高速動車組供風系統建模與仿真分析

蔡 麗，杜群威，陳澍軍

(1 華東交通大學，江西南昌330013; 2 唐山軌道客車有限責任公司，河北唐山063035)

高速動車組供風系統建模與仿真分析

蔡 麗1，杜群威2，陳澍軍2

(1 華東交通大學，江西南昌330013; 2 唐山軌道客車有限責任公司，河北唐山063035)

以CRH3型動車組供風系統為研究對象，通過分析供風系統的工作原理和動車組耗風設備組成，建立了供風系統的仿真模型，并對供風單元和整車供風特性進行仿真。得到了供風單元的供風特性以及整車空氣充風特性，研究結果與試驗結果相符，滿足設計使用要求。此研究方法為高速動車組供風系統的設計和匹配研究提供理論依據。基于AMESim軟件建立的供風系統仿真模型，為動車組空氣系統相關研究提供支持。

動車組;AMESim;供風系統;仿真

鐵路制動系統一般采用壓縮空氣作為制動原動力，早期的供風單元選型都是根據現有數據或者經驗選取已有的供風單元，很少對供風單元進行整體更改和改型，隨著動車組速度的提高，高速環境下供風系統的大流量輸出對部件的性能和部件之間的匹配性有很高的要求。傳統的依據樣機改進的設計方式已經不能滿足現狀，部件間的參數匹配會延長設計周期，還會造成人力、物力及財力的耗費，采用計算機虛擬仿真技術，對供風系統的充風過程進行建模，仿真整車的充風特性，以驗證供風系統的性能，采用虛擬仿真技術改進供風系統設計流程。計算機數值模擬技術的突破性發展，氣體流動理論的日益成熟，為鐵路供風系統模擬研究創造了良好的條件，采用此技術不僅能夠模擬設備供風特性，還能對整個空氣系統進行供風量研究，同時還可以進行供風系統的匹配性研究。

1 供風系統工作原理

圖1 CRH3型動車組空氣系統功能圖

圖2 整車供風耗風設備組成

CRH3型動車組的空氣系統功能組成如圖1所示，從使用功能上將空氣系統分為供風設備、耗風設備和儲風設備，供風設備包括主供風單元、輔助供風單元，耗風設備包括制動控制、基礎制動裝置、撒沙裝置、空氣彈簧、廁所、風笛、門、空調等，儲風設備包括總風缸、制動風缸、輔助風缸及升弓風缸［1］。CRH3型動車組有兩個相同配置的單元組成，一個單元內的用風設備分布如圖2所示，主供風單元位于IC03/06車上，供風量為1 300 dm3/min，主供風單元由主空壓機、雙塔式空氣干燥器、精細濾油器、安全閥、單向閥及冷凝水收集器組成，主供風單元內部裝有1 200 kPa和1 050 kPa兩個安全閥，分別防止空壓機高壓損壞和總風管壓力過高，主供風單元連接有125 dm3的總風缸。主供風單元通過總風管給整列車供風，工作壓力為850～1 000 kPa。輔助供風單元安裝在TC02/07車，在主供風單元無法運行且總風管壓力低于受電弓升弓工作壓力，受電弓無法升弓，此時使用輔助供風單元對升弓回路充風，保證列車在緊急情況下可以升弓。輔助供風單元的供風量為80 dm3/min，工作壓力為800 kPa，出口處有900 kPa的安全閥，采用110 V直流供電。風缸模塊由總風缸、制動風缸及輔助風缸組成，每輛車都安裝有風缸模塊，總風缸與總風管相連，容積125 dm3，制動風缸為125 dm3，上游通過單向閥與總風缸連接，下游連接制動控制單元，提供制動用風，輔助風缸提供廁所用風、風笛用風及車鉤用風。

2 供風系統建模與仿真分析

2.1 供風部件原理分析

LMS Imagine.Lab AMESim是多學科復雜領域仿真平臺，利用元件庫里的基本模型可以進行一維化建模，對供風單元的組成和工作原理進行分析，建立其充風模型，而后建立整車的充風模型，仿真各工況下的壓力變化數據，與供風系統設計指標和實際試驗數據進行對比分析，去驗證建模的正確性和方法的合理性［2］。

供風系統是列車行車安全的重要部件，風源系統配置及控制方式的好壞直接影響列車的安全性能。CRH3型動車組主供風單元的功能組成如圖3所示，電動機驅動雙螺桿壓縮機進行壓縮空氣的輸出，含有油、水的混合氣體通過壓縮機內的油氣分離裝置而分離出絕大部分的油，而后水分通過雙塔式空氣干燥器進行分離，分離出來的水進冷凝水收集箱，氣體通過精細油氣分離器而達到所要求的空氣質量，通過總風缸輸出到總風管供其他設備使用。壓縮機原理如圖4所示，外界空氣經空氣濾清器過濾后進入壓縮機單元，空氣濾清器上安裝有真空指示器用于判斷空氣濾清器潔凈狀態，電動機驅動的雙螺桿壓縮機頭將過濾后的空氣進行壓縮，此時由于氣體與油在螺桿旋轉過程中產生熱量，升溫后的油氣混合物從壓縮機機頭進入儲油池進行初步冷卻，混合物中的大部分潤滑油落入油池中，氣體通過集油器進一步分離潤滑油，而后經過空氣冷卻器輸出。在壓縮過程中用于密封、潤滑和散熱的油通過控油單元再次被導入壓縮機單元。根據油溫去調節的控油單元內調節器位置，在油溫低于85℃不進行油冷卻，在油溫超過85℃時，通過控油單元動作，將散熱回路串入到供油回路中，當壓縮機運行溫度超過115℃后，保護系統切斷壓縮機供電線路。

圖3 主供風單元功能圖

圖4 空氣壓縮機原理圖

輔助供風單元安裝在TP車車下，當輔助變流系統失電時主供風單元無法工作，此時如果升弓風缸內的壓力過低就需要輔助空壓機啟動為受電弓升弓供風。

2.2 部件建模

根據主供風單元的特性分析，搭建主供風單元的熱交換充風模型，如圖5所示，將壓縮機產熱模型簡化為單純對氣體加熱，而后通過傳熱器將熱量傳遞給潤滑油，使其溫度上升，吸收熱量后的潤滑油進入散熱器進行熱交換，通過監測潤滑油的溫度確定散熱器通風電機以及壓縮機的起停，當溫度達到85℃時冷卻風扇開始強制散熱，使冷卻油溫度下降，如果由于系統故障，冷卻油溫度繼續上升，當溫度超過115℃后，控制回路切斷壓縮機供電［3］。

圖5 主供風單元熱交換供風模型

輔助供風單元采用單活塞壓縮機，其模型如圖6所示，由蓄電池供電的110 V直流電機帶動曲柄轉動，在連桿的帶動下，活塞在活塞缸內往復運動，在充排氣口有規律的開閉下實現空氣的壓縮。

圖6 輔助供風單元充風模型

圖7 整車充風模型

在主供風單元和輔助供風單元模型的基礎上，根據整車主要儲風、耗風設備的組成，建立整車充風模型，由于列車空氣系統布置是對稱的，建模時只對前4輛車建模，如圖7所示，給廁所供風的輔助風缸和空氣彈簧充風管路上裝有順序閥，設定開啟壓力為670 kPa，因此在充風時供風系統優先向總風缸、制動風缸以及給風笛供風的輔助風缸供風，這是因為空氣系統設計時首要保證制動用風，行車時，司機必須鳴風笛才可以動車，首先向風笛供風可以縮短動車組運行準備時間，保證緊急情況下最短時間出庫，同時在救援情況下可以減少壓縮空氣不必要的耗費。

2.3 部件仿真

輔助供風單元由于活塞的往復運動，其供風曲線如圖8所示，在輔助空壓機空氣出口存在壓力脈動現象，其充風壓力變化近似為一條曲線，但對其局部放大即可得到真實的壓力變化情況:輔助供風單元輸出壓力呈階梯狀上升，這是由于活塞的往復運動導致活塞排氣塞門規律的開啟和關閉造成的壓力階躍現象。

圖8 輔助供風單元供風壓力曲線

根據整車運用確定供風系統的充風指標為:(1)記錄兩組主空壓機工作時，總風缸壓力由0 kPa上升到1 000 kPa的時間小于20 min;(2)切除空氣彈簧后，記錄兩組主空壓機工作時，總風缸壓力由0 kPa上升到1 000 kPa的時間小于12 min;(3)切除空氣彈簧和為廁所供風的輔助風缸后，記錄兩組主空壓機工作時，總風缸壓力由0 kPa上升到1 000 kPa的時間小于9 min; (4)啟動輔助供風單元，升弓風缸壓力從0 kPa上升到800 kPa的時間小于3 min30 s。

根據整車供風工況對主供風單元的供風能力進行仿真，仿真結果如圖9所示，充風開始時總風缸壓力上升，當總風缸壓力到達670 kPa時，給廁所供風的輔助風缸和空氣彈簧充風管路上的順序閥開啟，空氣彈簧充風到高度閥水平后保持平衡，壓力不再上升，輔助風缸壓力達到670 kPa時與總風缸一起充風，充風時間為1 122 s。當切除空簧回路后進行仿真，充風時間為620 s。當切除空簧回路和廁所供風輔助風缸后進行仿真，充風時間為529 s。

當總風管無風時，使用輔助供風單元對受電弓進行充風，模擬此工況下輔助供風單元供風能力，仿真結果如圖9所示，充風時間143 s。將仿真數據和設計指標、實際試驗數據進行對比:仿真結果與實際試驗結果相一致，且符合設計指標，見表1所示。

圖9 主供風單元充風仿真曲線

當動車組處于救援模式時，通過單管機車對動車組進行充風，此時機車列車管與被救援動車組列車管相連，通過打開動車組頭車車底設備箱內的充風塞門，使列車管通過單向閥向總風管充風，列車管最高壓力為600 kPa，假設機車列車管供風能力為1 500 dm3/min，此時由于順序閥的作用，給廁所供風用風缸和空簧無法充風，此工況下的仿真結果如圖10所示，充風時間580 s。

圖10 單管供風充風仿真曲線

3 結束語

本文對CRH3型高速動車組空氣系統進行建模和仿真。按照 CRH3型動車組空氣系統的組成，采用AMESim軟件對供風系統進行建模，并進行了主、輔供風單元的模型搭建和仿真，在此基礎上搭建了整車的充風模型，完成了主供風單元的充風仿真、輔助供風單元充風仿真，得到的仿真結果與實際試驗結果相符，驗證了模型建立和仿真方法的正確性、合理性，進而進行了單管機車救援模式下的充風仿真。對供風系統進行仿真模擬分析研究，為空氣系統研究提供了一條新的研究途徑，可以大大縮短產品的開發周期，提高系統的匹配性。

［1］ 楊偉君，李邦國，范榮巍，等.和諧號動車組風源系統及其管理［J］.鐵道機車車輛，2011，31(5):55-60.

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

［3］ 李和平，楊偉君，金哲，等.高速列車制動系統氣動仿真平臺［J］.鐵道機車車輛，2011，31(5):89-92.

Analysis of Modeling and Simulation for Air Supply System of EMU

CAI Li1，DU Qunwei2，CHEN Shujun2
(1 East China Jiaotong University，Nanchang 330013 Jiangxi，China; 2 CNR Tangshan Railway Vehicle Co.，Ltd.，Tangshan 063035 Hebei，China)

In this paper，CRH3 EMU air-supply system is taken as the research object.By analyzing the principle of air supply system and EMU wind equipment，the simulation model of air supply system is established，and the air supply unit and EMU air supply characteristics are simulated.The results fit well with experiment and the design requirements are air supply characteristics of air supply unit and EMU air charging characteristics.This method provides a theoretical basis for research and design of high speed EMU air supply system.Air supply system simulation model，which is based on AMESim software，provides support for related research of EMU air system.

CRH3;AMESim;air supply system;simulation

U266.2

A

10.3969/j.issn.1008－7842.2015.02.11

1008－7842(2015)02－0046－05

)女，碩士研究生(

2014－09－19)