重载列车ECP制动系统方案设计及仿真研究（可编辑）

重载列车ECP制动系统 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 及仿真研究（可编辑） 西南交通大学 硕士学位 论文 政研论文下载论文大学下载论文大学下载关于长拳的论文浙大论文封面下载 重载列车ECP制动系统方案设计及仿真研究 姓名:陆强 申请学位级别:硕士 专业:车辆工程 指导教师:杨美传 201203。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第页 摘要 对铁路货运而言,重载运输是铁路运输扩能增效的有效措施,也是缓解经 济发展给铁路运输压力的重要途径。伴随着铁路货车载重量的增加,编组越来 越长、轴重也越来越大,车辆制动、缓解等操纵上的问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 更加突出,因此,提 高货物列车的制动性能,特别是重载列车的制动性能就显得尤为关键。传统空 气制动系统由于其固有局限性,制动性能的提高有限,需要寻求一种能突破传 统空气制动局限性的制动系统。在这种时代背景下,电控空气制 动系统应运而 生。 本文选择重载列车电控空气制动系统为研究对象。通过参考国外 制动系统结构特点的基础上设计了适合 中国铁路重载列车的有线重叠式制动系统。然后利用软件对 制动系统进行建模及仿真分析。 制动系统的核心是制动力的控制,因此,对重载列车制动系统进行系 统研究时,主要集中研究了车辆控制单元和备用制动部分。其中车辆控制单元 包括:制动力分配、制动指令的定义、制动缸压力的控制。备用制动部分采用 传统的型制动机进行制动控制。 在软件中建立制动系统的车辆控制装置的制动缸压力控制 模型、隔离模块模型、电空执行模块模型、备用制动模型以及单车和编组列车 制动系统模型,并对单车和编组列车制动系统模型进行仿真。在制动缸压力控 制模型中,通过车辆制动率、车辆载重和基础制动装置的参数进行制动缸目标 压力的确定,突破了传统空气制动系统中制动力的分配方式。单车制动系统的 。仿真结果表明:有线重叠式制动系统在模式下简化了列车操纵,司 机可以根据列车运行要求任意调节制动力,列车在意外情况下制动管漏泄, 制动管压力小于时,隔离模块中低压切入阀动作,利用备用制动系统施 行意外空气紧急制动。编组列车制动系统的仿真结果表明:该系统在模式 下各车辆能同步制动,可有效地降低列车之间的纵向力。对装有该制动系统的 辆编组列车进行紧急制动距离的计算结果表明:与备用传统空气制动 模式相比,模式的制动距离缩短了.%。因此,制动系统具有传统 空气制动系统无法实现的性能,是提高重载列车制动系统性能的一种较好方式。 关键词 制动系统;:仿真;重载列车西南交通大学硕士研究生学位论文 第页 ??????????? 一??, , .,, , ,,。 . , , , . , . ’.. ’,. . , ,: ? .. , ,. , : , ,? , ,. ,, ’.: ’, , , 。 页 西南交通大学硕士研究生学位论文 第, , :. , .: , ?.%.. ’ ,,. ‘ :::。西南交通大学硕士研究生学位论文 第页 第章绪论 .论文的选题背景 随着经济的飞速发展,我国铁路货运量激增,为满足我国铁路货运的要求, 除了对既有线进行提速以外,还大力发展重载货物列车。重载货物列车的发展 可以有效地提高运输能力,同时也能有效地减轻经济发展给铁路运输带来的压 力。自世纪年代以来,各国越来越重视对重载列车的发展,特别是在一 些资源丰富、地域辽阔、煤炭、矿石等大宗货物运输量大的国家,重载列车得 到更快速的发展。 由于铁路货车载重量的增加、列车编组越来越长、‘轴重越来越大,在车辆 制动、缓解等操纵上非常困难,因此发展重载列车必须首先解决的问题就是车 辆的制动问题。 在蒸汽机车时代,列车的制动是依靠“人力来施行的,制动指令依靠司 机鸣笛来与车辆上的制动员进行传递,期间声音的传递,制动员的反应等都给 制动的及时性与制动力的一致性带来很大影响。尤其在长大坡道上,“人力制 动难以控制车辆速度,不能保证行车的安全。 年,美国的乔治?韦斯汀豪 斯从空气钻岩机受到启发,研究出了适合铁道车辆使用的直通制动机【】。该项 发明是列车制动方式的革命,从此车辆制动由“人力控制转入到“机力控 制,但该型制动机的缺点是:当列车分离时失去了作用,不能自动停车。因此, 年,乔治?韦斯汀豪斯发明了’自动制动机,设计出了第一个三通阀,它是 典型的二压力控制的自动制动机,通过列车管和副风缸之间的压力差来控制三 通阀的动作,对车辆产生制动和缓解作用。随着列车编组辆数的增加,为了减 小车辆间的冲动以避免车钩断裂,通过不断改进的三通阀结构,空气制动、缓 解波速都不断提高,但过高的制动、缓解波速又会影响制动机的稳定性,为了 防止列车出现意外紧急制动,制动波速的提高必须考虑灵敏性与稳定性方面的 要求。目前,我国的 型制动机,美国的型制动机等的制动波速已经 较高,稳定性也很好,基本上能保证万吨重载列车开行的安全,但从对万吨列 车的试验研究情况看】,重载列车车辆间的冲动和纵向力还是比较大,限制了 车辆轴重和车辆编组辆数的增加。究其原因,不论三通阀的结构改进得多么优 良,都不可避免地受到制动指令传递所用介质一压力空气的限制,因为压力空 气的传播速度不可能超过声速/的限制。 因此,利用传统空气制动即压 力空气既要提供制动力又要传递制动指令的方式已不能解决重载列车制动的问 题。 为此,世界上重载运输发达的国家已研制出新的制动方式,即以“电为 制动指令的传输介质来改善列车前后车辆制动、缓解的一致性以减小冲动。该西南交通大学硕士研究生学位论文 第页 种制动方式就是电控空气制动,取得了非常成功的经验,并在多国投入 实际运营中。我国货物列车电控空气制动的研究还处于初级阶段, 在年前后 对国外研究的公司和运用的公司进行了考察。 长期以来,列车制动性能的好坏都是通过定置试验和线路试验来完成的, 进行线路试验时要占用现有运营线路,耗时费力,而且得出的结果数据离散性 较大。计算机仿真技术的发展,为科研工作人员提供了一个很好的平台。利用 计算机仿真技术不仅能够进行二般气动元件和复杂结构内气体流动的数值仿 真,还能进行列车制动系统的数值计算仿真。计算机仿真技术与实物试验相比, 能极大地减少试验工作量和试验工作的盲目性,因此,仿真技术在现在工程中 得到广泛运用。 】 .我国重载列车制动技术发展概况 对铁路货运来说,安全运输是最重要的,由于安全因素制约了列车提速和 重载的发展,而安全的保证来源于制动装置性能的优劣。改革开放以后,随着 .经济的快速增长,铁路货运量的加大,促使我国铁路货车制动技 术的快速发展。 尤其是为了满足货运快速,重载的需求,货车制动系统运用了大量的新技术、 新材料,并取得了显著的成效。 ..早期的制动系统 从世纪年代开始,我国就着手发展长大货物列车,那时车辆的载重 普遍为 和,并在 年推行过满载超轴的运动,在该运动中列 车使用蒸汽机车牵引,车辆使用的是和型三通阀。运动中暴露出许多问 ?题,其中比较突出问题就是列车的制动问题,为攻克这一问题,铁科院前身大 连铁道研究所在 辆货车制动试验台上进行了充气、制动、缓解性能试验。 其结果表明:列车编组 辆,机车采用型制动机,车辆采用型三通 阀,制动时出现的主要问题是尾部车辆在列车施行小减压量时不发生制动作用, 这是由于型三通阀的制动波速较低,常用制动时只有/,紧急制动时也 只有 /。在年代后期,制动专家在型三通阀的基础上,增添了紧急 三阶段上升性能,装备了简单的空重车调整装置,还在降压气室上增设安全阀, 以便和英寸制动缸匹配,即型三通阀。于 年开始逐步在新造货车 上推广。 . ‘ ..电空制动机的研究与试验 我国货车电空制动机的研制早在年时就呈现出欣欣向荣之势,当时不 仅铁科院在对电空制动机进行研制和试验,各个路局也进行了大量的研究与试 验。根据技术条件的要求,经过讨论、分析,借鉴国内外经验,设计出了铁路 货车用的单线式电空制动机方案。图是货车单线式电窄制动机原理图。西南交通大学硕士研究生学位论文 第页 犬 欠 犬 图.货车单线电空制动机原理图 电空制动机相较于传统制动机的优点是具有阶段缓解作用,在制动过程中 列车管始终向副风缸中补充压力空气。 年,铁道部安排在郑州铁路局进行辆装有单线电空制动机车辆的 试验,在郑州车站进行定置试验,在孟庙至平顶山的线路之间进行运行试验, 下坡道试验在兰州铁路局的乌稍岭‰的坡道上进行。 表.是列车编组辆【】,列车管定压,测得的电空制动机和空气 制动机常用制动的数据,从数据可看出,电空制动机具有明显的优越性,缩短 了制动、缓解的时间,制动缸压力较大,前后车辆的制动较一致,能使列车平 稳的停车,减小列车纵向冲击力。 ? ? , 表.电空制动机试验结果 制动时间/ 制动缸压力/ 缓解时间/ 测量位置 电空 空气 电空 空气 电空 空气 编组数量 辆 . .表.是 年月日在兰州铁路局乌稍岭%下坡道区段上对使用 电空制动机的编组列车进行试验时测得的数据【。从试验结果可知,电空制动 机在下坡道上运用时优越性更加明显,由于电空制动机具有连续补风的功能, 列车管、工作风缸和副风缸在短暂降压后很快升至定压,因此编组列车使用电 空制动机对下坡道上车辆运行速度的提高有很大帮助。。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第页 表.电空制动机在坡道上运行试验数据 区间距离 技术速度/.。 运行时分/ 运行区间 /公里 规定速度 实际速度 规定时分 实际时分 . . 乌稍岭一青河 .’ ” . . .青河一天祝 ” . . .天祝一沙沟 ’” . . .’,, 沙沟一龙沟 . . .‘“ 龙沟一柳家台 . . .‘柳家台一十八里 ’“ 电空制动机的主要缺点就是推广难,要使全国的货物列车都装上 电空制动 机,需要相当长的时间,这主要和当时的历史、经济条件有关。因 此电空制动 机除非是安装在货运专列上,否则要想在货物列车上大面积推广使用都具有一 定的难度。 ..空气制动机的改进‘ 由于在货物列车上推广使用电空制动机有很大难度,而货车制动问题又直 接影响货物运输及行车安全,在电空制动机的基础上,于 年推出了 型空气分配阀,将常用、紧急分开设置,加装中继阀并设置空重位。其制动缓 解波速大大提高,基本能满足辆以上货车编组的需要。 型空气分配阀采 用的是间接作用方式,由于增添了工作风缸进行间接控制,其优点是可以和不 同直径的制动缸进行搭配,但缺点是通常副风缸的容积都较大,这就延长了初 充气时间,尤其是长大列车,充风的问题更加严重。改革开放后,由于经济的 快速发展使铁路货运量激增,为了扩大铁路运能可以采用开行重载列车 ~ 吨的方法,但是 阀已经不能满足开行重载列车的要求。于 是铁道部在 年开始进行了制动、缓解性能更加优良的直接作用方式制动阀 的研制,即现在的 阀。 阀在 阀结构的基础上增加了先导阀,加速 缓解阀和加速缓解风缸;先导阀的作用是提高紧急制动时的波速,加速缓解阀 的作用是在列车缓解时利用加速缓解风缸中的压力空气向列车管逆流来提高缓 解波速,达到列车加速缓解的目的。由于 阀的综合性能指标在世纪 年代时处于国际先进水平,于 年得以在全国推广,目前 阀是我国货车 主型制动机。 ..空气同步制动的研究与试验 目前,制动波速较高的制动机有美国的、,我国的 阀以 及俄罗斯的 型分配阀。其中美国的型制动机的制动波速已能达 /。但是当列车编组数量超过 辆时,甚至列车编组达到 辆或 辆时,由于列车长度加长,而制动波速又受约束,造成前后车辆制动开始的时第页 西南交通大学硕士研究生学位论文 间差变大。其结果是直接导致车辆间的纵向冲击力也变大,容易 造成车辆损坏 或断钩事故,影响行车安全。 空气同步制动方案采用的是将两列或多列编组的列车联挂在一起,第二列 和第三列的机车上都装有空气同步制动装置,由本务机车进行制动操纵,其原 理就是依靠本务机车对列车管施行减压或充气,然后以此作为控制命令来控制 第二列车列车管的减压和充气:以此类推,第二列车又控制第三列车列车管的 减压和充气。经过此过程,使组合列车的制动和缓解过程加快。其原理如图. 所示。 图.空气同步制动装置原理图 铁科院不仅在实验室对组合列车同步制动方案进行试验,还于 年 月在山海关进行了现场试验,列车编组总数为 辆,总重,两台机车 均为型。试验结果表明,编组列车采用空气同步制动方案时,当列车管减 压时,列车制动减压时间缩短了 %:当列车管减压 时,制动 减压时间缩短了%,制动性能有了很大程度的提高;减压时的再充 气 时间缩短了%,减压时的再充气时间缩短了%,因此在组合列车 上采用空气同步制动系统对列车制动性能的提高是较好的办法,但该方法也有 明显的缺点,即机车和车辆的制动率有较大差别,车辆间有较大的纵向冲击力。 ..遥控机车同步操纵技术 我国重载列车的存在问题是: 重载列车前后车辆的制动、缓解不一致: 副风缸充气时间太长,不适应重载列车要求; 型制动机常用制动波速为/左右,紧急制动 制动波速的问题, /,紧急制动波速约 波速为 /左右; 型制动机常用制动波速约为 为/: 型制动机常用制动波速约为/,紧急制动约为/;可西南交通大学硕士研究生学位论文 第页 见利用制动机的改进来提高制动波速,其性能提高有限,很难超过/。 这些问题可以通过无线遥控机车同步操纵技术的运用而得以解决,如图. 所示,使用该技术时重载列车采用组合列车的方式,主控机车可通过无线遥控 技术同时对多台机车发送制动指令,可实现多台机车的同步操纵,能很大程度 地降低充风时间和缩短制动、缓解时间。这是由于前后部列车的列车管充气或 减压可通过前后两个不同的方向进行,前部列车可通过主控机车对列车管进行 充气或减压,从控机车控制一部分前部列车和后部列车的充气或减压,从而加 快了整列车的充气速度或排气速度,制动波速得以提高,车辆间的纵向冲击力 得以减小。 ?一,?。.?一一一々? 一’一?一‘一‘??。’“。一‘’ 卜 诋蚤 、.............. 图.无线遥控机车同步技术示意图 世纪年代,铁科院在辆货车制动试验平台上进行了无线遥控机车 同步操纵系统的性能试验,其结果如表.所示。 表.无线遥控机车同步操纵系统的性能试验结果 列车管减压量 减压时间及列车管压力 测量位置 / 充至 的时间/ . . . . 减压时间充气时间 . . 减压时间 .充气时间 .. 减压时间 . 充气时间 减压时间 . .. 充气时间 减压时间充气时间 减压时间 充气时间 . . . . 紧急 紧急制动开始时间 试验表明,列车前后车辆的常用制动减压和充气时间都较一致, 紧急制动 时,后部车辆动作稍有延迟。因此,采用无线遥控机车同步操纵技 术后前后车西南交通大学硕士研究生学位论文 第页 辆制动、缓解基本上能同步实施。 随着无线通信技术的发展,为实现大秦运煤专线年运输能力达到 亿吨以 上,大秦线从年开始试验使用技术开行重载组合列车。该技 术是由公司开发出的全计算机式的无线遥控设备,已在北美、南非和澳大 利亚得到成功应用。 ..电控空气制动系统 传统空气制动系统与制动系统的比较: 传统空气制动系统的特点是:列车管减压制动、增压缓解。列车管内的压 力空气既作为制动指令传播介质,又作为制动系统的制动源动力。车辆载重的 增加,列车编组长度的加长,使制动指令的传播距离越来越长,必然导致后部 车辆制动的延迟。尽管,通过对三通阀或分配阀的结构改进,使列车制动波速 和缓解波速已经大大的提高了,但是,不论制动机的结构怎么改进,制动波速 始终低于空气的理论波速/,故传统的空气制动系统有着无法改变缺陷。 传统空气制动系统的缺点总结如下: . 制动波速始终低于空气理论波速; . 制动时列车管内的压力空气直接排向大气,浪费能源: . 列车编组越长,前后车辆制动时的一致性越差,产生的冲动越大,产 生的车钩力也越大,严重时有断钩的危险,危及行车安全: . 制动力不能任意调节,使列车在长大下坡道时操作变难,对司机的操纵技术要求高,工作强度大; . 制动缸压力的高低由列车管的减压量控制,由于每辆车的制动率不同, 造成制动力分配不均,重车制动力不足,空车制动力过高; . . 制动时的纵向冲动引起的列车管局部压力的波动,由于阀的稳定性问 题,容易引起列车的意外紧急制动: . 制动过程中副风缸的压力空气得不到补充,在长大下坡道上可能引起 制动力衰竭; . 制动缸鞲鞴的行程影响制动缸的目标压力; . 长大下坡道上进行频繁的调速制动有可能引起列车管减压却不制动, 这是由于频繁制动使副风缸压力来不及得到补充而下降太多,当列车管再次减 压时,若是减压后的压力还比副风缸压力大,此时的减压就不能使制动机动作, 即无效减压; 电控空气制动系统的制动指令采用电传递,而制动力仍然依靠压 缩空气产生,而且每车所需要的制动力都由本车的车辆控制装置经过 计算后给出,因此,制动系统制动时不论是制动的同时性还是对制动力的 调节都远远优于传统的空气制动。其优点总结如下: .制动指令由电指令进行传递,列车制动的一致性很好,可以有效降低纵 向力,减少车辆问掩击事故甚至车钩断裂的发,毫,对于长大列车,效果更明屁:西南交通大学硕士研究生学位论文 第页 .压缩空气只所为制动力产生的动力源,制动时列车管内的压力空气不排 向大气,能节约能源; .可以阶段制动和阶段缓解,具有连续再充气能力。列车管仅为供 风管, 制动系统的泄漏可自动进行补风,保证了在系统中副风缸的持续充风和列 车再制动能力。解决了长达下坡道因频繁制动造成副风缸压缩空气不足,制动 力减小的问题,有效地防止了放飚的发生: .车辆制动力由计算机进行控制,可以根据各个车辆的实际情况由 提供所需的目标压力,制动力的分配均匀,提高制动作用的精确度,还可以任 意的调节制动力的大小; .司机操纵简单,降低了劳动强度; .列车制动的同步性好,缩短了空走时间,故能有效的缩短制动距离,制 动距离可减少到规定的%~%: .列车缓解迅速且一致性好,避免了车辆带闸运行,减低能耗; .制动缸鞲鞴的行程不影响制动缸的目标压力; .制动和缓解一致性好,制动产生的热负荷在全列车上分配均匀,减小了 车轮磨耗,减低维修费用; 尽管制动系统比传统制动系统有更大的优势,但也存在一定的不足: 制动系统在推广应用过程中最突出的问题就是将传统列车改造成列车 的费用较高,大概每辆货车需花费美元。虽然运用技术可以帮助节 省燃料、增加货车载重,但在降低车轮和制动闸瓦等维修费用方面没有明显优 势。 目前国外制动系统的运用如下:’ .美国制动系统的.运用。南方公用事业公司是美国一级铁路的最大 运煤客户,并且在支持制动系统的工业转化方面起了引领作用。近 辆南方公司的煤车已经安装了公司的系统,该系统采用重叠式结 构,既支持传统空气制动模式下的运行,又支持制动模式下的运行: 年月,魁北克卡捷采矿公司开始对纽约空气制动机公司 生产的.独立制动系统进行运营试验。 年月,公司. 独立制动列车的试车取得成功。试验过程中将列列车和列传统列车各 方面数据进行对比,证实了制动系统的优越性; .南非制动系统的运用。理查兹海岸线路是南非最为繁忙的线路, 同时也是具有重要经济地位的出口煤运输线路。这是一条窄轨电气化线 路,目前每年运输煤约千万吨。采用缆接电空制动系统,若 装有的机车无法使用,还可以继续使用传统的空气制动模式: .澳大利亚制动系统的运用。.制动系统只使用一个单一的 微型控制阀来控制制动和缓解。经小幅改动并增加了中继阀的非中继式制动系 统.,可装备在世界范围内大多数的,和货车上。. 的丰要优点就是备用的传统窄气制动系统在电控故障的情况下可保证行车安。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第页 全。同时,.成本是很低的,集成化的设计降低了维护要求。. 在年初试验成功后,年投入商业运营; .加拿大制动系统的运用。年,加拿大太平洋铁路开 始关注电子控制的空气制动技术,作为改善其专用运煤列车运营的另一个途径。 与此同时,也开始试验不同的铝制煤车设计。有机会租赁了 工业公司制造的 辆铝制煤车。这些车安装了 重叠式制动系统。 年月,对第一列缆接动力分配控制的制动运煤列车进行了试 车和收费试运行。 我国的电控空气制动系统是在大秦线铁路重载前期技术论证的大背景下, 开始认识,学习,研究的。 在列车速度、密度合理匹配的同时,将大秦铁路列车重量由 吨提高到万吨和万吨,年运量可以由设计能力亿吨提高到亿吨,与新 建一条重载线路相比,可以节约/的投资,节约.万亩土地。因此,确定 立足既有大秦铁路,走重载运输技术创新之路,是大幅度提高运输能力的最佳 选择。年 月,铁道部组织考察组对美国和南非铁路重载技术的研究和 应用进行考察,期间主要对无线遥控机车同步操纵和电控空气 制动系统进行对比分析。通过对比可以知道,制动性能方面:尽管 技术随着无线通信技术的发展,对缩短制动时间有较好效果,但仍 然存在着一定的延迟时间,导致各车辆的制动作用不同步,无法从根本上解决 各车辆制动不同步的问题;而制动系统却有着传统空气制动以及 系统无法比拟的优越性,即制动缓解的同时性。改造成本方面:由 于系统结构简单,只需对机车进行加装改造,成本较低,易于维 护和管理;而制动系统中货车的批量改造成本较高,以及配置制动 系统车辆的任意编组、连挂和电源可靠性等问题仍有待进一步研究以及解决。 因此,从经济效益考虑,暂时没有运用制动系统。 .制动系统数值仿真的国内外发展现状 ..国外发展现状 随着计算机技术的发展,美国、日本以及印度等国家已经突破了用传统试 验的方法来研究和设计空气制动系统的局限,相继开展了利用计算机仿真技术对制动系统进行模拟仿真的研究工作。 年,美国新罕布什尔大学利用气体流动的基本方程,建立了管路模型, 用改进算法对加速缓解阀、跃升阀、/阀及机车自动制动机进行建 模仿真,此模型具有一定的实用价值。 年,利用该模型对列车管漏泄进行 仿真研究】。 年,日本基于气体流动基本方程建立控制方程,利用特征线法将控制页 西南交通大学硕士研究生学位论文 第 方程无因次后变成常微分方程。用该方法建立模型,预测了列车管首尾减压时 。 间与机车排气的开口度的关系,取得了很多试验难于得到的数据【 年,在仿真模型中印度专家用等温假设代替绝热假设,研究了该国的 真空制动系统,还对双管制动系统进行研究,将大量仿真结果拟合成经验公式。 【 年,新罕布什尔大学建立了铁路货车空气制动系统仿真模型 。该模型能模拟仿真 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 空气制动系统的各种动作【】: 年,..利用公司的。 模型,对采用传统阀和阀的重载列车制动系统进行仿真对比【 年,意大利佛罗伦萨大学应用力学组的 等对欧洲 , 列车制动系统的各组成部分:管路、孔、阀、储风缸等进行建模,并建立各种 仿真模型库,包括货车、客车、机车等,以便将各部分组装成制动系统在 。 .中进行仿真研究,仿真结果与试验结果很吻合【 年,意大利佛罗伦萨大学的 利用软件对欧洲 型货物列车制动系统的进行研究,仿真结果与试验相当吻合【?。 年,都灵理工大学利用软件对城轨车辆制动系统的安全制 动阀、放气阀、加压阀及中继阀等进行了仿真,并与试验台测试结果进行对比 【】 年,德国克诺尔公司的研究人员使用软件对列车制动系统 。 的防滑阀、中继阀、数字阀进行建模仿真,并对整个制动系统进行仿真研究 ..国内发展现状 我国对制动系统的数值仿真与国外相比,起步较晚。其中,大连交通大学 在这方面作了很多研究,利用气体动力学理论为基础,建立列车制动系统的数 学模型,然后通过计算机编程求解。 年,魏伟、张善荣、刘庆忠基于气体流动基本方程建立控制方程,利 用特征线法求解的方法,建立列车制动主管、支管的数学模型并利用计算机编 程计算,完成了列车制动主管、支管组成的仿真模型,通过仿真得到与试验一 。。 致的结果 年,魏伟和张开文,建立了列车空气制动系统的数学模型。该仿真模 型包括型三通阀、机车自动制动机、制动缸及副风缸、列车主管、支 。 管、缸间连接管等。该模型能较好地反应制动过程中的基本现象【 年,魏伟利用建立的空气制动系统仿真模型,预测了在列车不同减压 量、不同编组长度条件下缓解时的性能。 阀在 年,魏伟建立了 型控制阀和试验台的仿真模型,预测了 试验台上的试验过程,通过试验表明利用该模型能较好地再现 阀在试验台 上的试验过程引。 年,魏伟建立了包括型自动制动机, 辆装有 阀车辆的制。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第 页 动系统定置试验台的仿真模型,给出了辆编组长度,减压量为 的常 用制动缓解和紧急制动的仿真结果【。 至年,中南大学的刘金朝、王成国、马大伟和铁科究院的赵鑫 研究列车在不同编组辆数、列车制动管系组成弯管、软管、塞门、 直径、材 质、列车制动管系泄漏等因素对列车管充风压力的影响和沿列车长度方向的列 车管充风压力分布情况。在此基础上,还建立了长大货物列车制动管系与副风 缸组合的二维数值仿真模型。最后建立了三维模型来研究列车制动管系的充风 特性,利用它能得到主管、支管的压力和速度,还将其应用到万吨重载列车制 动系统初充气性能研究当中】。 年,魏伟开发出了货运列车空气制动仿真模型,利用特征线方法求解 管内气体状态,利用边界条件方程求解边界上气体状态,利用热力学第一定律 求解缸内状态变量。并将仿真结果与试验结果进行对比。仿真得到的列车管、 制动缸等的空气压力随时间的变化与试验结果比较吻合,说明该模型能够很好 。 地模拟制动系统中气体流动状态和阀内动作情况 年,魏伟对两万吨重载组合列车制动系统的动态特性进行了仿真研 究,并预测了该制动系统的常用制动和紧急制动性能【引。 年,大连交通大学的徐毅,对装用型分配阀的车辆空气制动系统 。 进行了仿真研究 年,大连交通大学的刁亮,对装用型分配阀的车辆空气制动系统 进行了仿真研究?。 年,魏伟和刘涛等人建立了新型控制阀阀的空气制动系统仿真 模型,对单车制动系统进行仿真研究,并与试验结果进行对比验 证,结果证实 . 。。 了仿真的可行性【 年,杨璨首次在国内使用软件对货运列车制动系统进行了仿 型分配阀 真研究,先后完成了 型分配阀的紧急阀的建模仿真【,装用 的单车制动系统的建模仿真, 辆车编组的制动系统的建模仿真, 还对参数 变化对制动系统性能的影响进行了仿真研究【。 年,张晓艳使用软件对客运列车制动系统进行了仿真研究, 先后完成了型分配阀的建模仿真,装用型分配阀的单车制动系统 的建模 仿真,辆车编组的制动系统的建模仿真,还对参数变化对制动系 统性能的影 响进行了仿真研究引。 纵观国内外铁路制动系统数值仿真发展现状,主要有两种方法:自行编制 仿真程序,使用现成的商业计算软件。 自行编制程序,对研究人员要求较高,不仅要熟悉气体动力学知识,了解 制动系统结构,还需要很高的编程技术,且仿真模型的可靠性及精度都取决于 编程者;而目前可以用来进行仿真计算的商业计算软件主要有、 、、/、/、等。但其中部分软件 的模型库不完善,通用性不好、对仿真用户的要求较高、仿真的精度和可靠性页 西南交通大学硕士研究生学位论文 第 低等不足,因此很多软件的应用也受到了限制。其中的是一种基于图 形化建模方式的仿真软件,方便建模,且模型库也比较完善,’通用性较好,已 在航空、车辆、工程机械等领域的制动系统的相关研究中得到了广泛运用,并 证明具有较高的准确性和可靠性。 .本文的主要内容 铁路运输的高速化和重载化都受到制动系统性能的限制,因此不仅要在现 有运用的制动系统性能提高上做工作,还要加紧对新型制动系统进行研究开发。 其次对列车制动系统进行数值仿真也为掌握、改进重载列车制动性能以及研究 新的制动系统提供了很好的技术手段。 . 本文进行的主要工作如下: .在了解列车制动系统发展概况的基础上,以制动系统为研究对象, 对其结构、工作原理、性能进行深入的研究: .根据目前货物列车制动系统和电控空气制动系统的要求,参考国外重载 货车制动系统的结构形式,进行适应我国国情的电控空气制动系统的结构 . 设计; .确定电控空气制动系统的制动力分配方式和各种制动指令的定 义,运用仿真软件对单车制动系统进行建模,设置各部分参数 后对其进行计算仿真; .仿真结束后,将仿真结果与试验结果进行对比分析,以完善仿真 模型: .对 辆编组的重载列车制动系统分别进行了电控空气制动模式和备用 制动模式下常用、紧急制动工况的仿真,并将两种制动模式下的制动性能进行 对比分析: .对电控空气制动模式和备用制动模式下, 辆编组的重载列车制动系 统紧急制动工况下的制动距离进行对比分析。页 西南交通大学硕士研究生学位论文 第 第章制动系统建模的基础理论 尽管气动系统组成部分的内部结构十分复杂,但它包含的基本规律和数学 描述是很清楚的。通过前人进行的大量试验研究后发现,实际上气动系统元件 的动态特性都可以抽象为由各种基本环节所构成的,比如惯性环节、放气环节 和气容充气环节等【。而这些环节之间又是通过压力、力、容积、位移等参数 来实现相互联系以及相互影响的。铁道车辆制动系统是依靠列车管压力的增减 来实现缓解与制动的,该过程是一动态过程。制动系统中主要有 分配阀、管路、 管路接头、管路喷口、管路与风缸的连接等结构,气体在其内部流动时,不仅 要遵守能量守恒与转换定律,还要遵守质量守恒定律。因此,铁道车辆的制动 系统也是由各个基本环节组成的,故可以用气动系统进行描述。 .流量方程 气动系统中,往往需要计算的是气体通过节流口后的压力、温度、流量等 参数,由于气体具有可压缩性的性质,气体流经节流口的过程是相当复杂的。 在节流口前后,由于流通截面的收缩或扩张,使气体在通过节流口时前后都形 成涡流,涡流效应将产生强烈的摩擦作用,并将机械能转变成热能,该过程是 不可逆的。此外,由于在流动过程中流体的不规则运动,造成同一界面上各点 的参数很不均匀,因此,’利用热力学方法进行分析就难以实现。 在气动系统中往往将气流通过的各种阀类元件或管路系统抽象为一个等效 的收缩喷嘴或节流小孔来进行计算,并将计算结果做适当的修正后用来表示各 种阀类元件或管路系统的流量特性。空气通过收缩喷嘴如图.所示,收缩喷 嘴的流量特性如图.所示。 一? 石 ‖ 岛 凡 图.流经收缩喷嘴的气流西南交通大学硕士研究生学位论文 第 页 ????????????????????????????????????????????????????一???一 图喷嘴的流量特性 在图.中,当收缩喷嘴的下游压力逐渐降低,而上游压力不变时, 质量流量将逐渐增大,但是当收缩喷嘴下游压力尸降低到某一值时,不论 尸,是否继续减小,质量流量都不再增加,而是基本保持在某一值。这是由于 尸降低到某一值时收缩喷嘴出口截面的流速已达到声速,以声速传播的外界压 力扰动波不能达到和穿越出口截面去影响喷嘴内的流动,出口截面上的流速就 保持声速,压力保持与临界压力相等,这种饱和状态下的流动就称为壅塞流或 声速流,而不饱和状态下的流动就称为亚声速流。 计算时,假定气体为理想气体,在收缩喷嘴中气流的速度远大于气体与外 界进行热交换的速度,气体流过收缩喷嘴时的能量损失远小于它具有的总能量, 可以忽略。因此,可将喷嘴中的流动看作是一维等熵流动。根据无粘性流体的 伯努利方程,图.中喷嘴缩流处的流速可用式.表示: ? 式中入口压力,; ,一出压力,; 肛绝热指数:?‘ 风一喷嘴上游空气密度; 由连续性方程和绝热过程公式可得流进收缩喷嘴的质量流量: 彳 式中 彳广.喷嘴出口面积,: %一上游空气温度,; 广上游空气压力, 尸,一出口压力,;。西南交通大学硕士研究生学位论文 第 页 尺一气体常数,?.一; . 肛绝热指数。 流量是下上游压力比口旦的函数,将该式对。求导并令其为零, 得 备丽。 到流量最大时的压力比即临界压力比旦 当下上游压力比口小于临界压力时,流动为声速流。将代入式., . 可得声速流的流量,即饱和流量:整理式.和.,可得通过收缩喷嘴 的流量计算公式: 只 , 二 只 等倒 ?瓦。昂/ ” . 、 。 彳昂 旦? 昂 瓜 旦 ’昂/ ? 曰/悉. 鼻................一 南石焉 皓百 收缩喷嘴中的气体有两种流动状态: 当每?时,气流速度为超音速,称为超临界流动; 当每时,气流速度乌亚音速,称为亚临界流动。 若收缩喷嘴进:的流量系数是定值时,则通过其的焓流量计算公 式如下:页 西南交通大学硕士研究生学位论文 第 豌??砌?死 式中一单位质量气体的焓,~; 一等压比热,?.~。 式.是收缩喷嘴处的气体音速表达式:‰/??瓦 熹 式中 ?。一收缩喷嘴处的温度,。 将式.代入式可得: ‰属 ‰?南幔‘瓦 .温度压力方程 在气动系统能量传递过程中,其工作介质一气体的状态压力、温度、比 容是要发生变化的,因此,在气动系统建模过程中这些状态参数的变化是必 须要考虑的因素。根据能量守恒定律和热力学第一定律可以推出一个系统开 口还是闭口、与外界环境发生热交换与否的内部能量变化方程为: 百?蚧,?鲁一詈 。 . 辈:.彳.乙一丁 ‘。‘’‘” ???一一?? ‘ 詈一一警 式中 一撞制体从外界吸收热量的变化,.一; 华一控制体内的气体对外做功的变化,.~; 彳“一热交换面积, 一气体的热交换系数,..一。 %广外界温度,; . 卜腔室内气体的温度, 一腔室容积的变化,.。 如果单位质量气体的内能是“,那么所有气体的内能为: ?” . 第 页 西南交通大学硕士研究生学位论文 将式.代入.得到: 一“??.?,.??一一 鲁“等?。,吨一百一 ‘ 对理想气体而言,单位气体的内能可表示为: “,? ? 式中 ~定容比热,?~?~。 将式、.、?、.和.联立求解可得: .鲁去陆?岛一百?丽百而百 理想气体的状态方程为: ? ?肌? 对式? 两边同时对时间微分,可得: 二 ..塑.. . .对于可变容积的热气动腔室来说,由于腔室内气体本身的温度 是时刻变化 的,故单位气体的内能也是时刻变化的,可表示为: 鲁,面 面一面 . “ 将式. 和式.联立求解得到可变容积气动腔室温度变化的微分方 程为:. . 去?蚧以一百?刁一丽百丽百 式??,?岛表示的是一开口或闭:系统中的气体流入与流出控制 体的焓之和,流入用正值表示,流出用负值表示。 .流量系数概述 气动元件的建模是很复杂的,尤其是各种阀类元件,仿真模型仿真结果的 准确性与否与仿真模型中所使用的某些重要参数的准确性与否有直接关系,因 此,对于仿真模型中的一些重要参数需要根据经验数据或试验的方法进行调整 或重新确定,如流量系数口等。目前,主要通过两种方法即实验和流场分析的 方法并结合一些经验数据来确定这些参数。 实际的气动元件中,要知道小孔的实际节流而积是不容易的,冈为由气动‘ 页 西南交通大学硕士研究生学位论文 第 元件的流量方程可知节流口的面积与气流通过节流口的实际节流面积是不相等 的。可以通过实验的方法来确定,需要测定的参数包括上游压力,,下游压力 尸及上游温度丁,但试验中小孔内的流动状况由于传感器、压力测定仪的伸入 而改变了,因而很难准确的测定流量系数】。实际上气体通过节流口时流量 系数口不是一个定值,而是不断变化的,然而为了简化计算,通常在设计计算 时把流量系数看作一个定值,其缺点是给计算结果带来一定的误差,因此对于 不同类型阀口的流量系数应该区别对待,选取合理的流量系数不仅能将误差减 .】。 小到最小,还能较真实的反映实际情况【 常见的阀口形式有直缘小孔、喷嘴状阀口和锐缘小孔。图.所示为直缘 。 小孔和喷嘴状阀流量系数口的实测值。该图是和的实测值【 ’图直缘小孔和喷嘴状阀口流量系数的实测值 从图可以看出,在下上游压力之比鲁?.之前,若小孔的节流面积 ’ 舅 不变,’则直缘小孔和反向流动喷嘴的流量系数约为.,并且保持不变。当下 上游压力之比等.之后,流量系数的值则伴随着下上游的压力比的增 ? 大而减小。和在其文章中建议,当气动元件在实际运用中的条件 与其试验环境条件基本相同的情况下,可取. 建议值可以保持其误差在%左右【 。而对于喷嘴状阀口来说,由于试验测定 比较分散,重复性小,可以认为其流量系数在.~.之间,对于逆流的喷 嘴来说,其流量系数和直缘小孔一致。 文献【 ,,,】对锐缘小孔的流量系数进行了论证和实验。其实测 值如图.所示。 在图.中,佩里系数用“”表示,由佩里系数所得到的流量系数的 经验公式如式.所示‘ 。由公式.得到图中虚线所示曲线【。 ,对于直缘小孔来说,该第 页 西南交通大学硕士研究生学位论文 ?, 一.×鲁.鲁一.鲁。.鲁一..鲁。. 一 一只 ,,????\ 、????,一 ,????? 摆等? ? ? 啦 盯 爿暑/撅懈啊蜒 ??‘ ? 。吣 名 妥,滔 号? 图.锐缘小孔的流量系数 。,根据实验结果,文献【】认为,对于可压缩性气体 对于空气?丢。. 和锐缘小孔采用式?和式.求取相对较好。 一 、 知.. 、????, 罡一丑 置 ,..... ?等? ????? 一 、 。..? 最 只一只 ?.舌 ,,?????、\ 。脚并? ??????一 式中 乃一上游温度,。 ’,一上游压力,; . 尸一下游压力,。 根据以上对直缘小孔、喷嘴状阀口、锐缘小孔流量系数的综述和 分析,本 文建议按照表.选用流量系数值。’ 西南交通大学硕士研究生学位论文 第页 表.流量系数的建议取值 名称 建议取值 . 喷嘴状阀口 . 直缘小孔 . .~. 锐缘小孔 .软件介绍 为多学科领域复杂系统建模仿真提供解决方案,它提供了一个系 统工程设计的完整平台,使得用户可以在一个平台上建立涉及多学科领域复杂 的系统模型。使工程师专注于其物理系统本身的设计而不用书写任 何程序代码来达到迅速建模并进行仿真计算的目的,通过分析后调整仿真参数 来优化设计,能有效的帮助用户降低研发成本和缩短开发的周期。 本文采用作为仿真平台进行建模和仿真分析。对软件进 的简要介绍如下。 ’ .. 软件的组成 软件由、、、四个基本部 分组成。 是世界知名的专注于工程系统建模和仿真平台,它提供了一个 系统工程设计的完整平台,使得用户可以该平台上建立涉及一维多学科领域复 杂的系统模型,然后进行仿真计算和深入分析。在建模中引入基本元素的概念 是该软件的一大特点,可以把工程系统中的最小单元提取出来,用软件中的基 . . 本元件进行描述。 是软件中的模型和文档生成器,工程师可以利用它设 计满足用户需求的应用库,自行创建的模型库与软件原有的模型库完全兼容的。 是软件中用于模型二次开发的工具。工程师可以 利用此工具建立专门的、按照用户需求设置的模型数据库。除此以外, 还能实现对重要信息进行加密的功能。 是软件中的只运行工具,用户可以在环境 中对模型参数进行改变及仿真分析。但在环境中是不允许用户修改模 型结构的,而是为非专业人员提供经过经验证明或严格测试的模型。 ‘ .. 气动系统建模的通用规则 .因果关系。每个元件图标背后都对应一个子模型,子模型是通过一系列 外部变量输入、输出进行描述,相连的子模型外部变量必须满足因果关系, 如一个子模型端口需要输入力,则与之相连的子模型就必须有一个端口是输出西南交通大学硕士研究生学位论文 第页 力的,否则两个子模型不能连接; .特殊功能运用。使用特殊功能如全局变量、参数复制、共同参数等可以 在模型中使用相同元件,而且其参数也相同时减少每个元件逐~输入参数的繁 琐,同时容易保证准确性: .绝对压力与表压力。绝对压力表压力大气压力,软件中 模块的子模型都使用表压力来计算力; .在活塞零位移时设置气室的长度。在活塞零位移时设置气室的长度将被 输入到子模型中,通常情况下,活塞位移都是由动态质量块的初始位移决定的, 有上限位移和下限位移的限制,但当活塞位移是零时,就需要设置此时气室的 长度,有些情况下,这种体积是不被使用的,但多数情况下,都不能忽略; .模型重建。利用建立了图.的模型,完成后会建立兼容的 子模型,如果要将模型改成图.的形式,就会出现模型不兼容的问题, 有两种方法可以解决这个问题:在草图模式,删除中的动态质量块, 再从模型库中拖拽新的动态质量块或者右键点击删除元件子模型组建模型, 命令,这种方法的优点是不会丢失设置的参数值; 使用图.位置变化大的模型重建 ? ? .使用可变容积室。当类似活塞、挡板阀这类模型运动时,将计算 体积变量和流量变量,若它们连接到固定容积气室或气动管路,体积变量和流 量这些变量就会丢失而使结果变得很差,因此,这些子模型就需要和可变容积 室相连。 .典型的气动元件 制动系统中元件的数学模型是利用气体状态方程和质量守恒定律,同时也 考虑到了一些元件的动态特性,在建立数学模型时,作了如下假设: .管内流动介质认为是完全气体,并不计重力。 .管路轴向长度比径向直径大得多,管道内轴向流动效应比横向流动效应 要大得多。因此,管道内气体流动可以看作是一维的。 .气体通过的管路,截面积变化很缓慢,还把管壁看作是刚性的。 .管内气体流动过程中,不仅需要考虑管壁与气体之间的摩擦,还需要考 虑管壁与气体间的热景交换,流动过程是非等熵的。西南交通大学硕士研究生学位论文 第页 .管路内气体流动参量随时间不断变化,因此可把管内气体流动看作是非 定常的。管内气体流动参量不仅是沿管路长度变化的函数,还是时间的函数。 如图为一个喷嘴挡板型气动止回阀模型,它描述的是气动止回阀 的动 态特性。左侧压力为定值 ,右侧压力为一线性变化量,在.内由 上升到 ,再经过.由 下降到 。当右侧压力上升大于 时,质量块就克服左侧压力往左移动,打开阀门,直到达到最终停 止位。当右 侧压力下降到低于 时,左侧压力就迫使喷嘴挡板阀关闭阀门。 囡? ? ?? 电固 图典型气体元件模型 图.为喷嘴挡板阀左右侧压力变化过程示意图。 ’ /\?: 毒 ?:/‘\一一 三 ‘ / .‘\ . . . . . . ?, 图.喷嘴挡板阀左右侧压力变化曲线 在该模型中,喷嘴挡板阀的质量流率表现出两种特性,即在阀门打开和关 闭时,质量流率是不同的。在阀门打开时,随着压力的上升,阀门开度变大, 质量流率逐步上升;在阀门关闭时,有气体逆流作用的出现,这是由于阀门的 动态特性造成喷嘴挡板阀需要一定时间来关闭阀门,而此时右侧的压力已经小 于左侧,所以有逆流现象。图.显示了喷嘴挡板阀质量流率的变化情况。‘ 西南交通大学硕士研究生学位论文 第页 ? ? ? 约 一。 加 ’.“ 。 啪 、,.’., 啪 。..、?.”? 专 . .. . . 图.喷嘴挡板阀质量流率的变化曲线 通过这个典型的气动元件模型喷嘴挡板阀的实例可以看出软 件在气动库中的应用。同时也认识到该典型气动元件比较简单,需要设置的参 数很少,计算仿真过程很快,容易得到满意的结果。当所建模型比较庞大时, 需要设置的参数就相当多,而且参数之间也会有一定影响,这就需要反复不断 的试值才能得到一个较满意的结果,这也在一定程度上限制了该软件的使用‘, 暂时还没有很好的解决方法。 .本章小结 本章首先在理论上介绍、分析了气体的流量、温度、压力方程,然后对流 量系数进行分析‘,通过分析给出了各种类型的小孔和喷嘴状阀口的流量系数的 取值范围,以供参考使用。最后对软件进行了详细的介绍,包括软件 .的分类、气动系统建模规则等。此外,还介绍了一种典型的气动元件的仿真实 现。西南交通大学硕士研究生学位论文 第页 ??????????????????????? 第章制动系统方案设计 . 制动系统的基本工作原理 电控空气制动系统是一种微机控制的直通式制动系统。制动时, 本务机车向全部车辆发送以数据形式传输的制动指令,车辆的电子制动控制装 置几乎同时接收到本务机车的制动、缓解等命令,实现全列车同步制动、缓解 和再制动。制动系统中的列车管仅为供风管不再通过