城際動車組制動系統空重車調整閥性能仿真

程國軍+馬璐+莊國明+馬明

摘要： 為驗證城際動車組制動系統用空重車調整閥產品設計的合理性，縮短開發周期，用AMESim創建空重車調整閥仿真模型，并在此基礎上搭建簡化的測試氣路模型.分析反饋室容積、節流孔孔徑大小和進出口環境等關鍵因素對空重車調整閥動態性能的影響，得到的設計尺寸范圍與實際情況相符.結果可以為氣動閥類產品的設計優化提供參考.

關鍵詞： 動車組； 空重車調整閥； 反饋室； 節流孔； 氣路模型

中圖分類號： TH138；U266文獻標志碼： B

為滿足快速增長的旅客運輸需求，2004年1月國務院常務會議通過《中長期鐵路網規劃》，提出建立省會城市及大中城市間的快速客運通道，規劃“四縱四橫”客運專線以及經濟發達和人口稠密地區城際客運系統等.城際鐵路載客量頻繁變化，其空車時的質量與重車時的質量相差很大，因此制動時所需的閘瓦壓力、制動力不同.城際動車組制動系統應滿足城際鐵路制動要求，適用于乘客數量變化較大的城際列車.空重車調整閥是一種根據車輛載重變化輸出相應制動壓力的調壓閥，在制動系統中具有即使空氣彈簧發生故障，也能保證一定制動壓力的安全保障功能；另外，其還具有調整空載時的制動力和增壓比的功能.當發生緊急制動時，在沖動限制范圍內，空重車調整閥可根據不同載客量調整相應的制動壓力，在保證列車運行安全的同時，最大程度地發揮制動系統的作用，縮短緊急制動距離.因此，探討影響空重車調整閥性能的因素具有重要意義.[14]

作為多學科領域復雜系統建模仿真平臺的AMESim，能夠從元件設計出發，考慮摩擦、油液、氣體本身的特性和環境溫度等因素，建立部件和系統仿真模型進行仿真和優化[5]，在氣壓傳動領域應用廣泛.趙飛[6]、徐志鵬[7]和武鵬飛等[8]利用AMESim解決許多實際困難.本文選用該仿真軟件對空重車調整閥進行建模仿真，研究空重車調整閥的結構，分析影響空重車調整閥動態性能的內在、外在因素.

1空重車調整閥作用原理

城際動車組制動系統簡圖見圖1.在制動系統中，空重車調整閥根據空氣彈簧壓力輸出對應的可變載重（Variable Load， VL）壓力，通過緊急制動電磁閥的通斷控制將緊急制動預控壓力傳遞到中繼閥，經中繼閥輸出大流量等壓力值的壓縮空氣，最后經盤形制動器將制動力作用到制動盤上，完成制動作業.[910]空重車調整閥根據車輛載重調整制動壓力，其性能直接決定列車的緊急制動性能.在空氣彈簧（Air Spring， AS）壓力低于空車壓力時輸出恒定VL壓力，在重車時根據AS壓力輸出不同VL壓力，其工作過程曲線見圖2.

圖 1城際動車組制動系統簡圖

Fig.1Schematic of intercity electric multiple unit

braking system

圖 2空重車調整閥工作過程示意

Fig.2Schematic of working process of

empty and load adjustment valve

空重車調整閥在工作過程中有供氣、重疊、排氣和倒流排氣等4個工作過程，其主要由滾子調整桿組件、平衡杠桿、AS彈簧、膜板、止回閥、供給閥、節流孔、反饋室和VL彈簧等組成，見圖3.圖 3空重車調整閥結構原理

Fig.3Structure principle of empty and load adjustment valve

2氣路仿真模型

2.1AS活塞和VL活塞橡膠膜板參數提取

在充排氣過程中，活塞的上下移動會帶動橡膠膜板上下移動，引起橡膠膜板呈錐狀變化，從而導致橡膠膜板的面積變化.可利用橡膠膜板等效作用面積法進行處理，將等效截面積作為AMESim模型的輸入條件.橡膠膜板容積變化原理見圖4.

圖 4橡膠膜板面積變化原理

Fig.4Rubber diaphragm area changing principle

根據圖4可以得到容積公式為ΔV（x）=πR2Δx31+rR+r2R2-πr2Δx（1）即dvdx=πR231+rR+r2R2-πr2（2）由式（2）可知，膜板瞬時截面積與位移無關，可以由恒定的等效直徑替代，即πD2eq4=dvdx（3）因此，Deq=4×R231+rR+r2R2-r2（4）式中：V為體積；r為橡膠膜板內半徑；Δx為活塞位移；Deq為橡膠膜板等效直徑；R為橡膠膜板外半徑.

由于等效直徑恒定且與膜板的位移無關，根據式（3）可得到膜板的等效直徑Deq.對于VL活塞膜板，R=30.9 mm，r=9.6 mm，計算得Deq=37.72 mm.對于AS活塞膜板， AS活塞上膜板與VL活塞膜板一樣，即Deq=37.72 mm；AS活塞下膜板R=26.4 mm，r=8.4 mm計算得Deq=32.17 mm.

2.2模型建立

在空重車調整閥處于供氣過程中時，AS壓力超過預設壓力，滾子調整桿組件與閥蓋相碰撞，在AMESim中可以通過杠桿與彈簧的組合仿真得到這一過程的結果，其結構仿真模型見圖5，當簡化為活塞產生的AS作用力大于或等于AS調整彈簧力值時，信號模型f（x）通過平衡杠桿調節VL側壓力值；此時杠桿相當于一個剛度很大的彈簧，彈簧的變形量即為平衡杠桿的變形量.

圖 5杠桿模型

Fig.5Lever model

供排氣閥由2部分組成，分別為由供給閥和供給閥襯套組成的供給部以及由供給閥和VL活塞組成的排氣部.閥芯均為供給閥，閥座分別為供排氣閥襯套與VL活塞，其結構見圖6.

圖 6供排氣閥模型

Fig.6Supply and exhaust valve model

在充分考慮結構尺寸、保證空重車調整閥模型準確性的前提下，逐步驗證杠桿作用、供給、排氣、空重車調整模塊等功能的正確性.空重車調整閥模型見圖7.

圖 7空重車調整閥模型

Fig.7Empty and load adjustment valve model

3仿真結果

由于外部模型與空重車調整閥模型相結合使得模型變大，因此對空重車調整閥內部結構配置一個超級元件.根據空重車調整閥使用要求搭建測試氣路模型進行仿真計算以確保模型的準確性，其整體測試氣路連接模型見圖8.通過信號模塊控制旋塞的通斷控制氣路，通過調整閥調節AS1和AS2輸入側的壓力，從而利用測試氣路模型對VL與AS的壓力關系進行調整，其VL輸出壓力與AS輸入壓力的關系見圖9.測試方法如下：

1）供給靈敏度.按上升方向調整AS壓力，將VL壓力按上升方向設定為定壓，在穩定后，緩慢降低VL壓力，測定VL壓力停止下降時的下降量.

2）排氣靈敏度.按下降方向調整AS壓力，將VL壓力按下降方向設定為定壓，緩慢增加VL壓力，測定VL壓力停止上升時的壓力上升量.

3）AS靈敏度VL供給.按上升方向調整AS壓力，將VL壓力按上升方向設定為定壓，緩慢增加AS壓力，測定VL壓力開始上升時AS壓力上升量.

4）AS靈敏度VL排氣.按下降方向調整AS壓力，將VL壓力按下降方向設定為定壓，緩慢降低AS壓力，測定VL壓力開始下降時AS壓力的下降量.

5）過充氣靈敏度.按上升方向調整AS壓力，將VL壓力按上升方向設定為定壓，此時壓力為A.切斷SR壓力，然后緩慢將VL壓力降低35 kPa，再迅速接通SR壓力，測定此時VL壓力為B.測定從A到B的上升量.

6）滯后特性要求.打開旋塞接通13L風缸，將AS壓力緩慢上升，測定3個AS壓力對應的VL壓力值，然后緩慢下降，測定3個AS壓力對應的VL壓力值.分別測量上升、下降時與3個AS壓力對應的VL壓力之差.

7）逆流作用要求（空車和重車2種情況）.設定AS壓力值，確認VL壓力，然后切斷SR壓力，將SR壓力降為0，測量此時的VL壓力.

8）容量試驗.調整AS壓力，將VL壓力設定為定壓后，將VL輸出到13L風缸，測定風缸壓力從0到345 kPa的上升時間.

其靈敏度、滯后特性、逆流排氣作用和容量測試符合空重車調整閥使用要求，模型計算結果見表1.根據表1分析影響空重車調整閥性能的主要因素.

圖 8空重車調整閥測試氣路模型

Fig.8Pneumatic test model of empty and load

adjustment valve

圖 9輸入輸出特性曲線

Fig.9Inputoutput characteristic curve表 1模型計算結果

Tab.1Calculated results of model性能要求值仿真值供給靈敏度15 kPa以下1 kPa排氣靈敏度25 kPa以下12.5 kPaAS靈敏度VL供給15 kPa以下 11.5 kPaAS靈敏度VL排氣25 kPa以下1 kPa過度充氣靈敏度20 kPa以下1 kPa滯后特性0～35 kPa 26.8 kPa逆流作用15 kPa以下0逆流作用25 kPa以下0供給容量3.5 s以下2.5 s

3.1反饋室腔體對VL輸出壓力的影響

空重車調整閥VL輸出壓力作為預控壓力直接作用到中繼閥，其反饋室體積的大小直接影響VL輸出壓力，從而影響緊急制動壓力的穩定性，因此需分析空重車調整閥反饋室體積大小對整閥性能的影響.

根據圖7空重車調整閥模型，反饋室體積分別取0.012，0.002，0.300，0.400和0.500 L，在AS壓力上升和下降過程中，得出VL輸出壓力隨時間變化曲線見圖10.

圖 10反饋室對VL輸出壓力的影響

Fig.10Effect of feedback chamber on VL output pressure

由圖10可知：反饋室體積大小影響VL輸出壓力穩定值大小和穩定時間；反饋室體積在0.200 L以下時，VL輸出壓力無過充和過排現象，反饋室體積大于0.200 L時，VL輸出壓力穩定前會有跳動現象以及過充和過排現象，且反饋室體積越大，VL空車輸出壓力的跳動越大，過充和過排時間越長.由此可見，結合空重車調整閥的結構，反饋室的體積應在0.200 L以下.

3.2節流孔孔徑對VL輸出壓力的影響

考慮到反饋室內節流孔孔徑大小會影響VL輸出壓力的穩定性，對圖7空重車調整閥仿真模型節流孔孔徑分別取1.0，1.5，2.0和4.0 mm進行仿真計算，分析AS在壓力上升和下降過程中對VL輸出壓力的影響，得到VL輸出壓力隨時間變化曲線見圖11.對比分析發現，當節流孔孔徑分別為1.0和1.5 mm時，VL輸出壓力有過充現象，孔徑1.5 mm時VL輸出壓力的過充持續時間小；當節流孔孔徑分別為2.0和4.0 mm時，VL輸出壓力穩定，無過充和過排現象；在AS壓力上升時節流孔孔徑為1.0和1.5 mm對應的VL輸出穩定壓力比2.0和4.0 mm對應的VL輸出穩定壓力高，即節流孔孔徑為1.0和1.5 mm時調整閥性能差.綜上所述，節流孔孔徑應優選2.0～4.0 mm.

圖 11節流孔對VL輸出壓力的影響

Fig.11Effect of throttle hole on VL output pressure

3.2進出口環境對空重車調整閥輸出壓力的影響

在實際制動系統中，空重車調整閥的AS輸入側有節流孔以保證空簧壓力穩定，空重車調整閥的VL輸出壓力與中繼閥的通斷會改變VL輸出側體積的大小.因此，從AS輸入側節流孔孔徑大小和VL輸出側體積大小2方面仿真分析VL的壓力值變化，其仿真模型見圖12.

圖 12空重車調整閥超級模塊模型

Fig.12Supermodule model of empty and load

adjustment valve

3.3.1AS輸入側節流孔的影響

取節流孔孔徑分別為0.5，1.0，2.0和3.0 mm，仿真分析VL輸出壓力隨AS輸入壓力的變化.AS輸入調整壓力曲線見圖13，AS側節流孔孔徑大小對VL輸出側壓力變化的影響見圖14.由圖13和14可知：AS輸入壓力在VL輸出壓力穩定后下降30 kPa左右時VL輸出壓力下降量較小，即AS輸入側節流孔具有保證VL輸出壓力的穩定性的功能，從而防止因AS輸入側壓力波動影響VL壓力波動，確保制動壓力的穩定性；節流孔孔徑越小，VL輸出壓力越穩定，節流孔徑在0.5～2.0 mm范圍內時，VL輸出壓力波動在2 kPa以內，但是節流孔徑為0.5 mm時，VL輸出壓力的充氣穩定時間長.綜上所述，AS輸入側節流孔孔徑優選1.0～2.0 mm.

圖 13AS輸入調整壓力曲線

Fig.13Curve of AS input pressure for adjustment

圖 14AS側節流孔對VL輸出壓力的影響

Fig.14Effect of AS throttle hole on VL output pressure

3.3.2VL輸出側的影響

VL輸出側體積大小影響最終制動壓力的大小以及達到最終穩定壓力的時間，從而影響制動系統的制動性能.

為確保VL輸出側體積大小變化不影響制動控制裝置的制動性能，根據圖12模型分別取VL輸出側風缸體積為0.1，0.9，3.0，6.0，12.0，24.0和36.0 L進行計算分析，得到不同體積風缸的VL輸出壓力時間曲線見圖15，可知：風缸體積越大，VL輸出穩定壓力越小，達到穩定壓力的時間越長；0.1 L與36.0 L風缸對應VL輸出壓力相差10 kPa左右，0.1 L與3.0 L對應的 VL輸出穩定壓力相差不到0.5 kPa，12.0 L與36.0 L風缸對應的VL輸出穩定壓力只相差1 kPa左右.在實際制動系統環境中，VL輸出側的體積約為0.2 L，體積變化不大于0.2 L，因此VL輸出側體積大小的變化不影響VL輸出側壓力，能保證城際動車組制動系統制動壓力的穩定性.

圖 15風缸對VL輸出壓力的影響

Fig.15Effect of air cylinder on VL output pressure4結論

利用AMESim對空重車調整閥進行建模仿真，針對腔體容積、節流孔孔徑等內外部因素對閥體性能的影響深入分析，得出以下結論：1）反饋室體積應在0.2 L以下；2）反饋室處節流孔孔徑應優選2.0～4.0 mm；3）AS輸入側節流孔孔徑優先選為1.0～2.0 mm.

通過分析閥體結構和外部環境的影響，為空重車調整閥的應用提供理論依據，結果與實際情況相符，縮短研發周期，同時也為同類氣壓機械閥的建模仿真設計提供參考.參考文獻：

[1]彭俊彬. 動車組牽引與制動[M]. 北京： 中國鐵道出版社， 2009： 78.

[2]王月明. 動車組制動技術[M]. 北京： 中國鐵道出版社， 2010： 1213.

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[4]饒忠. 列車制動[M]. 北京： 中國鐵道出版社， 2008： 4244.

[5]付永領， 齊海濤. LMS Imagine.Lab AMESim 系統建模和仿真[M]. 北京航空航天大學出版社， 2011： 3135.

[6]趙飛. 基于AMESim的氣動系統建模與仿真技術研究[D]. 秦皇島： 燕山大學， 2010.

[7]徐志鵬. 高壓氣動比例減壓閥的結構優化與特性研究[D]. 杭州： 浙江大學， 2010.

[8]武鵬飛， 吳張永， 邵曉光. 氣動機械手柔性抓取控制系統設計與仿真分析[J]. 機床與液壓， 2008， 36（12）： 116117.

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[9]汪楓， 馬璐， 朱新宇， 等. 高速動車組制動系統用中繼閥性能仿真研究[J]. 流體機械， 2013， 41（4）： 4346.

WANG Feng， MA Lu， ZHU Xinyu， et al. The characteristic simulation analysis on relay valve of high speed EMU air braking system[J]. Fluid Machinery， 2013， 41（4）： 4346.

[10]孫繼武， 任利惠， 伍智敏， 等. CRH2動車組空氣制動系統FD1型中繼閥節流孔優化[J]. 計算機輔助工程， 2011， 20（4）： 1014.

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（編輯 武曉英）

圖 12空重車調整閥超級模塊模型

Fig.12Supermodule model of empty and load

adjustment valve

3.3.1AS輸入側節流孔的影響

取節流孔孔徑分別為0.5，1.0，2.0和3.0 mm，仿真分析VL輸出壓力隨AS輸入壓力的變化.AS輸入調整壓力曲線見圖13，AS側節流孔孔徑大小對VL輸出側壓力變化的影響見圖14.由圖13和14可知：AS輸入壓力在VL輸出壓力穩定后下降30 kPa左右時VL輸出壓力下降量較小，即AS輸入側節流孔具有保證VL輸出壓力的穩定性的功能，從而防止因AS輸入側壓力波動影響VL壓力波動，確保制動壓力的穩定性；節流孔孔徑越小，VL輸出壓力越穩定，節流孔徑在0.5～2.0 mm范圍內時，VL輸出壓力波動在2 kPa以內，但是節流孔徑為0.5 mm時，VL輸出壓力的充氣穩定時間長.綜上所述，AS輸入側節流孔孔徑優選1.0～2.0 mm.

圖 13AS輸入調整壓力曲線

Fig.13Curve of AS input pressure for adjustment

圖 14AS側節流孔對VL輸出壓力的影響

Fig.14Effect of AS throttle hole on VL output pressure

3.3.2VL輸出側的影響

VL輸出側體積大小影響最終制動壓力的大小以及達到最終穩定壓力的時間，從而影響制動系統的制動性能.

為確保VL輸出側體積大小變化不影響制動控制裝置的制動性能，根據圖12模型分別取VL輸出側風缸體積為0.1，0.9，3.0，6.0，12.0，24.0和36.0 L進行計算分析，得到不同體積風缸的VL輸出壓力時間曲線見圖15，可知：風缸體積越大，VL輸出穩定壓力越小，達到穩定壓力的時間越長；0.1 L與36.0 L風缸對應VL輸出壓力相差10 kPa左右，0.1 L與3.0 L對應的 VL輸出穩定壓力相差不到0.5 kPa，12.0 L與36.0 L風缸對應的VL輸出穩定壓力只相差1 kPa左右.在實際制動系統環境中，VL輸出側的體積約為0.2 L，體積變化不大于0.2 L，因此VL輸出側體積大小的變化不影響VL輸出側壓力，能保證城際動車組制動系統制動壓力的穩定性.

圖 15風缸對VL輸出壓力的影響

Fig.15Effect of air cylinder on VL output pressure4結論

利用AMESim對空重車調整閥進行建模仿真，針對腔體容積、節流孔孔徑等內外部因素對閥體性能的影響深入分析，得出以下結論：1）反饋室體積應在0.2 L以下；2）反饋室處節流孔孔徑應優選2.0～4.0 mm；3）AS輸入側節流孔孔徑優先選為1.0～2.0 mm.

通過分析閥體結構和外部環境的影響，為空重車調整閥的應用提供理論依據，結果與實際情況相符，縮短研發周期，同時也為同類氣壓機械閥的建模仿真設計提供參考.參考文獻：

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（編輯 武曉英）

圖 12空重車調整閥超級模塊模型

Fig.12Supermodule model of empty and load

adjustment valve

3.3.1AS輸入側節流孔的影響

取節流孔孔徑分別為0.5，1.0，2.0和3.0 mm，仿真分析VL輸出壓力隨AS輸入壓力的變化.AS輸入調整壓力曲線見圖13，AS側節流孔孔徑大小對VL輸出側壓力變化的影響見圖14.由圖13和14可知：AS輸入壓力在VL輸出壓力穩定后下降30 kPa左右時VL輸出壓力下降量較小，即AS輸入側節流孔具有保證VL輸出壓力的穩定性的功能，從而防止因AS輸入側壓力波動影響VL壓力波動，確保制動壓力的穩定性；節流孔孔徑越小，VL輸出壓力越穩定，節流孔徑在0.5～2.0 mm范圍內時，VL輸出壓力波動在2 kPa以內，但是節流孔徑為0.5 mm時，VL輸出壓力的充氣穩定時間長.綜上所述，AS輸入側節流孔孔徑優選1.0～2.0 mm.

圖 13AS輸入調整壓力曲線

Fig.13Curve of AS input pressure for adjustment

圖 14AS側節流孔對VL輸出壓力的影響

Fig.14Effect of AS throttle hole on VL output pressure

3.3.2VL輸出側的影響

VL輸出側體積大小影響最終制動壓力的大小以及達到最終穩定壓力的時間，從而影響制動系統的制動性能.

為確保VL輸出側體積大小變化不影響制動控制裝置的制動性能，根據圖12模型分別取VL輸出側風缸體積為0.1，0.9，3.0，6.0，12.0，24.0和36.0 L進行計算分析，得到不同體積風缸的VL輸出壓力時間曲線見圖15，可知：風缸體積越大，VL輸出穩定壓力越小，達到穩定壓力的時間越長；0.1 L與36.0 L風缸對應VL輸出壓力相差10 kPa左右，0.1 L與3.0 L對應的 VL輸出穩定壓力相差不到0.5 kPa，12.0 L與36.0 L風缸對應的VL輸出穩定壓力只相差1 kPa左右.在實際制動系統環境中，VL輸出側的體積約為0.2 L，體積變化不大于0.2 L，因此VL輸出側體積大小的變化不影響VL輸出側壓力，能保證城際動車組制動系統制動壓力的穩定性.

圖 15風缸對VL輸出壓力的影響

Fig.15Effect of air cylinder on VL output pressure4結論

利用AMESim對空重車調整閥進行建模仿真，針對腔體容積、節流孔孔徑等內外部因素對閥體性能的影響深入分析，得出以下結論：1）反饋室體積應在0.2 L以下；2）反饋室處節流孔孔徑應優選2.0～4.0 mm；3）AS輸入側節流孔孔徑優先選為1.0～2.0 mm.

通過分析閥體結構和外部環境的影響，為空重車調整閥的應用提供理論依據，結果與實際情況相符，縮短研發周期，同時也為同類氣壓機械閥的建模仿真設計提供參考.參考文獻：

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（編輯 武曉英）