流體阻尼制動(dòng)器原理及仿真

史 炎

西南交通大學(xué) 牽引動(dòng)力國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 成都 610031)

列車制動(dòng)方式可以分為空氣制動(dòng)和電氣制動(dòng)兩大類，其中空氣制動(dòng)的源動(dòng)力是壓縮空氣，比較典型的有閘瓦制動(dòng)和盤形制動(dòng)，最終的制動(dòng)方式是摩擦制動(dòng)；而電氣制動(dòng)的源動(dòng)力來自于電力，常見的有動(dòng)力制動(dòng)和電磁制動(dòng)。正在修建的川藏鐵路山高路陡，長大下坡道眾多，對(duì)現(xiàn)有的制動(dòng)方式將是一個(gè)巨大的考驗(yàn)。空氣制動(dòng)的耐久性不強(qiáng)，連續(xù)制動(dòng)很容易引起剎車件溫度急劇升高造成剎車疲軟、剎車片迅速磨損。為此，筆者設(shè)計(jì)了一種利用流體阻尼產(chǎn)生制動(dòng)力的液壓制動(dòng)器，增加了一種機(jī)械制動(dòng)方式，彌補(bǔ)了摩擦制動(dòng)的不足。

1 液壓制動(dòng)器

1.1 原理

液壓制動(dòng)器原理如圖1所示，裝滿油液的容器S1、S2相通，兩個(gè)容器的活塞AB、CD之間嵌入偏心輪，不論偏心輪旋轉(zhuǎn)到任何位置，活塞AB、CD之間的距離恒定為偏心輪的直徑2R。因此，同一時(shí)刻，排出(流入)容器S1的油液體積等于流入(排出)容器S2的油液體積，因此偏心輪能持續(xù)旋轉(zhuǎn)。若在容器S1、S2的連通管中設(shè)置小孔，油液往復(fù)流過小孔則會(huì)產(chǎn)生指向偏心輪圓心的阻尼力，偏心輪旋轉(zhuǎn)一周受到兩組相位相差180°的阻尼力作用。

根據(jù)圖1列出活塞速度：

vp=eωcosωt

(1)

vp為活塞速度，m/s；ω為車輪轉(zhuǎn)速，rad/s；e為偏心距，m。

為了增大制動(dòng)力同時(shí)減小總阻尼力的波動(dòng)，采用兩副液壓制動(dòng)器，如圖2所示，每副液壓缸安裝座固定在構(gòu)架上。偏心輪每轉(zhuǎn)一周產(chǎn)生4個(gè)阻尼力峰值，鄰峰相差90°。每副液壓缸的節(jié)流孔面積通過電磁節(jié)流閥控制。

圖1 液壓制動(dòng)器原理

圖2 液壓制動(dòng)器安裝示意圖

1.2 油液阻尼力

在活塞的驅(qū)動(dòng)下，相通液壓缸內(nèi)的油液反復(fù)通過電磁節(jié)流閥控制的小孔，其原理與液壓減振器相同[1]。根據(jù)流體力學(xué)中的伯努利方程，通過電磁節(jié)流閥后油液產(chǎn)生壓力降：

(2)

作用在活塞上的阻尼力：

(3)

F為阻尼力，N；Ω為活塞截面積，m2；γ為油液密度，kg/m3；A為溢流孔面積，m2；Q為流經(jīng)電磁節(jié)流閥的流量，m3/s;Cq為流量系數(shù)。

式(2)～式(3)表明要保持阻尼力F不變，要控制流量Q恒定。

用車輪轉(zhuǎn)速代替活塞速度，式(3)改寫為：

(4)

其中

2 模 型

在SIMPACK中建立仿真模型，模型包含一個(gè)車體及兩個(gè)轉(zhuǎn)向架，如圖3所示，仿真參數(shù)見表1。假設(shè)轉(zhuǎn)向架一個(gè)軸裝備電機(jī)，另一個(gè)軸裝備液壓制動(dòng)器，車輛受到的制動(dòng)力由兩個(gè)液壓制動(dòng)器提供。

表1 主要仿真參數(shù)

圖3 動(dòng)力學(xué)模型

制動(dòng)過程中按F=ma控制溢流孔面積，由式(4)得到：

(5)

a為車輛加速度，m·s-2

總阻尼力對(duì)車輛產(chǎn)生的制動(dòng)力T：

(6)

將式(1)、式(4)、式(5)、式(6)輸入SIMPACK中的函數(shù)表達(dá)中，Kinematics一欄的VX、AY、WY函數(shù)可以實(shí)時(shí)獲得公式中涉及的各個(gè)體的速度、轉(zhuǎn)角和角速度信息。作用力使用5號(hào)力元，在5號(hào)力元Fx表達(dá)式里選擇公式(6)。

干燥軌面狀態(tài)下，高速列車黏著系數(shù)μ與車速v的關(guān)系按下式計(jì)算：

3 仿真計(jì)算

3.1 緊急制動(dòng)

高鐵線路經(jīng)過的中東部地區(qū)地震帶較多，僅京滬高鐵就有4條較大地震帶。為保證行車安全，在這些線路附近設(shè)置了預(yù)警系統(tǒng)，能提前50 s發(fā)出警報(bào)。有研究表明，當(dāng)車速超過200 km/h時(shí)，較小的震動(dòng)也會(huì)導(dǎo)致列車脫軌甚至傾覆，造成車毀人亡的重大事故[2]。由于摩擦制動(dòng)力大小不可控，電制動(dòng)力與摩擦制動(dòng)力的分配比例不確定，高速列車緊急制動(dòng)一般單獨(dú)使用機(jī)械制動(dòng)，這會(huì)造成閘片和制動(dòng)盤的急劇磨損。

車輛緊急制動(dòng)工況下，車輛初速3 00 km/h，減速度0.6 m/s2，50 s內(nèi)車速變化如圖4所示。車輛終速為190.0 km/h，低于臨界值200 km/h。單軸制動(dòng)力達(dá)到14.7 kN，已接近輪軌黏著力上限15.7 kN。

圖4 車輛緊急制動(dòng)工況下速度變化

每個(gè)液壓缸的壓力按諧波變化，圖5截取了0.1 s數(shù)據(jù)分析。減速度0.6 m/s2時(shí)，單缸最大壓力2.8 MPa，遠(yuǎn)低于活塞發(fā)動(dòng)機(jī)的暴發(fā)壓力6.0 MPa，液壓缸可以借鑒活塞發(fā)動(dòng)機(jī)的密封方式。

因?yàn)檐囁偈潜粍?dòng)量不宜作為電磁節(jié)流閥的控制參數(shù)使用，用時(shí)間做自變量很容易實(shí)現(xiàn)變量控制，用時(shí)間表示節(jié)流孔面積變化，節(jié)流孔面積A隨時(shí)間t線性變化，可表示為式(7)

A=400-3.0t

(7)

因此用電磁節(jié)流閥按式(7)控制節(jié)流孔面積就能實(shí)現(xiàn)緊急制動(dòng)。

圖5 單缸壓力曲線

3.2 常規(guī)制動(dòng)

CRH2型動(dòng)車組的7N常規(guī)制動(dòng)目標(biāo)減速度特性曲線由3段直線組成[3]，0～70 km/h減速度為常數(shù)，70～118 km/h和118～300 km/h減速度為速度的一次函數(shù)。7N制動(dòng)曲線的減速度3個(gè)拐點(diǎn)值分別是0.747 m/s2、0.619 m/s2、0.365 m/s2，見圖6。按7N制動(dòng)模式計(jì)算，將式(5)中的加速度a與車速v建立如式(8)的關(guān)系，分段代入SIMPACK中計(jì)算。

(8)

圖6 常規(guī)制動(dòng)加速度變化

如圖6所示，仿真計(jì)算加速度曲線與7N制動(dòng)模式比較吻合。受7N制動(dòng)模式分段加速度的限制，總制動(dòng)力隨速度遞減而遞增，如圖7所示。如圖8所示節(jié)流孔面積遞減，曲線擬合式(9)表明節(jié)流孔面積與時(shí)間是線性關(guān)系。

A=511.2-3.45t

(9)

圖7 總制動(dòng)力曲線

圖8 節(jié)流孔面積變化

3.3 長大下坡道限速制動(dòng)

長大下坡道為線路坡度超過6‰，長度為8 km及以上；線路坡度超過12‰，長度為5 km及以上；線路坡度超過20%，長度為2 km及以上。按12‰坡度計(jì)算，為簡(jiǎn)化計(jì)算，在車體中心施加一個(gè)與重力縱向分量53 514.2 kN 相等的牽引力模擬下坡工況。

車輛下坡速度200 km/h，選擇兩種減速度0.7 m/s2、1.0 m/s2對(duì)車輛限速制動(dòng)，結(jié)果如圖9～圖11所示。當(dāng)減速度0.7 m/s2時(shí)，55 s后降到60 km/h的安全速度；78.3 s后車停止，制動(dòng)距離2.2 km。當(dāng)減速度1.0 m/s2時(shí)，33.8 s后降到60 km/h的安全速度；55.5 s后車停止，制動(dòng)距離1.5 km。

圖11表明節(jié)流孔面積隨時(shí)間線性變化，同樣可列出以下兩種減速度下的節(jié)流孔面積變化公式。兩種工況節(jié)流孔初始面積都比緊急制動(dòng)時(shí)的小，這是因?yàn)殚L大下坡道制動(dòng)要額外增加阻尼力克服重力分量作的功。

A-0.7=154.96-1.98t

A-1.0=143.88-2.58t

節(jié)流孔徑保持在40 mm時(shí)液壓缸壓力為0.2 MPa，不會(huì)影響車輛正常運(yùn)行?？讖讲蝗菀卓刂?，如果將孔改成縫隙，縫隙寬度恒定，控制面積變化簡(jiǎn)化為只控制長度變化。具體做法是：按減速度對(duì)應(yīng)的縫隙面積，電磁節(jié)流閥打開相應(yīng)的縫隙長度，并按預(yù)訂的斜率減小縫隙的長度。

圖9 速度變化曲線

圖10 制動(dòng)距離-車速關(guān)系

圖11 節(jié)流孔面積-時(shí)間關(guān)系

4 結(jié) 論

通過分析制動(dòng)工況車輛動(dòng)力學(xué)性能可知，液壓制動(dòng)器適合緊急制動(dòng)、常規(guī)制動(dòng)、長大下坡道限速。不論哪種制動(dòng)工況，節(jié)流孔面積都能表達(dá)為時(shí)間的線性函數(shù)，只需簡(jiǎn)單地按時(shí)間控制阻尼孔的面積就能滿足設(shè)定制動(dòng)工況要求。由于能精確控制液體阻尼力，可以與電制動(dòng)共同進(jìn)行緊急制動(dòng)從而減小液壓制動(dòng)器的負(fù)擔(dān)。除了流體運(yùn)動(dòng)摩擦發(fā)熱不會(huì)有其他損失，故液壓制動(dòng)器非常適合在長大下坡道作限速使用，摩擦制動(dòng)方式可用在關(guān)鍵時(shí)刻。