基于AMESim的地鐵風(fēng)源系統(tǒng)建模與仿真

王保紅 矯朋濤

(鄭州市軌道交通有限公司運營分公司,河南鄭州 450000)

基于AMESim的地鐵風(fēng)源系統(tǒng)建模與仿真

王保紅 矯朋濤

(鄭州市軌道交通有限公司運營分公司,河南鄭州 450000)

本文以地鐵車輛風(fēng)源系統(tǒng)為研究對象,利用AMESim軟件進行建模和仿真。通過建立設(shè)備和風(fēng)源系統(tǒng)的仿真模型,并對供風(fēng)特性進行仿真,得到主供風(fēng)單元的充風(fēng)時間曲線及整車充風(fēng)特性。

地鐵 風(fēng)源系統(tǒng) 仿真

1 風(fēng)源系統(tǒng)仿真的目的和意義

風(fēng)源系統(tǒng)作為地鐵車輛的重要源部件，為地鐵車輛制動、轉(zhuǎn)向架空氣彈簧、受電弓提供壓縮空氣，是保證車輛正常運行的十分重要的系統(tǒng)，因此對地鐵風(fēng)源系統(tǒng)進行深入研究是十分有必要的[1]。

圖1 主供風(fēng)單元供風(fēng)模型

圖2 輔助供風(fēng)單元模型

圖3 整車建模

傳統(tǒng)風(fēng)源系統(tǒng)設(shè)計通常采用成熟的風(fēng)源模塊，通過以往的設(shè)計經(jīng)驗進行改型，這樣需對樣機進行反復(fù)試驗、修改。計算機虛擬仿真技術(shù)的出現(xiàn)，為風(fēng)源系統(tǒng)設(shè)計過程引入了數(shù)值模擬思想，采用AMESim軟件進行氣壓元件建模，進而搭建模型，對其設(shè)備特性進行仿真，同時也為研究地鐵車輛的供風(fēng)特性提供平臺。

2 風(fēng)源系統(tǒng)工作原理

風(fēng)源系統(tǒng)一般由主供風(fēng)單元和輔助供風(fēng)單元組成。主供風(fēng)單元對整車供風(fēng)。輔助供風(fēng)單元為受電弓進行緊急供風(fēng)。

主供風(fēng)單元由空氣壓縮機組、干燥器以及控制裝置等組成?？諝鈮嚎s機組采用活塞式結(jié)構(gòu)，包括壓縮機頭及其驅(qū)動電機，壓縮機頭通過電機驅(qū)動帶動內(nèi)部的活塞運動產(chǎn)生壓縮空氣。過濾器采用雙塔式干燥器，通過兩個干燥塔的切換實現(xiàn)壓縮空氣的干燥。控制裝置對主供風(fēng)單元的壓力進行控制，通過檢測總風(fēng)管壓力變化，控制主供風(fēng)單元的啟停，使總風(fēng)管壓力保持在工作范圍內(nèi)。

輔助供風(fēng)單元設(shè)置在裝有受電弓的車上，通常為腳踏泵或電動泵。腳踏泵結(jié)構(gòu)簡單，空間占用小，無需電路供電，但勞動強度大。電動泵成本高，操作方便，需供電。因此在其配置選擇上要根據(jù)實際情況合理選取[2]。

3 風(fēng)源系統(tǒng)建模與仿真分析

3.1 系統(tǒng)建模分析

AMESim在航天、汽車等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，因其含有整套、可靠的模型庫，在系統(tǒng)建模和多學(xué)科耦合分析中廣受歡迎[3]。

圖4 腳踏泵充風(fēng)與壓力曲線

圖5 雙供風(fēng)充風(fēng)仿真曲線

圖6 單供風(fēng)單元充風(fēng)仿真曲線

地鐵列車一般為6編組，每節(jié)車均有3個100L風(fēng)缸：總風(fēng)缸、制動風(fēng)缸、空簧風(fēng)缸[4]?？傦L(fēng)缸儲存來自主供風(fēng)單元向總風(fēng)管輸出的壓縮空氣。制動風(fēng)缸是保證總風(fēng)缸或總風(fēng)管漏風(fēng)時為制動系統(tǒng)供風(fēng)。空簧風(fēng)缸為空簧供風(fēng)，保證大客流時空簧頻繁排氣、充氣過程的用風(fēng)，空簧風(fēng)缸與主風(fēng)缸之間裝有670kPa順序閥。

主壓縮機組為氣源部件，是仿真的主要對象，主要是兩個低壓缸進行預(yù)壓縮，將第一次壓縮的氣體進行兩次降溫后輸出。

輔助供風(fēng)單元采用單活塞腳踏泵進行仿真。利用腳踏產(chǎn)生動力，氣缸壓縮做功，輸出氣體。

3.2 部件建模

根據(jù)對風(fēng)源系統(tǒng)分析，對主供風(fēng)單元建模如圖1。通過對大氣兩次加壓，使其達到工作壓力后輸出。

輔助供風(fēng)單元模型如圖2，通過低速曲軸模擬腳踏運動，帶動壓縮缸進行伸縮運動，從而達到加壓過程。

對整車進行建模，主供風(fēng)單元安裝在01/06車，如圖3。

圖7 頭尾車充風(fēng)響應(yīng)曲線

3.3 部件仿真

輔助供風(fēng)單元：假定人力踩壓周期為3s，其充風(fēng)特性如圖4，5min達到升弓要求，因腳踏泵為活塞式，其壓力變化呈階梯狀。由于壓縮空氣有容積效應(yīng)，在充風(fēng)周期中，出現(xiàn)尖角。

根據(jù)主供風(fēng)單元的供風(fēng)特性和地鐵風(fēng)缸配置情況選取整車典型工況進行研究。其工況為：兩臺同時供風(fēng)、一臺單獨供風(fēng)。兩臺同時供風(fēng)如圖5，充風(fēng)時，主風(fēng)缸和制動風(fēng)缸優(yōu)先充風(fēng)，其壓力上升，當(dāng)充風(fēng)310s時空氣管路壓力達到順序閥開啟壓力，主風(fēng)管向空簧風(fēng)缸充風(fēng)，375s時空簧風(fēng)缸充風(fēng)至670kPa，三風(fēng)缸同時充風(fēng)，主風(fēng)管壓力達到1000kPa，空壓機停止充風(fēng)。

采用單臺供風(fēng)時，設(shè)定只有01車主供風(fēng)單元工作，其充風(fēng)如圖6，626s時順序閥達到工作壓力開啟，空簧風(fēng)缸開始充風(fēng)，700s時空簧風(fēng)缸與主風(fēng)缸壓力一致，三風(fēng)缸同時充風(fēng)，1324s時充風(fēng)完成。01、06車主風(fēng)缸300s內(nèi)的壓力變化如圖7，01車主風(fēng)缸壓力高于06車，說明充風(fēng)時壓縮空氣波速隨時間的增加趨于一致。

4 結(jié)語

本文對某型地鐵車輛風(fēng)源系統(tǒng)進行了研究，分析了風(fēng)源系統(tǒng)組成，建立主供風(fēng)單元與輔助供風(fēng)單元的充風(fēng)模型以及整車充風(fēng)模型，在此基礎(chǔ)上完成充風(fēng)性能研究和兩種工況下整車充風(fēng)的仿真，仿真試驗結(jié)果符合車輛運營要求，驗證了AMESim軟件對于制動系統(tǒng)風(fēng)源研究的正確性、合理性。為供風(fēng)研究提供了新的方法，縮短設(shè)計周期。

[1]李培曙.關(guān)于國產(chǎn)地鐵制動幾個問題的探討[J].鐵道車輛,2000,38 (z1):68-71.

[2]蔣廉華,陽靖,王少偉,等.地鐵車輛升弓腳踏泵應(yīng)用探討[J].電力機車與城軌車輛,2009,32(3):11-13.

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

[4]劉安.城軌車輛供風(fēng)系統(tǒng)用風(fēng)量計算及驗證試驗[J].機車電傳動, 2010,(5):62-66.

王保紅(1986—),女,河南新鄉(xiāng)人,助理工程師,學(xué)位:碩士研究生,研究方向:車輛運用工程。