 mm.
　　4结束语
　　使用AMESim建立CRH 2 EMU空气制动系统FD-1型中继阀仿真模型，仿真分析节流孔孔径对增压缸内气体压强、温度和阀门振荡的影响以及对制动气缸压强及耗气量的影响，综合考虑节流孔孔径对中继阀各方面性能的影响，节流孔孔径应优选为2.0~3.0 mm.

　　
　　参考文献：
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