現(xiàn)代有軌電車液壓制動油源系統(tǒng)及工作流量參數(shù)化計算

趙春光

(中國鐵道科學(xué)研究院機車車輛研究所,100081,北京//助理研究員)

現(xiàn)代有軌電車液壓制動油源系統(tǒng)及工作流量參數(shù)化計算

趙春光

(中國鐵道科學(xué)研究院機車車輛研究所,100081,北京//助理研究員)

結(jié)合現(xiàn)代有軌電車液壓制動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和使用特點,闡述了液壓制動系統(tǒng)的基本構(gòu)成和工作原理。針對其中的油源系統(tǒng),研究其參數(shù)的計算方法,建立關(guān)鍵部件的計算模型,為關(guān)鍵部件的設(shè)計、選型提供了有效依據(jù)。通過集成各部件的計算方法,建立了液壓制動油源系統(tǒng)的正向設(shè)計參數(shù)化計算方法。經(jīng)試驗驗證,該設(shè)計計算方法可以有效指導(dǎo)產(chǎn)品的設(shè)計過程。

現(xiàn)代有軌電車; 液壓制動; 油源系統(tǒng); 工作流量; 參數(shù)化計算

Author′s address Locomotive & Car Research Institute,China Academy of Railway Sciences,100081,Beijing,China

現(xiàn)代有軌電車多采用70%或100%低地板形式,其轉(zhuǎn)向架設(shè)計非常緊湊。為滿足轉(zhuǎn)向架的空間要求,減小車下設(shè)備的空間,現(xiàn)代有軌電車采用液壓制動系統(tǒng),并將電氣控制單元與液壓類部件從空間上分開。其中電氣控制部分置于車廂內(nèi)部,液壓類部件安裝在車體下方或轉(zhuǎn)向架上。由于液壓制動的介質(zhì)不同于傳統(tǒng)空氣制動,因此設(shè)計需要采用新的方法對其進行設(shè)計計算,為系統(tǒng)搭建及關(guān)鍵零部件設(shè)計選型提供重要依據(jù)。但由于現(xiàn)代有軌電車液壓制動技術(shù)在國內(nèi)剛剛開展,因此目前尚無系統(tǒng)性的計算方法供參考。本文對液壓制動油源系統(tǒng)中關(guān)鍵部件的設(shè)計計算方法進行探索性研究,建立了油源系統(tǒng)關(guān)鍵部件的參數(shù)化模型。同時本文給出了系統(tǒng)工作流量的計算方法,進而為液壓制動系統(tǒng)中閥類、管路的設(shè)計提供了依據(jù)。

1 現(xiàn)代有軌電車液壓制動系統(tǒng)原理及構(gòu)成

依照CJ 417—2012《低地板有軌電車車輛通用技術(shù)條件》的要求,在施加磁軌制動的條件下,現(xiàn)代有軌電車最大常用制動減速度不小于1.1 m/s2,緊急制動減速度不小于2.0 m/s2。

圖1為某型現(xiàn)代有軌電車的制動系統(tǒng)。依照夾鉗單元的不同,制動系統(tǒng)分為主動型和被動型。二者都由電控部分(制動控制單元或閥控制板)以及液壓部分(液壓制動單元、夾鉗單元及蓄能器、手動泵等附件)組成。制動系統(tǒng)接收列車控制單元的指令,通過系統(tǒng)中的制動控制單元把制動指令分別傳達給各車的液壓制動單元,再由液壓制動單元輸出合理的液壓壓力給基礎(chǔ)制動裝置,完成制動動作。

液壓制動單元負(fù)責(zé)制動指令到輸出液壓之間關(guān)系的轉(zhuǎn)換,通過內(nèi)部各閥的動作,配合傳感器的反饋,調(diào)整輸出油液壓力,用于控制液壓夾鉗單元的輸出力,實現(xiàn)各種制動、緩解以及信號反饋等功能。液壓制動單元根據(jù)下游夾鉗單元的不同而分為主動型和被動型。用于控制主動夾鉗單元的稱為主動型液壓制動單元,用于控制被動夾鉗單元的稱為被動型液壓制動單元。

圖2、圖3分別是主動型液壓制動單元和被動型液壓制動單元原理圖。圖中部的豎線將原理圖分為左右2個部分,左側(cè)為壓力建立及儲存部分,右側(cè)為壓力調(diào)整及輸出部分。

圖1 現(xiàn)代有軌電車制動系統(tǒng)

圖2 主動型液壓制動單元

對于壓力建立及儲存部分,主動型與被動型結(jié)構(gòu)功能一致,主要由電機、液壓泵、過濾器、溢流閥、單向閥、壓力傳感器S1、蓄能器和測點組成。電機帶動齒輪泵將液壓油通過過濾器和單向閥輸送到蓄能器并存儲。在壓力建立過程中,傳感器S1負(fù)責(zé)監(jiān)控壓力的變化,當(dāng)蓄能器壓力到達允許上限時關(guān)閉電機;隨著系統(tǒng)工作,蓄能器中油液壓力下降,到達下限時,電機重新開啟,向蓄能器輸送油液。單向閥確保壓力油只可以從泵向外輸出。當(dāng)出現(xiàn)故障造成系統(tǒng)壓力到達限度后還不停止,溢流閥會開啟以防止意外發(fā)生。在電機工作時,溫度開關(guān)會監(jiān)控系統(tǒng)溫度,若溫度過高,會停止電機工作。

對于壓力調(diào)整及輸出部分,由于功能的差異和被控夾鉗單元的特點,主動型和被動型液壓制動單元存在不同。

主動型液壓制動單元的壓力調(diào)整和輸出部分包括2位2通電磁閥V1、比例閥V2、過濾器、壓力傳感器S2等。接到制動指令時,電磁閥V1失電,比例閥根據(jù)輸入電流調(diào)整輸出壓力,壓力傳感器S2對輸出壓力進行監(jiān)控,反饋給控制裝置。當(dāng)緩解時,比例閥失電,不向外輸出壓力,同時電磁閥V1得電,防止泄露過多引起蓄能器壓降過快。過濾器防止外界污染制動單元。

圖3 被動型液壓制動單元

而對于被動型液壓制動單元的壓力調(diào)整和輸出部分,在車輛正常運行時,電磁閥V4得電,保持比例閥與輸出口聯(lián)通。比例閥V2依照輸入電流,調(diào)整并輸出壓力,保持彈簧式被動制動夾鉗處于緩解狀態(tài)。在緩解時電磁閥V1保持得電狀態(tài),切斷比例閥的泄油通道,減少比例閥漏泄。當(dāng)接到控制模塊制動指令時,電磁閥V4得電,比例閥V2依據(jù)輸入電流改變輸出壓力,電磁閥V1失電保證比例閥泄油暢通,從而使得彈簧停放缸按照要求輸出制動力。當(dāng)安全環(huán)路被切斷時,電磁閥V4失電,切換至緊急制動模式,電磁閥V5保持得電狀態(tài),壓力油從電磁閥V4經(jīng)過溢流閥2排出,從而把彈簧制動夾鉗壓力按要求施加。當(dāng)列車停穩(wěn),需要施加停放制動時,電磁閥V4、V5同時失電,壓力油經(jīng)過電磁閥V5完全排出,從而使得彈簧制動夾鉗的力全部施加。在整個制動過程中傳感器S2負(fù)責(zé)監(jiān)控輸出壓力并反饋給控制系統(tǒng)。

雖然不同類型的液壓制動單元結(jié)構(gòu)存在差異,然而究其根本,對于油源系統(tǒng)及系統(tǒng)工作流量的計算方法卻是同樣的。

2 油源系統(tǒng)參數(shù)化計算

由制動系統(tǒng)原理的描述可知,液壓制動油源系統(tǒng)主要承擔(dān)了油液壓力建立及儲存的功能。該功能主要由電機、油泵和蓄能器3個主要部件組成。

油源系統(tǒng)的參數(shù)化計算包括了油量及蓄能器參數(shù)計算和油源供應(yīng)能力計算2個部分。其中油量及蓄能器參數(shù)計算的主要目的是建立系統(tǒng)工作需要的高壓油液的體積模型,進而建立蓄能器的計算模型,為蓄能器的選擇提供依據(jù)。油源供應(yīng)能力計算通過建立電機和泵的關(guān)鍵參數(shù)計算模型,為電機和泵的選擇提供依據(jù)。

2.1 油量及蓄能器參數(shù)計算

2.1.1 用于工作的油液量計算

用于工作的油量Qc,是指一個或一組蓄能器在一個充液周期用于提供制動緩解操作的最少油液用量。它受到以下因素影響:

(1) 最小要求的制動次數(shù)NB:一個或一組蓄能器的充液制動周期完成后,依靠蓄能器內(nèi)油液所能實現(xiàn)的最大工作載荷的制動次數(shù)。

(2) 每次制動的耗油量VB:在最大工作載荷狀態(tài)下,實施一次制動緩解操作所消耗的液壓油,包括所有制動器一次行程消耗的液壓油+制動過程中內(nèi)泄露的液壓油。

所有制動器一次行程消耗的液壓油=每個制動器一次最大載荷工作需要的油液(VC)×制動器個數(shù)(nC)。

制動過程中的系統(tǒng)油量泄露QL(按工作60 s計算)也是油耗的重要組成。QL在基于比例閥的壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)里不可忽略。則:

VB=VC×nC+QL

(1)

Qc=VB×NB=(VC×nC+QL)×NB

(2)

公式(2)用于工作時的油液量需求計算。

2.1.2 蓄能器參數(shù)計算

蓄能器是油液的直接提供部件,需要至少保證Qc的供給。

蓄能器在無油狀態(tài)、工作壓力下限、工作壓力上限對應(yīng)的狀態(tài)分別是(p0,V0)、(p1,V1)、(p2,V2)。其中:p0為蓄能器預(yù)充氮壓力,p1為蓄能器工作壓力下限,p2為蓄能器工作壓力上限,V0為p0時對應(yīng)的氣體體積,V1為p1時對應(yīng)的氣體體積,V2為p2時對應(yīng)的氣體體積。

影響蓄能器供油能力的主要因素有蓄能器容積、預(yù)充氮壓力以及最高和最低工作壓力或?qū)?yīng)的氣體體積;同時,由于軌道車輛運用的特殊性,溫度對蓄能器的影響也不容忽視,要考慮到蓄能器在高低溫下的工作環(huán)境,(在冬季最低溫度Tmin可達-40 ℃;在夏季最高溫度Tmax可達+50 ℃)。蓄能器在常溫狀態(tài)下(20 ℃)進行預(yù)充。在實際應(yīng)用過程中,p1和p2由系統(tǒng)確定,是固定值;而p0,則會受到使用溫度的影響,記為p0(T)。

對于蓄能器,要求蓄能器最高和最低工作壓力時的液體體積差(ΔV)要大于Qc,即:

ΔV=V1-V2≥Qc

(3)

基于以上分析,找尋ΔV與蓄能器容積的關(guān)系。

液壓制動系統(tǒng)用蓄能器充液工作時間很短,可以認(rèn)為是絕熱過程。根據(jù)氣體絕熱過程泊松方程:

(4)

其中的壓力應(yīng)是液壓測量壓力+大氣壓力;γ是氣體的比熱容比,等于定壓比熱容除以定體積比熱容,對于特定氣體來說是一個固定值。氮氣的γ=1.4。

由此可得:

(5)

通過式(5)可以計算出所需蓄能器的容積V0,為蓄能器的選型提供依據(jù)。

2.2 油源供應(yīng)能力計算

油源主要由電機和泵組成。對于油源的計算目標(biāo)在于根據(jù)使用需求,確定電機和泵的主要參數(shù)。

2.2.1 油泵參數(shù)計算

油泵的選取主要根據(jù)油泵的輸出流量、壓力等參數(shù)確定,并確認(rèn)其排量和轉(zhuǎn)速是否能匹配需要的流量。這些油泵參數(shù)的選取,受到輸出總量和工作時間的限制。

定義t1是蓄能器從排空狀態(tài)開始到蓄能器工作壓力上限p2的最大允許充液時間;t2是從蓄能器工作壓力下限p1到蓄能器工作壓力上限p2的最大允許充液時間。

由此可以計算出油泵必須提供的最小流量:

Qp1=60ΔV1/t1

(6)

Qp2=60ΔV2/t2

(7)

式中:

Qp1——蓄能器從0到工作壓力上限p2的最小應(yīng)有流量, L/min;

Qp2——蓄能器從p1到工作壓力上限p2的最小應(yīng)有流量,L/min;

ΔV1——蓄能器從p0到p2壓力變化過程中的體積變化;

ΔV2——蓄能器從p1到p2壓力變化過程中的體積變化。

通過計算式(6)和(7),取其較大者為泵的選擇條件,由此確定泵的流量Qp≥max(Qp1,Qp2)。

泵的流量確定后,還需要確定其轉(zhuǎn)速和排量,以確定泵的型號,并為電機的選取提供依據(jù)。

Qp=10-3Vnηvol

(8)

式中:

Qp——確定的泵的流量, L/min;

V——泵每一轉(zhuǎn)的排量,cm3/r;

n——泵的轉(zhuǎn)速,r/min;

ηvol——泵的容積效率,在1 000到3 000轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)一般取0.93。

根據(jù)式(8)可以選擇合適的泵,并明確泵的轉(zhuǎn)速和排量。

2.2.2 電機參數(shù)計算

電機是油泵的驅(qū)動部件。需要對電機的參數(shù)進行計算,以便確認(rèn)電機是否能夠驅(qū)動油泵并滿足油泵需要的轉(zhuǎn)速以輸出合理的流量。

在液壓制動系統(tǒng)里,電機不需要調(diào)速控制,速度基本穩(wěn)定,因此電機參數(shù)的計算主要包括扭矩和功率的計算。此外,電機的熱平衡情況以及不同負(fù)載下的轉(zhuǎn)速保持能力,是需要通過試驗進行比較研究的。

所需轉(zhuǎn)矩:

M=VΔp/(62.8ηhm)

(9)

式中:

M——電機需要的扭矩,Nm;

Δp——泵出口和進口的壓力差,105Pa;

ηhm——泵的機械效率,低溫啟動時取0.8,工作運轉(zhuǎn)后取0.85。

ΔP是一個變量,在充液的過程中由于蓄能器的壓力不斷增高導(dǎo)致泵出口和入口的壓差不斷增大。為了合理選擇電機,應(yīng)該以Δp的最大值作為計算依據(jù),即Δpmax=p2(壓力上限)。

所需功率:液壓油消耗的功率即所選電機能夠提供的最小功率。

P=QpΔp/(600ηvolηhm)

(10)

式中:

P——泵需要的功率,kW。

在液壓制動系統(tǒng)中,電機帶動油泵給蓄能器供油,這個工作是間斷性、周期性的,因此電機的工作制可以選用S3-25%的方式(S3表示斷續(xù)周期工作制,25%為負(fù)載持續(xù)率)。

3 系統(tǒng)工作流量計算

根據(jù)系統(tǒng)原理,系統(tǒng)的工作流量包含兩方面的內(nèi)容:一方面是油源系統(tǒng)的流量計算,另一方面是壓力調(diào)整及輸出部分的流量計算。系統(tǒng)工作流量計算是液壓制動系統(tǒng)中除油源系統(tǒng)計算外的另一個重要計算,其結(jié)果作為系統(tǒng)中各部件選型的主要依據(jù)。對于油源系統(tǒng)的流量計算是選擇油源系統(tǒng)零部件,如單向閥、濾芯、溢流閥等的基礎(chǔ)。而壓力調(diào)整及輸出部分的流量計算則是確定油路孔徑及選擇油液輸出時流經(jīng)的方向閥、比例閥或溢流閥等零件的基礎(chǔ)。

3.1 油源系統(tǒng)流量計算

油源系統(tǒng)的流量Qi(以L/min計),取決于所選電機和泵的參數(shù)。其計算與公式(8)類似。

Qi=Vnmηvol10-3

(11)

在完成了電機和泵的選型之后,式(11)的參數(shù)都已經(jīng)明確,Qi即可得。

3.2 油液輸出流量計算

油液輸出流量的要求來自于夾鉗單元的響應(yīng)時間。計算出單個液壓制動控制單元一次制動需要輸出的油液量,結(jié)合液壓部件響應(yīng)時間,便可以得出液壓控制單元的輸出流量Qo,以L/min計。

Qo=60(VCnC+QL)/tr

(12)

式中:

tr——液壓部分的響應(yīng)時間。

根據(jù)CJ 417—2012,液壓制動系統(tǒng)緊急制動響應(yīng)時間為0.85 s以內(nèi)?？紤]硬線傳遞時間為0.05 s,電磁閥響應(yīng)時間為0.1 s,則留給液壓系統(tǒng)的時間約為0.7 s。

4 設(shè)計計算

上文所建立的液壓制動油源系統(tǒng)及工作油量參數(shù)化模型,為系統(tǒng)關(guān)鍵部件的設(shè)計選型確定了依據(jù)。這些模型可以直接用于液壓制動系統(tǒng)設(shè)計過程,以確定蓄能器、齒輪泵、電機的關(guān)鍵參數(shù),并確定油源系統(tǒng)和油液輸出部分的工作流量,為系統(tǒng)關(guān)鍵部件的選型提供了重要依據(jù)。

運用上述參數(shù)化模型,對某型現(xiàn)代有軌電車液壓制動系統(tǒng)進行設(shè)計計算。基于技術(shù)條件及設(shè)計經(jīng)驗,確定參數(shù)及相應(yīng)數(shù)值(見表1)作為設(shè)計輸入。

表1 設(shè)計輸入?yún)?shù)及相應(yīng)數(shù)值

計算過程及結(jié)果如下:

(1) 用于工作的油液量:

Qc=0.17 L

(2) 蓄能器容積:常溫條件下,V0應(yīng)≥1.0 L;低溫條件下,V0應(yīng)≥1.17 L;高溫條件下,V0應(yīng)≥0.93 L。查詢各產(chǎn)品手冊后,經(jīng)綜合考慮確定V0=1.4 L。

(3) 油泵參數(shù):Qp≥max (Qp1,Qp2)=0.93 L/min,Vn=1 000 cm3/min。據(jù)此選取V為0.3 cm3/r,n在3 400 r/min左右。

(4) 電機參數(shù):M=0.72 Nm,P=0.25 kW。據(jù)此選取電機額定轉(zhuǎn)矩為0.9 Nm,額定轉(zhuǎn)速為3 300 r/min,功率為280 W。

(5) 油源系統(tǒng)流量:

Qi=0.9 L/min

(6) 油液輸出流量:

Qo=4.9 L/min

5 結(jié)語

本文建立了現(xiàn)代有軌電車液壓制動油源系統(tǒng)及工作流量的參數(shù)化計算方法,為系統(tǒng)部件的設(shè)計、選型提供了重要依據(jù)。應(yīng)用該方法設(shè)計的液壓制動系統(tǒng)已經(jīng)通過第三方試驗認(rèn)可。

隨著現(xiàn)代有軌電車的發(fā)展,其液壓制動技術(shù)也將在未來取得重要的進步。液壓制動關(guān)鍵部件設(shè)計計算方法的持續(xù)深入研究將會推動這一技術(shù)走向成熟,更好地服務(wù)于軌道交通的發(fā)展。

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Parameterization of Oil-supply System and Oil-flow in Hydraulic Braking System for Modern Tram

ZHAO Chunguang

Combining the structure of hydraulic braking system on modernm tram and its application,the basic units and working principle of the hydraulic braking system are exponded. With a study on the computation method of the characters for oil-supply system and oil-flow in hydraulic braking systems designed for modern trams,a parameterized model for key components is established in order to provide an effective method for braking system design and selection.Then,a parameterization computation of the top-down design for modern tram hydraulic braking system is discussed,this prototype proves the validity of the parameterized model.

modern tram; hydraulic braking system; oil-supply system; oil-flow; parameterization computation

U482.1

10.16037/j.1007-869x.2017.04.005

2016-09-18)