PDF《魏伟两万吨组合列车制动特性_魏伟》

150 辆编组列车, 改造 成适用两万吨列车的试验台难度较大.另外,线路试 验机会很少 ,很难得到各种工况的制动系统特性 ,因此,仿真分析的优越性非常明显,仿真计算可以很容 易得出各种制动系统特性 ,通过制动系统性能仿真获 得系统性能是弥补试验性能不足的理想方式. 目前美国、日本 、印度 、意大利和中国开展了以 气体流动理论为基础的制动系统仿真工作.美国开 发了仿真 ABD 和ABDW 阀列车制动系统[ 2-3] ;

日本 在制动系统仿真方面起步较晚 , 只开展了管路系统 仿真工作 [ 4-6] ,还没有包含车辆阀系统, 只能研究列 车管减压特性, 不能仿真制动系统特性 ;

印度开发了 真空系统仿真工作[ 7-8] ,印度的制动系统与中国制动 系统差别较大.国内铁道科学研究院开展了仿真研 究,目前已经能仿真列车初充气 [ 9] ;

大连交通大学开 发了列车空气制动系统和单阀试验台系统仿真软 件[ 10-12] ,列车仿真系统可以仿真各种编组列车、 各种 制动缓解工况及各工况间的转换情况, 并且在系统 高低压端设置了漏泄孔, 很好地解决了仿真副风缸 系和制动缸系漏泄现象 .到目前为止, 仿真组合列 车制动特性还没有见过报道.本文介绍两万吨组合 列车制动特性仿真结果, 并从制动同步性上提出合 适的机车配置方案, 以列车总长度为

204 辆编组( 两 万吨) 的组合列车为例,预测两组合和四组合列车紧 急和常用制动特性.

1 空气制动系统仿真基本原理 空气制动系统中通过压缩空气传递控制信号并 提供制动动力, 车辆阀根据列车管中压力信号的变 化产生不同的响应, 实现列车的速度调控.空气制 动系统仿真的核心就是空气动态流动特性的计算和 车辆控制阀动作逻辑原理的实现. 制动过程中, 压缩空气始终处于非稳态流动状 态,因此, 获得非稳态气体流动特性是空气制动系统 仿真的前提条件 .制动系统中压缩空气非稳态流动 计算主要包含三部分内容 : 管路内部气体流动计算 、 管路和缸室边界条件计算与缸室内压力计算 .因为 计算气体流动过程较复杂 ,公式很多,此处仅列出管 内瞬时气体状态方程 , 其他边界条件和缸室内压力 计算参考文献[ 11] . 考虑到制动系统内剧烈的气体压缩与膨胀会引 起温度变化 ,因此 ,没有采用一般文献中使用的等温 假定,而是假定管内气体流动为有管壁摩擦 、不等 熵、有热传导 、 管路截面可变的气体流动.压缩气体 在管路内流动时, 任意一小段管路内气体流动遵守 能量、 动量与质量守恒方程 ,方程为[ 13] ρ t +ρ u x +u ρ x +ρ u F dF d x =0 u t +u u x +

1 ρ p x +G =0 p t +u p x

1 -a

2 -ρ ( k -1) ( q +uG)=0 G = f u2

2 u |u |

4 D 式中: ρ 为气体密度/( kg ・ m -3 ) ;

u 为流速/( m ・ s -1 ) ;

p 为压力/kPa ;

a 为声速/( m ・s -1 ) ;

k 为比热 比;

D为管路直径/m ;

F 为管截面面积/m2 ;

q 为传 热率/[ J ・( s ・ t) -1 ] ;

f 、x 、t 分别为管内壁摩擦系 数、距离/m 和时间/s . 上述方程是一组拟线性双曲型偏微分方程组, 其不能采用解析方法直接求解, 本文采用特征线法 将其在特定方向上转化为常微分方程组 , 再采用数 值解法求解 [ 13] . 通过求解每时刻的方程,可得管路非边界节点瞬 时气体状态,但是要获得管路边界点气体状态, 还需 要结合边界方程求解.制动系统中用到的边界方程 有管路开口端、 部分开口端、网格阻力、多分支管接 头、 管路与缸连接模型等,对应的方程见文献[ 11] . 车辆阀模型主要包含主阀、局减阀、加速缓解 阀、紧急二段阀与紧急阀等.根据每个阀的结构型 式进行模型化,如将主阀模型化为主活塞( 包含面积 与质量) 、 减速弹簧 、 稳定弹簧、 滑阀与节制阀摩擦力 等 ,将其余阀模型化为对应的活塞、弹簧及移动阻 力 .每个阀的瞬态位置都是根据活塞瞬时受力决 定 ,活塞瞬态位置又对应不同的通路及通路面积. 因为决定活塞位置的压缩空气压力在不断变化中, 所以各阀中的活塞也始终处于动态变化过程中, 各 阀的动作逻辑根据文献[ 14] 中原理编写程序. 为了真实地考虑软管及连接器的阻力效应 ,在 两辆车主管连接处设置了管网阻力模型 [ 11] .同时 每个车辆列车管系和制动缸系分别设置漏泄孔, 以 模拟列车高低压力端的漏泄情况, 漏泄孔大小根据 列车漏泄标准设定 .