“復興號”動車組供風系統及耗風設備匹配研究

金 哲

(1 中國鐵道科學研究院集團有限公司 機車車輛研究所， 北京 100081；2 北京縱橫機電科技有限公司， 北京 100094)

“復興號”動車組是具有自主知識產權的中國標準動車組，在供風系統和耗風設備的配置方面跟其他軌道車輛有較大的差異。目前，國內軌道車輛設計中嚴重缺乏供風及耗風設備的匹配研究，大部分憑經驗設計供風系統和耗風設備，因此軌道車輛投入運營后，經常出現供風系統工作率過低，或者供風能力不足而影響車輛運營的問題。

在不同線路、不同運營階段，軌道車輛的耗風工況千差萬別。在車輛出庫前，如果總風壓力不足，供風系統必須快速給車輛充風，以便車輛按時投入運營，這就說明供風系統的供風能力越大越好，儲風缸容積越小越好。在車輛運行和停站中，車輛的耗風量時大時小。如果耗風量較大，需要供風能力更大的供風系統和更大容積的儲風缸，如果耗風量較小則反之。但是供風系統、儲風缸為額定設備，不能根據運營中的耗風量實時調整供風能力和儲風缸容積，因此在軌道車輛的設計階段合理匹配供風系統、儲風缸和耗風設備參數尤為重要。

1 供風系統和耗風設備組成及原理

圖1是“復興號”動車組的供風系統和主要耗風設備的組成示意圖。“復興號”動車組的制動系統、空氣懸掛系統、空調系統、廁所、撒沙控制系統、踏面清掃器、升弓控制系統都采用氣動控制方式，當車輛的空氣壓力不足時，將啟動供風系統，并通過總風管向總風缸(3)、制動風缸(2)、輔助風缸(6)內充風，供耗風設備使用。

由于制動系統和空氣懸掛系統與車輛安全有緊密聯系，為制動系統和空氣懸掛系統配備獨立的儲風缸，即制動風缸和輔助風缸。單向閥(1)分別防止制動風缸和輔助風缸的壓縮空氣逆流，優先保證制動系統和空氣懸掛系統的用風需求。

1-單向閥;2-制動風缸;3-總風缸;4-溢流閥;5-制動缸;6-輔助風缸;7-減壓閥;8-附加氣室;9-高度閥;10-空氣彈簧。圖1 供風系統及耗風設備組成示意圖

當總風壓力超過溢流閥(4)開啟值時，總風缸向輔助風缸和空氣懸掛系統供風。為了防止異常情況下空氣彈簧壓力過高，空氣懸掛系統的上游設置一個減壓閥(7)。在車輛運行或進站乘客上下過程中，由于車體載荷分布或車體載荷的變化，車體高度會發生變化。此時，高度閥(9)將打開閥口向空氣彈簧(10)及附加氣室(8)充風或排風，使車體保持一定的高度。

除了制動系統和空氣懸掛系統外，廁所、空調系統等耗風設備都直接使用總風管和總風缸內儲備的壓縮空氣。

2 數學模型的建立

2.1 供風系統模型

供風系統由電機、空氣壓縮機、干燥器、過濾器等部件組成，空氣壓縮機產生的壓縮空氣經過干燥器、過濾器后，因漏泄、機械效率等原因將損失部分供風能力。

作為冗余設計，每列車將配備多套供風系統，而且分為主供風系統和輔供風系統。因此主輔供風系統的輸出流量QMR1和QMR2分別為：

(1)

式中，NAC1為每列車上的主供風系統數量；NAC2為每列車上的輔供風系統；QAC為空壓機容積流量；ηAC為空壓機干燥效率。

總風壓力下降至主供風系統啟動壓力PAC1時，將啟動主供風系統，如果總風壓力繼續下降至輔供風系統啟動壓力PAC2時，將啟動輔供風系統?？傦L壓力達到車輛的正常工作壓力最大值PMR_Max時，空壓機會停止工作，因此車輛的供風系統總輸出流量QMR為：

PAC2≤PMR

PMR

2.2 空氣彈簧及附加氣室模型

由圖1可知，附加氣室是空氣彈簧的擴大容積，與空氣彈簧壓力基本保持一致。乘客上下過程中，隨著車體的變化，高度閥向空氣彈簧和附加氣室充風，保證車體高度不變。給一定容積的空氣彈簧和附加氣室充風時，標準大氣壓下所需的壓縮空氣容積VASH為：

(2)

通過高度閥給空氣彈簧和附加氣室充風的時間tLK為：

(3)

式中，PH為標準大氣壓力；P0為環境大氣壓力；PAS_k為k時刻空氣彈簧壓力；VAS為空氣彈簧容積；VASAC為附加氣室容積；NAS為每列車的空氣彈簧及附加氣室數量。

2.3 制動系統模型

制動系統的最終耗風設備為制動缸和制動控制裝置與制動缸之間的管路，而制動缸是由一定容積和往返運動的活塞組成的作動器。在車輛運行過程中，將多次施加/緩解常用制動，有時還會施加緊急制動。當緩解制動時，制動控制系統將排出制動缸和管路內壓縮空氣。制動缸耗風量QBC和管路耗風量分別QBCP為：

(4)

式中，NBC為每列車制動缸數量；VBC為每個制動缸容積；PBC為制動壓力；NBCP為每列車制動缸管路數量；VBCP為每個制動缸管路容積；jB為施加/緩解制動的次數；tR為車輛運行時間；tS為車輛停站時間。

2.4 高度閥模型

高度閥是根據空氣懸掛系統上部的質量變化，調整空氣彈簧內壓力的氣動部件。如果車重變化快，高度閥閥口全部打開如圖2(a)，壓縮空氣從總風口(2)經過閥口(1)和節流孔(4)進入空氣彈簧口(5)。如果車重變化緩慢，高度閥就緩慢打開閥口，閥口處形成圓環縫隙如圖2(b)，緩慢向空氣彈簧充風。

1-閥口； 2-總風口； 3-排風口；4-節流孔； 5-空氣彈簧口。圖2 高度閥內部結構

根據高度閥閥口變化原理，不同狀態下的高度閥流量QL為：

(5)

式中，Cq為流量系數；A0為閥口通流面積；ΔP為閥口前后壓差；ρ為空氣密度。

2.5 其他耗風設備模型

(1)撒沙控制系統模型在輪軌黏著較差時，軌道車輛將在軌面和車輪之間適當撒沙，以提高輪軌之間的黏著性能。為了正常撒沙，在車輛運行過程中一直用壓縮空氣烘干沙箱內的沙子，而得到撒沙指令時，撒沙控制系統將用壓縮空氣吹出沙子。因此撒沙控制系統的耗風量QSR由沙子烘干期間的耗風量和撒沙時刻的耗風量組成。

(6)

式中，NS為每列車的撒沙裝置數量；QS為每個撒沙裝置的耗風量；tSR為持續撒沙時間；jS為車輛運行過程中撒沙次數；ND為烘干器數量；QD為烘干耗風量。

(2)廁所控制系統模型

按下沖廁所按鈕時，控制系統將排出儲存在廁所風缸內的壓縮空氣，以達到沖廁所的目的。在車輛的運行過程中，沖廁所耗風量QTC為：

(7)

式中，NTC為每列車的廁所數量；VTC為每個廁所風缸容積；PTC為沖廁所壓力；jTC為車輛運行過程中沖廁所次數。

(3)升弓控制系統模型

升弓時，控制系統向升弓作動器內充入壓縮空氣，使之推動受電弓升起。降弓時，將排空升弓作動器內的壓縮空氣，因此產生壓縮空氣的消耗。升弓控制系統的耗風量QEF為：

(8)

式中，NEF為每列車的受電弓數量；VEF為每個升弓作動器容積；PEF為升弓壓力；jEF為車輛運行過程中升降弓次數。

3 關鍵部件的數學模型校核

仿真分析中采用的供風系統排量、風缸容積、空氣彈簧壓力等靜態參數都是理論設計值，因此需要通過車輛運行過程中的試驗數據進行驗證和校核。

表1是已投入運營的其他軌道車輛基本配置參數。為了提高仿真分析的準確性，通過已投入運營的其他軌道車輛型式試驗數據和運行數據，對關鍵部件的數據模型參數進行了校核。

表1 基本配置參數

3.1 供風及空氣懸掛系統模型校核

(1)靜態仿真驗證

供風系統和空氣懸掛系統取表1的基本參數時，基于式(1)、式(2)計算了同時啟動兩臺主輔供風系統后總風壓力從0上升至800 kPa，空氣彈簧壓力從0上升至最小值的時間，并與型式試驗結果進行了對比。表2是靜態初充風時間的仿真結果和試驗結果對照表。

由表2可知，仿真結果與試驗結果的誤差只有0.6%，表明供風系統模型和空氣懸掛系統模型及相關參數可信。

表2 靜態初充風時間 min

(2)動態仿真驗證

軌道車輛運行過程中，各種耗風設備將投入工作，而且根據總風壓力的變化啟動主輔供風系統。圖3是在23個站間運行過程中，車輛的供風系統工作狀態及各壓力變化數據。

由圖3可知，由于每站的乘客變化不同，每站的空氣彈簧壓力變化也不同，而且80.7 min的運行及停站時間內，主供風系統和輔供風系統的啟動時間分別為39.16 min和5.82 min。表3是23個站內空氣彈簧壓力變化率和主輔供風系統的工作率統計結果。

圖3 車輛運行過程中供風系統工作狀態及壓力變化曲線

表3 空氣彈簧壓力變化率及供風系統工作率統計結果

根據表3統計結果，主供風系統工作率和耗風設備耗風量計算結果如表4所示，可見計算結果與實際運營統計數據基本一致。

表4 耗風量及供風系統工作率仿真結果

3.2 制動系統及風缸模型驗證

當總風缸和制動風缸內壓力達到750 kPa時，連續施加/緩解最大常用制動后，并記錄風缸內壓力下降至600 kPa時施加/緩解最大常用制動的次數。圖4是根據式(4)計算的結果和實測值的對比曲線，實測和仿真結果基本一致。在超員工況下，可連續施加/緩解最大常用制動8次,而且每施加一次最大常用制動，總風壓力16.8 kPa。

圖4 連續施加最大常用制動次數與總風壓力變化曲線

3.3 高度閥模型參數校核

高度閥入口充入700 kPa壓縮空氣，使高度閥分別處于快充和慢充階段，并用流量計測試高度閥的流量。當高度閥模型分別取表5中的參數時，高度閥流量試驗結果和仿真結果(如圖5)基本一致，所采用的高度閥參數能真實反映高度閥實際特性。

表5 高度閥參數

4 供風及耗風設備匹配研究

4.1 供風系統排量的影響

(1)供風系統排量對動態耗風的影響

供風系統的動態工作率和“復興號”動車組的初充風時間是相互矛盾，又非常重要的設計指標。通過供風系統的排量對工作率和初充風時間的影響分析，可求解使這兩種指標達到最優值的供風系統排量。圖6是選擇不同排量的供風系統時，供風系統的動態工作率和初充風時間的仿真分析結果。

由圖可知，供風系統排量由700 dm3/min增加為900 dm3/min 時，動態工作率和初充風時間分別降低了28.5%和29.5%，供風系統排量由1 300 dm3/min增加至1 500 dm3/min時，動態工作率和初充風時間分別降低了15%和15.8%。可見，小排量供風系統對動態工作率和初充風時間的影響遠大于大排量供風系統，而且供風系統的排量對初充風時間的影響大于動態工作率。

圖5 高度閥流量試驗及仿真結果

圖6 供風系統排量對動態耗風的影響

(2)供風系統排量對靜態耗風的影響

空氣彈簧壓力是制動系統獲取車重的唯一信號源，也是制動力分配的重要依據。上車的乘客劇增時，如果空氣彈簧壓力不能及時上升至跟乘客質量對應的壓力，就會帶來制動力分配錯誤，可能導致嚴重的行車安全問題。

圖7是不同排量供風系統對空氣彈簧壓力上升速度的影響分析結果(藍色系為總風壓力曲線，其余為空氣彈簧壓力曲線，圖8、圖9同)。由圖可知，48 s內空氣彈簧壓力由最小值450 kPa上升至512 kPa，同時總風壓力由800 kPa下降至600 kPa。雖然主輔供風系統都已啟動，但是空氣彈簧壓力的上升比較緩慢。仿真分析結果，空氣彈簧壓力由最小值上升至最大值650 kPa過程中，供風系統排量每增加200 dm3/min，空氣彈簧壓力上升時間縮短約9.5%，供風系統的排量對靜態耗風有一定的影響。

圖7 供風系統排量對靜態耗風的影響

4.2 儲風缸容積的影響

(1)儲風缸對動態耗風的影響

供風系統的排量外，儲風缸容積也是“復興號”動車組的主要設計參數之一。車輛配置不同容積的總風缸、制動風缸和附加氣室時，供風系統的工作率和初充風時間的仿真結果如表6所示。

表6中，總風缸或制動風缸的容積每增加250 dm3時，供風系統的工作率和初充風時間的最大變化量分別為0.8%和4.4%。相比之下，附加氣室容積對供風系統工作率的影響稍微明顯一些，但是最大變化量也只有1.5%和2.8%，可見儲風缸容積對動態耗風的影響非常很小。

表6 儲風缸容積對動態耗風的影響

(2)儲風缸對靜態耗風的影響

上車的乘客劇增時，不同容積的總風缸對空氣彈簧上升時間的仿真結果如圖8所示。總風缸容積每增加250 dm3時，總風時間下降至600 kPa的時間延長5 s左右，但是空氣彈簧壓力由最小值上升至最大值650 kPa過程中，空氣彈簧壓力上升時間最多可縮短19%，對靜態耗風的影響很明顯。

圖8 總風缸容積對靜態耗風的影響

圖9是附加氣室容積的變化量與空氣彈簧上升時間的仿真結果。當“復興號”動車組的附加氣室總容積小于3 270 dm3時，附加氣室的容積每減小250 dm3，空氣彈簧壓力的上升時間最多縮短3.7%，但是與3 520 dm3的附加氣室容積相比，空氣彈簧壓力的上升時間縮短44%，其影響非常明顯。

圖9 附加氣室容積對靜態耗風的影響

4.3 動態耗風設備的影響

“復興號”動車組運行過程中，有很多耗風設備在用風，但是總耗風量中各耗風設備的用風量占比各不同(如表7)。仿真結果表明，“復興號”動車組中，廁所耗風量和漏泄產生的耗風量所占比例最大，各占20.8%，其次為撒沙系統耗風量和空氣彈簧靜態/動態耗風量，分別占18.8%和13.8%。常用制動、受電弓、車門和其他耗風設備的占比較小。

表7 總耗風量中各耗風設備用風量占比

圖10 動態耗風設備使用頻次的影響

圖10是“復興號”動車組運行過程中，耗風設備的使用頻次對供風系統工作率的影響分析結果。由于動車組的運營環境千差萬別，不同時間、不同線路上的耗風設備使用頻次也各不相同。

由圖可知，空氣彈簧動態耗風頻次和廁所使用頻次對工作率的影響比較明顯，耗風設備的使用頻次每增加2次，供風系統的工作率最多能上升7.5%。制動施加/緩解次數的影響不明顯，但是也能使供風系統的工作率上升2.6%。相比之下，撒沙系統和踏面清掃器的使用頻次對工作率的影響非常小。

5 結 論

通過其他軌道車輛的試驗數據，驗證了供風系統和耗風設備的數學模型準確性，校核了仿真模型關鍵參數。供風系統和耗風設備的匹配研究結果表明：

(1)供風系統排量為1 100～1 300 dm3/min時，排量對供風系統動態工作率和初充風時間的敏感度比較適中，既能充分發揮供風系統的能力，又能滿足初充風時間的要求和靜態耗風急劇變化時的供風需求。

(2)總風缸、制動風缸和附件氣室容積對供風系統動態工作率和初充風時間的影響很小，但是總風缸和附加氣室容積對空氣彈簧壓力上升時間的影響較大，因此總風缸容積應大于1 500 dm3，附加氣室容積應小于3 270 dm3，制動風缸容積可根據車輛的安裝空間而定。

(3)“復興號”動車組運行過程中，空氣懸掛系統、廁所、車輛管路等漏泄的耗風量占總耗風量的68%左右，而漏泄耗風量占20.8%，因此應提高車輛管路和各部件的氣密性，盡量降低漏泄帶來的能耗。