高速动车组制动系统用中继阀性能仿真研究.pdf

2 0 1 3年第 4 l 卷第 4期 流体机械 4 3 文章编号 1 0 0 5 0 3 2 9 2 0 1 3 0 4 0 0 4 3 0 4 高速动车组制动系统用中继阀性能仿真研究 汪枫 ， 马璐 ， 朱新宇 ， 牛瑞 南京浦镇海泰制动设备有限公司， 江苏南京 2 1 1 8 0 0 摘要 基于A ME S i m仿真软件与中继阀的物理结构特点， 提出了锥形体积等效方法， 使膜板变形体积在建模过程中 得到充分考虑。通过建立详细仿真分析模型， 对中继阀的动态特性及关键参数影响进行了系统研究， 仿真计算结果表 明， 仿真模型预测值与试验数据能较好地吻合， 充分验证了模型的有效性， 对产品结构优化有重要指导意义。 关键词 仿真； A M E S i m； 动车组； 制动系统； 中继阀 中图法分类号 T H1 3 8 文献标识码 A d o i 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 5 0 3 2 9 ． 2 0 1 3 ． 04． 0 1 0 Ch a r a c t e r i s t i c S i mu l a t i o n An a l y s i s o n Re l a y Va l v e o f Hi g h S p e e d EM U Ai r Br a k i n g S y s t e m W ANG Fe n g， MA Lu， ZHU Xi n - Yu， NI U Ru i N a mi n g P u z h e n H a i t a i B r a k e E q u i p me n t s C o ． L t d ． ， N a mi n g 2 1 1 8 0 0， C h i n a Ab s t r a c t B a s e d o n AME S i m s i mu l a t i o n s o f t wa r e a n d s t r u c t u r e o f r e l a y v a l v e ，a n e f f e c t i v e me t h o d wh i c h c a n s o l v e t h e c o n i c al v o l u me c h a n g e o f me mb e r i s fi r s t l y d e v e l o p e d ．T o r e s e arc h t h e d y n a mi c p e rfo r ma n c e a n d i mp o r t an t p a r a me t e r s o f r e l a y v alv e ，a d e t a i l e d s i mu l a t i o n mo d e l i s b u i l t ．T h e s i mu l a t i o n r e s u l t s s h o w t h a t t h e p r e d i c t i o n s a r e i n g o o d a e e me n t w i t h t h e d a t a o f e x p e r i - me n t a t i o n w i t h r e a l s i t u a t i o n，and t h e AMES i m mo d e l c o n t r i b u t e s t o t h e n e w d e s i g n and o p t i mi z e o f r e l a y v alv e ． Ke y wo r d s s i mu l a t i o n； AMES i m； EMU； b r a k i n g s y s t e m； r e l a y v alv e l 前言 高速动车组制动系统采用复合制动模式， 即 再生制动与电气指令式空气制动相结合。其中， 电气指令式空气制动采用微机控制的直通 电空制 动模式 ， 其主要 由制动控制系统 、 基础制动系统及 空气供给系统三大部分组成 。在常用制动与紧急 制动作用时， 中继 阀作为关键执行机构 ， 其性能的 稳定性与可靠性直接影响到列车运营安全 。为了 验证产品设计的合理性， 综合分析其动态性能， 缩 短开发周期 ， 传统试验测试手段 已经无法满足需 求 。 ． 由于气体可压缩性强， 其动态特性受边界条 件影响严重 ， 具有 高度 的非 线性及不稳定性 ， 因 此一直 以来 空气 制 动 系统 研 发 以传 统试 验 为 主 ， 开发周期长 、 成本高 。随着计算 机技术 的发 展 ， 利用计算机模拟替代传统试验， 可以大大减 收稿 日期 2 0 1 2 0 9 2 5 基金项 目 国家科 技支撑计划资助项 目 2 0 0 9 B A G 1 2 A 0 5 少试验工作量， 有效地提高产品的设计效率。 目前 ， 国内外一般采用 自行编程和使用通用仿 真软件两种方法对制动系统性能进行数值仿真 技术 。 自行编制程序 ， 过程 繁琐 ， 对 技术人 员编 程能力与基础专业水平 要求高， 不具备通 用 性 J 。近年来， 随着通用仿真软件在工程技术 领域 的深入 推广应 用 与不 断完 善 ， 系统仿 真 的 精度及可靠性得到普遍认可 。 A ME S i m作为一种 图形化 、 模 块化 的多物理 场仿真软件， 基于流体力学理论知识， 提供丰富的 标准气动元件参数化模块 ， 并通过元件模块间的 拓扑连接关系， 以一定的算法建立整个系统数学 模型。此种仿真分析方法使得设计人员避免了繁 琐的数学建模及大量的编程工作， 可以专注于物 理系统本身设计。对于功能与结构类似的物理系 统， 其通用性及参数化建模方法， 使得研究人员节 省了大量时间 。 F LUI D MACHI NERY Vo 1 ． 41， No ． 4， 2 01 3 2中继阀原理分析 图1 示出高速动车组制动控制装置功能。动 车组空气制动功能主要 为常用制动与紧急制动。 其中 ， 常用制动通过控制 电空转换阀的电流 ， 输出 与电流成比例的预控压力到中继 阀， 经 中继阀输 出大流量的等值压缩空气 ， 最后经盘形制动器将 制动力作用到制动盘上， 完成制动作用。在紧急 制动被触发时 ， 通过 B 1 1型紧急调压 阀输出的压 力经紧急电磁阀输 出给 中继阀， 与常用制动预控 压力进行 比较 ， 根据高压优先功能 ， 将较大者作为 基础制动系统用空气压力。可见 ， 中继阀作 为空 气制动系统的关键部件 ， 决定 了常用制动与紧急 制动时的可靠性与精度， 一旦其出现故障， 将导致 整个空气制动系统功能失效 。 风管 r⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯⋯ ⋯一 制动控制装置 ⋯⋯ { ⋯ 一⋯一 早匮 _ 匝 暖 甄 嘲l _二 二 ⋯ ． I ． ． ⋯ 二 i ⋯ ⋯ ⋯ E 丽 ． 图 1 高速动车组制动控制装置功能 如图 2所示 ， 中继 阀为双预控腔室组成的等 值流量放大阀， 具有高压优先输出功能， 即输出压 力 B C 等于常用制动预控腔 A C 1 与紧急制动 预控腔 A C 2 中压力较大者。其结构主要 由供给 阀、 给排 阀杆 、 复位弹簧 、 节流栓 、 橡胶膜板 、 反馈 腔 、 预控腔等组成。 图2 中继阀原理示意 3 仿真模型建立 A ME S i m仿真软件 主要 是采用参数化建模 ， 依据腔室压力及作用面积进行流体性能计算， 因 此需要对产品物理结构进行解析 ， 并提取相关参 数。 3 ． 1 建模 关键点 在充排气过程 中， 给排 阀杆 的位移会带动预 控腔 内橡胶膜板上升与下降 ， 从而引起预控腔体 积呈锥状变化 ， 如不充分考虑会影响到整 阀仿真 的准确性 ， 不容忽略。但 由于 A M E S i m软件本身 局限性 ， 其对应的仿真模块无法计算锥状体 积变 化， 本文采用等效体积法对呈锥状变化 的容积进 行处理， 得出等效截面积可以满足软件输人条件 要求 ， 如图 3所示 。 ▲ A X l ； r ‘⋯一 给排 阀杆 图3 橡胶膜板锥形容积变化示意 随着给排阀杆位移 的变化 ， 其预控腔体积 变化量可表示为 d VI A d x 1 式 中A 随着位移变化时的瞬时截面积 根据图 3所示 ， 结合式 1 可 以推导出其 体 积计算式为 a v 学 [ 1 素 暑 】 一 2 即 dV 芋1 ／- 妄 】 一 百 r2 3 由式 3 可 以得 出瞬时截 面积与位移无关 ， 可以由固定的等效截面积替代 。 dV 4 d 4 通过式 4 计算锥形体积的等效直径 D ， 作 为A M E S im中带膜板活塞模型的输入参数， 可有 效解决锥形体积瞬时截面积连续变化导致物理模 2 0 1 3年第 4 1卷第 4期 流体机械 4 5 型与实际有偏差的问题。 另外 ， 中继阀内部弹簧刚度 、 O形圈阻力及 阀 芯惯性对阀本身动态调整时的稳定性及压力控制 精度有重要影响。因此 ， 在仿真建模过程中， 将 阀 芯与弹簧等效 为质量 一弹簧 系统 ， 通过式 5 计 算其系统阻尼系数 ， 作为模型中质量块的参数 输入 。 R 2 Z K M 以 5 式中 阻尼比例 弹簧刚度 肛一阀芯质量 3 ． 2物理 模 型 对于气动元件 ， 阀内部腔室 、 节流孔及管路尺 寸， 无疑是决定整阀性能的关键因素 ， 为了得到准 确的仿真结果， 本模型充分考虑结构尺寸， 如图4 所示。 4 结果和讨论 图4 中继阀详细模型 在图 4整阀仿 真模型 中， 为 了研究 中继 阀单 阀的流体特性及动态性能， 考虑将常用制动预控 压力 A C 1与紧急制动预控压力 A C 2直接采用压 力源进行供气 ， 可 以有效避免紧急 电磁阀及 电空 转换阀模型对分析结果的影响。 4 ． 1 仿真结果分析 本文主要通过对 中继阀的典 型特性 ， 如表征 输入输出关系的预控压力 A C与输出压力 B C曲 线、 高压优先特性以及容量试验， 进行仿真计算， 将其结果与试验数据进行对 比。 4 ． 1 ． 1 输入输出关系特性分析 图5与表 1为常用制动预控压力 A C 1与中 继阀出口 B C压力的仿 真结 果与试验数据对 比。 仿真结果比较理想， 与试验数据趋势基本符合， 其 大小偏差在 5 k P a以内。 70 0 生 基 3 5 0 弓 三 0 l 0 0 35 0 60 0 常用制 动AC l 压 力 k P a 1 图5 仿真数据与试验数据对比 紧 急 制 动 预 控 压 力 S 表 1 输入输出特性结果对 比 k P a A C I 值 1 0 0 2 0 0 2 5 0 3 0 0 4 0 0 5 0 0 5 5 0 6 0 0 仿真值 8 5 1 8 7 2 3 9 2 9 1 3 9 5 5 5 1 5 5 l 6 0 4 试验值 8 8 1 9 2 2 4 1 2 9 4 4 0 0 5 0 5 5 5 5 6 0 8 4 ． 1 ． 2 高压优先功能分析 中继阀为双预控 腔室组成 的等值流量 放大 阀， 具有高压优先输出功能， 即输出压力 B C大小 与常用制动 A C 1 、 紧急制动预控 腔 A C 2 中压 力大的相同。仿真模拟 了2种工况进行验证 1 当 A C 1 为 0 、 A C 2为 4 4 0 k P a时 ， 输 出压力 B C与 AC 2压力相等 ； 2 A C 2为 4 4 0 k P a不 变 时， 当 A C 1增 大到 4 9 0 k P a时 ， 输 出 压 力 B C 随 着 A C 1增 大 至 4 8 7k Pa。 如图 6所示 ， 仿真结果与试验数据相符 ， 从而 验证 了中继阀高压优先功能 。 2 00 出 一 l O0 0． 0 4． o 8 ． o 时 间 s 图6 高压优先功能 FLUI D MACHI NERY Vo 1 ． 41， No ． 4， 2 01 3 3 流量特性分析 中继阀作为流量放大阀， 其流量大小直接决 定整车制动响应时间 ， 为了验证其流量特性 ， 仿真 计算与试验均采用充罐法。本文负载风缸．为 4 l L ， 要求分别测试供给容量与排气容量 1 B C压力 由0上升到 4 4 0 k P a的时间； 2 B C压力由4 9 0 k P a 下降到4 0 k P a 的时间。 由图 7与表 2结果对 比看 出， 充排气时间与 实际试验数据误差很小 ， 说 明流量特性 与实际产 品比较相符。 ∞ 奋2 5 0 丑 镰 O 0 6 l 2 时间 s 图7 容量试验仿真计算 表 2 容量试验结果对比 s 项 目 仿真值 实测值 供给容量 3 ． 1 3 3 ． 2 排气容量 5 ． 3 7 5 ． 5 通过对输入输 出特性 B CA C压力关系、 高 压优先功能及容量试验 的仿真计算 ， 并 与试验数 据对 比， 结果显示 比较一致 ， 充分验证 了整阀模型 搭建及关键特征处理方法有 比较高的真实性。 4 ． 2 关键参数影响分析 对于固定 的中继 阀输 出负载 2 0 0 k m动车组 为增压缸 ， 新一代为制动缸 ， 其反馈腔室内节流 孔大小会直接影响到输 出压力的稳定性 。本文将 讨论分析节流孔大小对整阀性能影响 ， 其 中， 节流 孔直径分别取 1 ． 0 mm、 1 ． 5 mm、 2 ． 0 mm、 3 ． 0 mm 4种 工 况 ， 仿 真 过 程 为 A C 1由 0 k P a上 升 到 4 0 0 k P a ， 保持 1 s 后 ， 继续上升到 5 0 0 k P a ， 保持 2 s ， 最后下降到 3 0 0 k P a 。 如图 8 、 9所示 ， 节流孔直径取 1 ． 0与 1 ． 5 m m 时， 输出压力 B C存在比较明显的过充与过排现 象， 随着节流孔直径增大到 2 ． 0与3 ． 0时， 过充与 过排现象消失。由图 1 0 、 1 1及表 3可 以看 出， 节 流孔大小会影响到进口阀芯的动态稳定特性， 当 随着节流孔直径 的增大 ， 阀门在 B C压力 动态稳 定的过程中， 阀芯开启位移越小， 但振荡持续时间 会越长。 2 ． OO 薹o 制 一 0 ．5 0 0． OO I ． 2 5 2． 5 0 时间 s 图 8 1 ． 0与 1 ． 5 m m节流孔对 B C影响 5 U ∞2 丑 时间 s 1 图9 2 ． 0与 3 ． 0 m m节流孔对 B C影响 7 0 0 岩3 5 0 ∞ 丑 0 O． O 3 ． 0 6． O 时间 s 图 1 0 1 ． 0与 1 ． 5 m m节流孔对进气阀芯稳定性影响 2 ． O0 o． 7 5 匿 一 O ． 5 0 0． 0 0 1 ． 2 5 2 ． 5 O 时 间 s 图 1 1 2 ． 0与 3 ． O m m节流孔对进气阀芯稳定性影响 表 3 节流孔尺寸对阀芯动态稳定特性影响 节流孔直径 m m 1 ． O 1 ． 5 2 ． O 3 ． O 稳定时间 s 0 ． 1 3 0 ． 2 3 O ． 4 4 0 ． 5 6 综述分析， 对于气动产品， 节流孔起到阻尼作 用， 其大小会直接影响输出压力的控制精度及稳 定时间。而节流孔尺寸 的最终确定还需要综合考 虑中继阀出口处负载腔室大小。 下转第7 4页 7 4 FLUI D MACHI NERY Vo 1 ． 41， No ． 4， 2 01 3 4结论 1 脉动热管处于稳态运行时 ， 加热功率 、 充 液率 、 管径 、 加热段出口温度等工作参数对热管的 流动和传热特性影响显著。给定加热功率和管径 时， 热管存在一个最佳的充液率。随着加热段出 口温度增加 ， 相变换热量明显减小 ； 随着加热功率 增大 ， 热管的运行速度和相变换热量明显增大 ， 热 管流型由塞状流向环路流过渡 ； 2 脉动热管处 于稳态运行时 ， 管 内流动和 传热特性 中起 主要 作用 的是热驱动力 和摩擦阻 力 ， 毛细阻力和重力的影响相对较小。因此如何 实现其“ 动力足” 又“ 阻力小” 是今后脉动热管基 础研究和工程上性能提高的关键 ； 3 脉动热管中显热传热量占总传热量的比 例远超过相变传热量所占的比例。热管运行阻力 较小时， 相变传热量 占总传热量 的比例在 1 0 ％ ～ 2 0 ％左 右 参考文献 [ 1 ] Q u We i ， F a n C h u n l i ，M a T o n g z e ．C o n t a c t A n g l e H y s t e r e s i s a n d Ca p i l l a r y Re s i s t a nc e o f Pu l s a t i n g he a t p i pe [ J ] ． J o u r n a l o f E n g i n e e r i n g T h e r mo p h y s i c s ， 2 0 0 3 ， 2 4 2 3 0 1 3 0 3 ． [ 2 ] Wo n g T N， T o n g B Y， L i m S M， e t a 1 ． T h e o r e t i c a l Mo d c l i n g o f P u l s a t i n g H e a t P i p e [ C ] ． I n P r o c ．o f t h e 1 1 1 HP C ． T o k y o， J a p a n， 1 9 9 9 ． P r e p r i n t Vo 1 ． 2， 1 5 9 1 6 3 ． [ 3 ] S h a f fi M B，F a g h r i A，Z h a n g Y ． A n a l y s i s of H e a t Tr a n s f e r i n Un l o o p ed a n d L o o pe d Pu l s a t i n g He a t P i p e s [ J ] ． I n t e r n a t i o n al J o u n a l o f N u m e ri c al Me t h o d s f o r H e a t F l u i d F l o w， 2 0 0 2 ， 1 2 5 5 8 5 - 6 0 9 ． [ 4 ] Q u We i ， Ma T o n g z e ． S t e a d y S t a t e O p e r a t i o n al M e c h a n i s m of L o o p e d P u l s a t i n g H e a t P i p e [ J ] ． J o u r n a l of E n - g i n e e r i n g T h e r m o p h y s i e s ， 2 0 0 4， 2 5 2 3 2 3 3 2 5 ． [ 5 ] Q u We i ， Z h o u Y a n ， Ma T o n g z e ． H e a t T r ans f e r and F l o w o n H i g h P o w e r P u l s a t i n g H e a t P i p e [ J ] ．J o u rnal o f E n g i n e e r i n g T h e r mo p h y s i c s ， 2 0 0 7 ， 2 8 2 3 2 8 3 3 0 ． [ 6 ]H o f f ma n R． A S t u d y o f A d v a n c i n g i n t e r f a c e [ J ] ． J ． C o l l o i d I n t e r f a c e S c ． ， 1 9 7 9 ， 5 0 2 2 2 8 - 2 4 1 ． [ 7 ] B e i t h i e r J ， Mi c r o d r o p s a n d D i g i t a l Mi c r o fl u i d i c s [ M] ． W i l l i a m An d r e w， N Y US A， 2 0 0 8 ． [ 8 ] 张猛 ， 周帼彦， 朱冬生． 降膜蒸发器的研究进展[ J ] ． 流体机械， 2 0 1 2， 4 0 6 9 0 - 9 4 ． [ 9 ] 勾昱君， 刘中良， 钟晓晖． 热管换热器用于 L E D冷却 系统的试验研究[ J ] ． 流体机械 ， 2 0 1 1 ， 3 9 9 6 9 - 7 2 ． [ 1 O ] 宋佳营． 太阳能热管技术与室内供热[ J ] ． 压力容 器 ， 2 0 1 1 ， 2 8 6 2 4 - 2 7 ． 作者简介 薛志虎 1 9 8 6一 ， 男 ， 工程师 ， 主要从事热管 理论 及实验研究 ， 通讯地址 1 0 0 0 7 4北京 7 2 0 1信箱第 1 6分箱。 上接第 4 6页 5结语 1 本文基于 A M E S i m多物理场仿真软件， 提出了气动阀类用膜板典型结构的锥形体积等效 方法， 经过试验数据与仿真数据对比， 有较好的符 合性 ， 对 同类产品建模有一定指导意义 ； 2 本文建立了高速动车组用 中继 阀 A ME S i m仿真模型， 并对其输入输出关系、 流量、 阀芯瞬 间位移等动态特性进行 了仿真计算 ， 有效的验证 了阀的动态物理性能 ， 对产品设计有重要指导意 义 参考文献 [ 2 ] 刁亮． F 8阀列车空气制动系统数值仿真 [ D] ．大 连 大连交通大学 ， 2 0 0 7 ． [ 3 ] 孟莹， 张志山， 郗严静， 等． 旋控钻机多余流量阀异 响仿真分析[ J ] ． 流体机械， 2 0 1 1 ， 3 9 1 0 3 1 - 3 3 ． [ 4 ] 马昌洲， 吴运新 ， 滑广军， 等． 基于 A ME S i m的叠加 式溢流阀故障仿真研究 [ J ] ． 流体机械， 2 0 1 1 ， 3 9 2 2 5 - 2 9 ， 7 1 ． [ 5 ] 魏伟． 1 2 0阀及试验台的计算机模拟[ J ] ．铁道学 报 ， 2 0 0 0， 2 2 1 3 1 3 5 ． [ 6 ] 杨璨 ， 倪文波， 蒋冬清， 等． 基于 A M E S i m的 1 2 0紧 急阀的建模及仿真分析[ J ] ． 铁道机车车辆 ， 2 0 0 9 ， 2 9 6 3 7 - 3 9 ． [ 7 ] 付永领 ， 齐海涛． L M S I m a g i n e ．L a b A M E s i m系统建 模和仿真实例教程 [ M] ． 北京 北京航空航天大学 出版社 ， 2 0 1 1 ． 作者简介 汪枫 1 9 8 1 一 ， 男 ， 工 程师 ， 从事 轨道交通制 动系 [ 1 ] 张曙光． C R H 2型动车组[ M] ． 北京 中国铁道出版 统研究， 通讯地址 2 1 1 8 0 0江苏南京市浦口经济开发区兴隆路 1 0 社 ， 2 0 0 8 ． 号南京浦镇海泰制动设备有限公司。