高速動(dòng)車組供風(fēng)系統(tǒng)建模與仿真分析

蔡 麗，杜群威，陳澍軍

(1 華東交通大學(xué)，江西南昌330013; 2 唐山軌道客車有限責(zé)任公司，河北唐山063035)

高速動(dòng)車組供風(fēng)系統(tǒng)建模與仿真分析

蔡 麗1，杜群威2，陳澍軍2

(1 華東交通大學(xué)，江西南昌330013; 2 唐山軌道客車有限責(zé)任公司，河北唐山063035)

以CRH3型動(dòng)車組供風(fēng)系統(tǒng)為研究對(duì)象，通過分析供風(fēng)系統(tǒng)的工作原理和動(dòng)車組耗風(fēng)設(shè)備組成，建立了供風(fēng)系統(tǒng)的仿真模型，并對(duì)供風(fēng)單元和整車供風(fēng)特性進(jìn)行仿真。得到了供風(fēng)單元的供風(fēng)特性以及整車空氣充風(fēng)特性，研究結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果相符，滿足設(shè)計(jì)使用要求。此研究方法為高速動(dòng)車組供風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和匹配研究提供理論依據(jù)?；贏MESim軟件建立的供風(fēng)系統(tǒng)仿真模型，為動(dòng)車組空氣系統(tǒng)相關(guān)研究提供支持。

動(dòng)車組;AMESim;供風(fēng)系統(tǒng);仿真

鐵路制動(dòng)系統(tǒng)一般采用壓縮空氣作為制動(dòng)原動(dòng)力，早期的供風(fēng)單元選型都是根據(jù)現(xiàn)有數(shù)據(jù)或者經(jīng)驗(yàn)選取已有的供風(fēng)單元，很少對(duì)供風(fēng)單元進(jìn)行整體更改和改型，隨著動(dòng)車組速度的提高，高速環(huán)境下供風(fēng)系統(tǒng)的大流量輸出對(duì)部件的性能和部件之間的匹配性有很高的要求。傳統(tǒng)的依據(jù)樣機(jī)改進(jìn)的設(shè)計(jì)方式已經(jīng)不能滿足現(xiàn)狀，部件間的參數(shù)匹配會(huì)延長設(shè)計(jì)周期，還會(huì)造成人力、物力及財(cái)力的耗費(fèi)，采用計(jì)算機(jī)虛擬仿真技術(shù)，對(duì)供風(fēng)系統(tǒng)的充風(fēng)過程進(jìn)行建模，仿真整車的充風(fēng)特性，以驗(yàn)證供風(fēng)系統(tǒng)的性能，采用虛擬仿真技術(shù)改進(jìn)供風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程。計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬技術(shù)的突破性發(fā)展，氣體流動(dòng)理論的日益成熟，為鐵路供風(fēng)系統(tǒng)模擬研究創(chuàng)造了良好的條件，采用此技術(shù)不僅能夠模擬設(shè)備供風(fēng)特性，還能對(duì)整個(gè)空氣系統(tǒng)進(jìn)行供風(fēng)量研究，同時(shí)還可以進(jìn)行供風(fēng)系統(tǒng)的匹配性研究。

1 供風(fēng)系統(tǒng)工作原理

圖1 CRH3型動(dòng)車組空氣系統(tǒng)功能圖

圖2 整車供風(fēng)耗風(fēng)設(shè)備組成

CRH3型動(dòng)車組的空氣系統(tǒng)功能組成如圖1所示，從使用功能上將空氣系統(tǒng)分為供風(fēng)設(shè)備、耗風(fēng)設(shè)備和儲(chǔ)風(fēng)設(shè)備，供風(fēng)設(shè)備包括主供風(fēng)單元、輔助供風(fēng)單元，耗風(fēng)設(shè)備包括制動(dòng)控制、基礎(chǔ)制動(dòng)裝置、撒沙裝置、空氣彈簧、廁所、風(fēng)笛、門、空調(diào)等，儲(chǔ)風(fēng)設(shè)備包括總風(fēng)缸、制動(dòng)風(fēng)缸、輔助風(fēng)缸及升弓風(fēng)缸［1］。CRH3型動(dòng)車組有兩個(gè)相同配置的單元組成，一個(gè)單元內(nèi)的用風(fēng)設(shè)備分布如圖2所示，主供風(fēng)單元位于IC03/06車上，供風(fēng)量為1 300 dm3/min，主供風(fēng)單元由主空壓機(jī)、雙塔式空氣干燥器、精細(xì)濾油器、安全閥、單向閥及冷凝水收集器組成，主供風(fēng)單元內(nèi)部裝有1 200 kPa和1 050 kPa兩個(gè)安全閥，分別防止空壓機(jī)高壓損壞和總風(fēng)管壓力過高，主供風(fēng)單元連接有125 dm3的總風(fēng)缸。主供風(fēng)單元通過總風(fēng)管給整列車供風(fēng)，工作壓力為850～1 000 kPa。輔助供風(fēng)單元安裝在TC02/07車，在主供風(fēng)單元無法運(yùn)行且總風(fēng)管壓力低于受電弓升弓工作壓力，受電弓無法升弓，此時(shí)使用輔助供風(fēng)單元對(duì)升弓回路充風(fēng)，保證列車在緊急情況下可以升弓。輔助供風(fēng)單元的供風(fēng)量為80 dm3/min，工作壓力為800 kPa，出口處有900 kPa的安全閥，采用110 V直流供電。風(fēng)缸模塊由總風(fēng)缸、制動(dòng)風(fēng)缸及輔助風(fēng)缸組成，每輛車都安裝有風(fēng)缸模塊，總風(fēng)缸與總風(fēng)管相連，容積125 dm3，制動(dòng)風(fēng)缸為125 dm3，上游通過單向閥與總風(fēng)缸連接，下游連接制動(dòng)控制單元，提供制動(dòng)用風(fēng)，輔助風(fēng)缸提供廁所用風(fēng)、風(fēng)笛用風(fēng)及車鉤用風(fēng)。

2 供風(fēng)系統(tǒng)建模與仿真分析

2.1 供風(fēng)部件原理分析

LMS Imagine.Lab AMESim是多學(xué)科復(fù)雜領(lǐng)域仿真平臺(tái)，利用元件庫里的基本模型可以進(jìn)行一維化建模，對(duì)供風(fēng)單元的組成和工作原理進(jìn)行分析，建立其充風(fēng)模型，而后建立整車的充風(fēng)模型，仿真各工況下的壓力變化數(shù)據(jù)，與供風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)指標(biāo)和實(shí)際試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，去驗(yàn)證建模的正確性和方法的合理性［2］。

供風(fēng)系統(tǒng)是列車行車安全的重要部件，風(fēng)源系統(tǒng)配置及控制方式的好壞直接影響列車的安全性能。CRH3型動(dòng)車組主供風(fēng)單元的功能組成如圖3所示，電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)雙螺桿壓縮機(jī)進(jìn)行壓縮空氣的輸出，含有油、水的混合氣體通過壓縮機(jī)內(nèi)的油氣分離裝置而分離出絕大部分的油，而后水分通過雙塔式空氣干燥器進(jìn)行分離，分離出來的水進(jìn)冷凝水收集箱，氣體通過精細(xì)油氣分離器而達(dá)到所要求的空氣質(zhì)量，通過總風(fēng)缸輸出到總風(fēng)管供其他設(shè)備使用。壓縮機(jī)原理如圖4所示，外界空氣經(jīng)空氣濾清器過濾后進(jìn)入壓縮機(jī)單元，空氣濾清器上安裝有真空指示器用于判斷空氣濾清器潔凈狀態(tài)，電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的雙螺桿壓縮機(jī)頭將過濾后的空氣進(jìn)行壓縮，此時(shí)由于氣體與油在螺桿旋轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生熱量，升溫后的油氣混合物從壓縮機(jī)機(jī)頭進(jìn)入儲(chǔ)油池進(jìn)行初步冷卻，混合物中的大部分潤滑油落入油池中，氣體通過集油器進(jìn)一步分離潤滑油，而后經(jīng)過空氣冷卻器輸出。在壓縮過程中用于密封、潤滑和散熱的油通過控油單元再次被導(dǎo)入壓縮機(jī)單元。根據(jù)油溫去調(diào)節(jié)的控油單元內(nèi)調(diào)節(jié)器位置，在油溫低于85℃不進(jìn)行油冷卻，在油溫超過85℃時(shí)，通過控油單元?jiǎng)幼?，將散熱回路串入到供油回路中，?dāng)壓縮機(jī)運(yùn)行溫度超過115℃后，保護(hù)系統(tǒng)切斷壓縮機(jī)供電線路。

圖3 主供風(fēng)單元功能圖

圖4 空氣壓縮機(jī)原理圖

輔助供風(fēng)單元安裝在TP車車下，當(dāng)輔助變流系統(tǒng)失電時(shí)主供風(fēng)單元無法工作，此時(shí)如果升弓風(fēng)缸內(nèi)的壓力過低就需要輔助空壓機(jī)啟動(dòng)為受電弓升弓供風(fēng)。

2.2 部件建模

根據(jù)主供風(fēng)單元的特性分析，搭建主供風(fēng)單元的熱交換充風(fēng)模型，如圖5所示，將壓縮機(jī)產(chǎn)熱模型簡化為單純對(duì)氣體加熱，而后通過傳熱器將熱量傳遞給潤滑油，使其溫度上升，吸收熱量后的潤滑油進(jìn)入散熱器進(jìn)行熱交換，通過監(jiān)測潤滑油的溫度確定散熱器通風(fēng)電機(jī)以及壓縮機(jī)的起停，當(dāng)溫度達(dá)到85℃時(shí)冷卻風(fēng)扇開始強(qiáng)制散熱，使冷卻油溫度下降，如果由于系統(tǒng)故障，冷卻油溫度繼續(xù)上升，當(dāng)溫度超過115℃后，控制回路切斷壓縮機(jī)供電［3］。

圖5 主供風(fēng)單元熱交換供風(fēng)模型

輔助供風(fēng)單元采用單活塞壓縮機(jī)，其模型如圖6所示，由蓄電池供電的110 V直流電機(jī)帶動(dòng)曲柄轉(zhuǎn)動(dòng)，在連桿的帶動(dòng)下，活塞在活塞缸內(nèi)往復(fù)運(yùn)動(dòng)，在充排氣口有規(guī)律的開閉下實(shí)現(xiàn)空氣的壓縮。

圖6 輔助供風(fēng)單元充風(fēng)模型

圖7 整車充風(fēng)模型

在主供風(fēng)單元和輔助供風(fēng)單元模型的基礎(chǔ)上，根據(jù)整車主要儲(chǔ)風(fēng)、耗風(fēng)設(shè)備的組成，建立整車充風(fēng)模型，由于列車空氣系統(tǒng)布置是對(duì)稱的，建模時(shí)只對(duì)前4輛車建模，如圖7所示，給廁所供風(fēng)的輔助風(fēng)缸和空氣彈簧充風(fēng)管路上裝有順序閥，設(shè)定開啟壓力為670 kPa，因此在充風(fēng)時(shí)供風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)先向總風(fēng)缸、制動(dòng)風(fēng)缸以及給風(fēng)笛供風(fēng)的輔助風(fēng)缸供風(fēng)，這是因?yàn)榭諝庀到y(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)首要保證制動(dòng)用風(fēng)，行車時(shí)，司機(jī)必須鳴風(fēng)笛才可以動(dòng)車，首先向風(fēng)笛供風(fēng)可以縮短動(dòng)車組運(yùn)行準(zhǔn)備時(shí)間，保證緊急情況下最短時(shí)間出庫，同時(shí)在救援情況下可以減少壓縮空氣不必要的耗費(fèi)。

2.3 部件仿真

輔助供風(fēng)單元由于活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，其供風(fēng)曲線如圖8所示，在輔助空壓機(jī)空氣出口存在壓力脈動(dòng)現(xiàn)象，其充風(fēng)壓力變化近似為一條曲線，但對(duì)其局部放大即可得到真實(shí)的壓力變化情況:輔助供風(fēng)單元輸出壓力呈階梯狀上升，這是由于活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致活塞排氣塞門規(guī)律的開啟和關(guān)閉造成的壓力階躍現(xiàn)象。

圖8 輔助供風(fēng)單元供風(fēng)壓力曲線

根據(jù)整車運(yùn)用確定供風(fēng)系統(tǒng)的充風(fēng)指標(biāo)為:(1)記錄兩組主空壓機(jī)工作時(shí)，總風(fēng)缸壓力由0 kPa上升到1 000 kPa的時(shí)間小于20 min;(2)切除空氣彈簧后，記錄兩組主空壓機(jī)工作時(shí)，總風(fēng)缸壓力由0 kPa上升到1 000 kPa的時(shí)間小于12 min;(3)切除空氣彈簧和為廁所供風(fēng)的輔助風(fēng)缸后，記錄兩組主空壓機(jī)工作時(shí)，總風(fēng)缸壓力由0 kPa上升到1 000 kPa的時(shí)間小于9 min; (4)啟動(dòng)輔助供風(fēng)單元，升弓風(fēng)缸壓力從0 kPa上升到800 kPa的時(shí)間小于3 min30 s。

根據(jù)整車供風(fēng)工況對(duì)主供風(fēng)單元的供風(fēng)能力進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果如圖9所示，充風(fēng)開始時(shí)總風(fēng)缸壓力上升，當(dāng)總風(fēng)缸壓力到達(dá)670 kPa時(shí)，給廁所供風(fēng)的輔助風(fēng)缸和空氣彈簧充風(fēng)管路上的順序閥開啟，空氣彈簧充風(fēng)到高度閥水平后保持平衡，壓力不再上升，輔助風(fēng)缸壓力達(dá)到670 kPa時(shí)與總風(fēng)缸一起充風(fēng)，充風(fēng)時(shí)間為1 122 s。當(dāng)切除空簧回路后進(jìn)行仿真，充風(fēng)時(shí)間為620 s。當(dāng)切除空簧回路和廁所供風(fēng)輔助風(fēng)缸后進(jìn)行仿真，充風(fēng)時(shí)間為529 s。

當(dāng)總風(fēng)管無風(fēng)時(shí)，使用輔助供風(fēng)單元對(duì)受電弓進(jìn)行充風(fēng)，模擬此工況下輔助供風(fēng)單元供風(fēng)能力，仿真結(jié)果如圖9所示，充風(fēng)時(shí)間143 s。將仿真數(shù)據(jù)和設(shè)計(jì)指標(biāo)、實(shí)際試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比:仿真結(jié)果與實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果相一致，且符合設(shè)計(jì)指標(biāo)，見表1所示。

圖9 主供風(fēng)單元充風(fēng)仿真曲線

當(dāng)動(dòng)車組處于救援模式時(shí)，通過單管機(jī)車對(duì)動(dòng)車組進(jìn)行充風(fēng)，此時(shí)機(jī)車列車管與被救援動(dòng)車組列車管相連，通過打開動(dòng)車組頭車車底設(shè)備箱內(nèi)的充風(fēng)塞門，使列車管通過單向閥向總風(fēng)管充風(fēng)，列車管最高壓力為600 kPa，假設(shè)機(jī)車列車管供風(fēng)能力為1 500 dm3/min，此時(shí)由于順序閥的作用，給廁所供風(fēng)用風(fēng)缸和空簧無法充風(fēng)，此工況下的仿真結(jié)果如圖10所示，充風(fēng)時(shí)間580 s。

圖10 單管供風(fēng)充風(fēng)仿真曲線

3 結(jié)束語

本文對(duì)CRH3型高速動(dòng)車組空氣系統(tǒng)進(jìn)行建模和仿真。按照 CRH3型動(dòng)車組空氣系統(tǒng)的組成，采用AMESim軟件對(duì)供風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行建模，并進(jìn)行了主、輔供風(fēng)單元的模型搭建和仿真，在此基礎(chǔ)上搭建了整車的充風(fēng)模型，完成了主供風(fēng)單元的充風(fēng)仿真、輔助供風(fēng)單元充風(fēng)仿真，得到的仿真結(jié)果與實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果相符，驗(yàn)證了模型建立和仿真方法的正確性、合理性，進(jìn)而進(jìn)行了單管機(jī)車救援模式下的充風(fēng)仿真。對(duì)供風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行仿真模擬分析研究，為空氣系統(tǒng)研究提供了一條新的研究途徑，可以大大縮短產(chǎn)品的開發(fā)周期，提高系統(tǒng)的匹配性。

［1］ 楊偉君，李邦國，范榮巍，等.和諧號(hào)動(dòng)車組風(fēng)源系統(tǒng)及其管理［J］.鐵道機(jī)車車輛，2011，31(5):55-60.

［2］ 付永領(lǐng)，齊海濤.LMS Imagine.Lab AMESim系統(tǒng)建模和仿真實(shí)例教程［M］.北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2011.

［3］ 李和平，楊偉君，金哲，等.高速列車制動(dòng)系統(tǒng)氣動(dòng)仿真平臺(tái)［J］.鐵道機(jī)車車輛，2011，31(5):89-92.

Analysis of Modeling and Simulation for Air Supply System of EMU

CAI Li1，DU Qunwei2，CHEN Shujun2
(1 East China Jiaotong University，Nanchang 330013 Jiangxi，China; 2 CNR Tangshan Railway Vehicle Co.，Ltd.，Tangshan 063035 Hebei，China)

In this paper，CRH3 EMU air-supply system is taken as the research object.By analyzing the principle of air supply system and EMU wind equipment，the simulation model of air supply system is established，and the air supply unit and EMU air supply characteristics are simulated.The results fit well with experiment and the design requirements are air supply characteristics of air supply unit and EMU air charging characteristics.This method provides a theoretical basis for research and design of high speed EMU air supply system.Air supply system simulation model，which is based on AMESim software，provides support for related research of EMU air system.

CRH3;AMESim;air supply system;simulation

U266.2

A

10.3969/j.issn.1008－7842.2015.02.11

1008－7842(2015)02－0046－05

)女，碩士研究生(

2014－09－19)