高速受電弓自動(dòng)降弓閥研究分析

張 雪，王俊勇

（西南交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，四川成都610031）

高速受電弓自動(dòng)降弓閥研究分析

張 雪，王俊勇

（西南交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，四川成都610031）

介紹了CRH380CL型高速動(dòng)車組受電弓自動(dòng)降弓閥的功能、原理和結(jié)構(gòu)，基于AMEsim軟件進(jìn)行模擬和仿真，從仿真結(jié)果分析得出影響高速受電弓升弓時(shí)間和自動(dòng)降弓閥靈敏度和穩(wěn)定性的相關(guān)因素。分析自動(dòng)降弓閥設(shè)計(jì)參數(shù)和升降性能之間的關(guān)系，由此提出改進(jìn)優(yōu)化高速受電弓自動(dòng)降弓閥結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法。

受電弓；自動(dòng)降弓閥；AMEsim；建模仿真

受電弓是安裝在車頂上的從接觸網(wǎng)獲取和傳遞電流的機(jī)械裝置。CRH380CL型動(dòng)車組是我國(guó)研制的新一代16輛編組的高速動(dòng)車組，其選用的受電弓采用先導(dǎo)閉環(huán)主動(dòng)控制技術(shù)，具有可靠的穩(wěn)定性、適應(yīng)性和良好的空氣動(dòng)力學(xué)性能，采用的自動(dòng)降弓保護(hù)系統(tǒng)可以滿足高速動(dòng)車組速度300 km/h及以上的速度運(yùn)營(yíng)需求。以CRH380CL型高速動(dòng)車組受電弓自動(dòng)降弓閥為研究對(duì)象，對(duì)影響其靈敏度和穩(wěn)定性的相關(guān)因素進(jìn)行深入地分析討論。

1 自動(dòng)降弓閥結(jié)構(gòu)及工作原理

CRH380CL型高速受電弓配有獨(dú)特的自動(dòng)降弓系統(tǒng)（Automatic Dropping Device：ADD）。ADD在受電弓碳滑板受外力損壞或磨耗到期，檢測(cè)氣路產(chǎn)生漏氣（在規(guī)定范圍之外）時(shí)實(shí)現(xiàn)受電弓自動(dòng)快速的降弓。降弓之后，如果碳滑板氣路未修復(fù)，它可以阻止受電弓進(jìn)行升弓操作。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高、反應(yīng)靈敏，正常狀態(tài)下可以使受電弓弓頭在1 s內(nèi)下降200 mm以上，從而保證受電弓、動(dòng)車組電氣部件和接觸網(wǎng)線路的安全。

ADD系統(tǒng)安裝在受電弓底架上，通過(guò)判斷檢測(cè)碳滑板內(nèi)部氣路是否漏泄，來(lái)實(shí)現(xiàn)快速降弓功能。ADD閥的結(jié)構(gòu)原理如圖1所示：

ADD閥體內(nèi)部分為上下兩個(gè)腔室，來(lái)自動(dòng)車組空氣壓縮機(jī)的壓縮空氣經(jīng)過(guò)精細(xì)調(diào)壓閥后，分為兩路，一路向受電弓氣囊充氣，另一路進(jìn)入ADD閥下腔室，同時(shí)下腔室經(jīng)過(guò)帶有節(jié)流小孔的橡膠膜板向上腔體充風(fēng)。上腔體輸出分兩路，一路通碳滑板檢測(cè)氣路，另一路和壓力開(kāi)關(guān)連接。正常狀態(tài)下，ADD閥不動(dòng)作，下腔通過(guò)節(jié)流小孔不斷的給上腔和檢測(cè)氣路供氣，保持壓力平衡，并保證產(chǎn)生較小的壓力波動(dòng)和碳滑板少量泄露（允許范圍內(nèi)）時(shí)，不會(huì)引起受電弓自動(dòng)降弓。如果泄漏量大于允許范圍，由于節(jié)流孔徑非常小，下腔向上腔補(bǔ)風(fēng)不足，導(dǎo)致上腔氣壓迅速下降，上下腔體產(chǎn)生一定的壓力差，推動(dòng)膜板上移，排氣口打開(kāi)，氣囊壓縮空氣排出，受電弓快速下降，使弓頭1 s內(nèi)快速脫離接觸網(wǎng)200 mm以上。降弓的控制方式是隨著氣囊內(nèi)的壓力空氣排空后，由重力作用實(shí)現(xiàn)的。ADD閥同時(shí)在正常的升降弓過(guò)程中也發(fā)揮著重要作用，受電弓控制單元壓力開(kāi)關(guān)通過(guò)檢測(cè)上腔的壓力值來(lái)進(jìn)行高低電壓的轉(zhuǎn)換，TCMS通過(guò)檢測(cè)壓力開(kāi)關(guān)的狀態(tài)來(lái)監(jiān)控受電弓的狀態(tài)。該ADD閥滿足了響應(yīng)時(shí)間迅速、動(dòng)作靈敏等特性，具有良好的靈敏度和穩(wěn)定性要求。

2 模型建立

2.1 流量方程

為了研究氣體的流量特性，一般認(rèn)為氣體通過(guò)節(jié)流孔時(shí)氣體是相對(duì)穩(wěn)定的一維流動(dòng)，其流動(dòng)情形與收縮噴嘴相似，用收縮噴嘴的流量特性來(lái)表示其流量特性。設(shè)氣體是絕熱流動(dòng)，由理想氣體伯努利方程可得，出口處的空氣流速為：

空氣流速：

式中k為比熱比；P0、P1為節(jié)流孔下、上游壓力；ρ0為下游空氣密度。

體積流量：

式中α為流量系數(shù)；A為噴嘴出口面積。質(zhì)量流量：

式中ρ1為上游空氣密度。

對(duì)于膜板，則有：

式中d0為下腔膜板有效直徑；d1為排風(fēng)口直徑；d2為上腔膜板有效直徑；m為膜板質(zhì)量；T0為膜板彈簧力。

對(duì)于排風(fēng)縮堵，有：

式中T1為排風(fēng)彈簧力。

2.2 AMEsim模型建立

AMEsim軟件提供了一個(gè)系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)的完整平臺(tái)，可以在同一平臺(tái)上建立多學(xué)科領(lǐng)域系統(tǒng)的模型，基于物理模型的圖形化建模方法，可以從繁瑣的數(shù)學(xué)建模中解脫出來(lái)，專注于物理系統(tǒng)本身的設(shè)計(jì)，從而便于工程技術(shù)人員的掌握和使用。根據(jù)ADD閥結(jié)構(gòu)原理，以1 dm3風(fēng)缸模擬碳滑板氣路，5 dm3風(fēng)缸模擬氣囊，運(yùn)用氣動(dòng)庫(kù)建立的ADD閥仿真模型如圖2所示。

進(jìn)行模擬的參數(shù)設(shè)置按照ADD閥在高速動(dòng)車組上的工況來(lái)設(shè)置，主要參數(shù)如表1所示。

3 仿真結(jié)果分析

通過(guò)對(duì)ADD閥部分相關(guān)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，進(jìn)行模擬分析，得出其仿真結(jié)果如下：

3.1 進(jìn)氣口縮孔大小與升弓時(shí)間的關(guān)系

將模型中進(jìn)氣口縮孔大小分別設(shè)為1.2，1.4，1.6，1.8 mm，其余保持默認(rèn)設(shè)置，得出升弓時(shí)氣囊的壓力和ADD上腔壓力曲線如圖3所示。

受電弓壓力開(kāi)關(guān)的工作范圍是250～300 k Pa，由圖3、圖4可以看出，受電弓升弓時(shí)間即從發(fā)出升弓命令到壓力開(kāi)關(guān)常開(kāi)回路閉合的時(shí)間分別為11.6，9.1，8.1，7.5 s。增大進(jìn)氣口縮孔可以有效的加快氣囊壓力上升速率，從而縮短升弓時(shí)間。但是隨著進(jìn)氣口縮孔的不斷增大，空氣的補(bǔ)風(fēng)速度越來(lái)越快，氣囊壓力相對(duì)上升速率并不顯著，從而其對(duì)升弓時(shí)間的影響也越來(lái)越小。根據(jù)動(dòng)車組和受電弓之間的控制協(xié)議，司機(jī)發(fā)出升弓命令之后的20 s之內(nèi)動(dòng)車組控制系統(tǒng)必須收到壓力開(kāi)關(guān)常開(kāi)回路的閉合信號(hào)，同時(shí)若受電弓的升弓時(shí)間過(guò)短會(huì)導(dǎo)致碳滑板和接觸網(wǎng)、上臂等機(jī)械結(jié)構(gòu)受到一定的機(jī)械沖擊，縮短受電弓的使用壽命，所以進(jìn)氣口縮孔孔徑一般根據(jù)情況選擇1.4 mm或者1.6 mm。通過(guò)增大進(jìn)氣口縮孔的直徑可以有效的縮短升弓時(shí)間，同時(shí)不會(huì)對(duì)ADD閥的穩(wěn)定性和靈敏度等因素造成不良的影響，是高速動(dòng)車組運(yùn)營(yíng)過(guò)程中調(diào)節(jié)升弓時(shí)間的一種可靠的方式。

3.2 節(jié)流孔直徑與升弓時(shí)間的關(guān)系

進(jìn)氣口縮孔直徑為1.6 mm，將膜板節(jié)流孔直徑分別設(shè)置0.9，1.0，1.1，1.2 mm，得出ADD上腔壓力曲線如圖5所示。

受電弓的升弓時(shí)間分別為12.4，10.2，8.6，7.4 s。增大膜板節(jié)流孔直徑可以有效的縮短ADD閥內(nèi)部膜板上下壓力平衡的時(shí)間，從而縮短受電弓升弓時(shí)間。隨著節(jié)流孔直徑的持續(xù)增大，其對(duì)升弓時(shí)間的影響越來(lái)越小。

3.3 節(jié)流孔直徑與臨界泄漏量之間的關(guān)系

節(jié)流孔直徑的大小是ADD閥響應(yīng)靈敏度和穩(wěn)定性的重要因素，模型中以排大氣的小孔直徑大小來(lái)模擬泄漏量的大小，分別得出各節(jié)流孔達(dá)到臨界時(shí)ADD上腔壓力和泄漏量如圖6所示。

由于膜板動(dòng)作是由上下腔的壓力控制的，由式（4）計(jì)算得出若使膜板動(dòng)作，ADD上腔壓力最小達(dá)到282.497 k Pa，由式（3）計(jì)算得出各節(jié)流孔的最小泄漏量，對(duì)比數(shù)據(jù)如表2所示：

由圖7和表2可以看出，膜板節(jié)流孔的直徑越大，則允許的臨界最小泄漏量就會(huì)越大。在高速運(yùn)行時(shí)由于受電弓機(jī)械結(jié)構(gòu)的作用會(huì)導(dǎo)致氣囊有一定的壓力波動(dòng)以及受電弓的管路連接處不可避免的會(huì)產(chǎn)生少量的泄漏情況，使得膜板上下要允許一定的壓差范圍，即節(jié)流孔直徑不能太小，以免誤動(dòng)作發(fā)生降弓，保證ADD閥的穩(wěn)定性。同時(shí)節(jié)流孔直徑不能過(guò)大，若發(fā)生緊急情況，節(jié)流孔較大，ADD下腔的壓力空氣會(huì)迅速由節(jié)流孔補(bǔ)風(fēng)到上腔，膜板上移量小，排風(fēng)減少，靈敏度降低。所以選擇適當(dāng)?shù)墓?jié)流孔直徑來(lái)同時(shí)保證靈敏度和穩(wěn)定性的要求，根據(jù)上述仿真分析，選取1 mm為宜。

3.4 排風(fēng)彈簧力大小與ADD響應(yīng)時(shí)間的關(guān)系

由圖3可以看出，受電弓在升弓的過(guò)程中氣囊壓力會(huì)有大概1 s的時(shí)間壓力未上升，是由于升弓初期膜板上下壓力差導(dǎo)致的ADD短暫排風(fēng)的現(xiàn)象，由式（5）可計(jì)算出氣囊壓力需大于91 k Pa時(shí)排風(fēng)縮堵才會(huì)打開(kāi)，與圖中數(shù)值基本一致，所以排風(fēng)彈簧的剛度和初始力的大小對(duì)縮短升弓初期壓力平衡的時(shí)間也有一定的影響。取節(jié)流孔直徑1.0 mm，當(dāng)由于泄漏原因觸發(fā)自動(dòng)降弓時(shí)，氣囊的壓力值變化如圖8所示。

由圖8可以看出，當(dāng)ADD膜板開(kāi)始動(dòng)作，此時(shí)受電弓弓頭立即脫離接觸網(wǎng)，1 s內(nèi)氣囊壓力迅速由335 k Pa下降到110 k Pa左右，弓頭脫離接觸網(wǎng)200 mm的時(shí)間大約是0.82 s。由于排風(fēng)彈簧控制ADD的排風(fēng)時(shí)間，使得弓頭迅速脫離接觸網(wǎng)的同時(shí)氣囊內(nèi)保留有一定的壓力空氣，使受電弓不會(huì)出現(xiàn)較大的機(jī)械沖擊，對(duì)受電弓起到保護(hù)作用。

4 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)CRH380CL型高速受電弓ADD閥的性能分析，可以得到以下結(jié)論：

（1）通過(guò)調(diào)節(jié)節(jié)流孔直徑可以調(diào)節(jié)升弓時(shí)間，隨著孔徑的變大影響越來(lái)越小，而且會(huì)改變閥的靈敏度和穩(wěn)定性。進(jìn)氣口縮孔對(duì)升弓時(shí)間的影響隨著孔徑的變大影響逐漸減小，但不會(huì)對(duì)ADD閥的性能產(chǎn)生影響，所以一般通過(guò)改變進(jìn)氣口縮孔大小來(lái)調(diào)節(jié)升弓時(shí)間。

（2）橡膠膜板節(jié)流孔直徑的大小是影響ADD閥功能的重要參數(shù)?？讖皆龃?，閥穩(wěn)定性會(huì)增強(qiáng)，但會(huì)降低閥的靈敏度，反之則情況相反。所以應(yīng)選擇適當(dāng)?shù)目讖酵瑫r(shí)滿足靈敏度和穩(wěn)定性的要求，孔徑一般選擇1.0 mm為宜。

（3）排風(fēng)彈簧的剛度和初始力影響受電弓緊急降弓的響應(yīng)時(shí)間和排風(fēng)速度，保證受電弓弓頭可以在1 s內(nèi)脫離接觸網(wǎng)200 mm以上。

［1］ 徐炳輝.氣動(dòng)手冊(cè)［M］.上海：上?？茖W(xué)技術(shù)出版社.2005.

［2］ 楊 璨.貨車動(dòng)車組制動(dòng)系統(tǒng)的建模及仿真研究［D］.成都：西南交通大學(xué)，2010.

［3］ 付永領(lǐng)，祁曉野.AMEsim系統(tǒng)建模與仿真［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2006.

［4］ 王 敏.主動(dòng)控制受電弓機(jī)理解析及試驗(yàn)應(yīng)用研究［D］.成都：西南交通大學(xué)，2013，（5）：13－16.

［5］ 郭桂林，王俊勇.高速受電弓運(yùn)動(dòng)學(xué)分析［J］.機(jī)車電傳動(dòng)，2013，（05）：13－16.

Research and Analysis of High-speed Pantograph Automatic Dropping Valve

ZH ANG Xue，WANG Junyong
（School of Mechanical Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031 Sichuan，China）

The function，principle and structure of the pantograph automatic dropping valve used on CRH380CL EMU is introduced.The simulation is built based on AMEsim software.From the results of simulation，the related factors of the rising time of high-speed pantograph and the sensitivity and stability of automatic dropping valve are obtained.By analysis of the relationship between each parameter and the corresponding performance of the valve，the design method of improving optimization of high-speed pantograph automatic dropping valve＇s structure is presented.

pantograph；automatic dropping valve；AMEsim；simulation

U255.2

A

10.3969/j.issn.1008－7842.2014.05.28

1008－7842（2014）05－0103－04

?）男，研究生（

2014－03－19）