地鐵車輛制動系統空氣彈簧壓力急升引起的總風欠壓問題仿真分析*

肖利君

(長沙市軌道交通集團有限公司，410011，長沙 ∥ 高級工程師)

從地鐵的實際運行情況來看，隨著列車使用年限增加，其重要的部件——空氣壓縮機存在的問題也逐步增多，如產生空壓機不打風、打風不止、打風異響和總風欠壓等故障，其中總風欠壓為主要故障[1]。總風欠壓是指地鐵車輛在停站上客時,客流量過大導致空氣彈簧耗風劇烈，進而引起總風管內風壓下降過度，從而觸發總風欠壓開關(MRP),最后導致車輛為導向安全而自動施加緊急制動。車輛緊急制動施加后, 總風壓力需要達到規定的設定值后才能緩解緊急制動。由于地鐵列車的制動系統存在總風欠壓，而會造成地鐵列車晚點等問題，所以對地鐵車輛制動系統空氣彈簧壓力急升造成的總風欠壓問題的研究變得極為重要。

1 空氣彈簧原理

一般的列車制動系統空氣供給設備如圖1所示。它由空氣壓縮機(以下簡為“空壓機”)、干燥器、總風缸、制動風缸和空氣彈簧，以及貫穿整車的總風管等部件組成。本文研究的重點為空壓機至空氣彈簧部分。

圖1 地鐵列車制動系統的供風設備結構組成圖

某A型地鐵列車車輛編組形式為Tc(帶司機空的拖車)-Mp(帶受電弓的拖車)-M(動車)-M-Mp-Tc，有空壓機共2臺，按單雙日原則分別為主風源和副風源。正常情況下，初充風時2臺空壓機可以順序啟動，風壓達到900 kPa時停止；總風壓降到低于750 kPa時，主空壓機工作，到900 kPa時停止；總風壓降到低于700 kPa時，主、輔2個空壓機同時工作，到900 kPa時停止[2]。

每輛車均配置1臺總風缸、1臺空氣彈簧儲風缸、2個差壓閥、4個高度閥、4個空氣彈簧附加氣室、4個空氣彈簧及相關的管路[3]。地鐵車輛的二系懸掛由2個轉向架上的4個空氣彈簧組成。不同轉向架上的2個空氣彈簧經過差壓閥連接在一起，因此可將同一轉向架上的2個空氣彈簧及其他部件作為1個空氣彈簧來研究?？諝鈴椈傻慕M成如圖2所示。

圖2 空氣彈簧的組成及其在制動系統中的位置

由圖2可以看出，車輛兩側的空氣彈簧的附加氣室由差壓閥連接。當兩側空氣彈簧的壓差超出一定范圍后，差壓閥自動打開，兩個空氣彈簧的附加氣室連通，氣體從高壓側流向低壓側。高度控制閥的作用是，當車體的高度低于預定值時，高度控制閥使風源向空氣彈簧充氣，進而使車體維持在一定高度范圍內。

2 建模

采用AMEsim軟件分別對載荷、風源、空氣彈簧及整個空氣彈簧供風設備進行建模。

2.1 載荷計算

經調研可知，地鐵列車處于AW0(空載)和AW3(超常載)工況時，其車輛的簧上質量見表1。

表1 AW0和AW3工況下車輛的簧上質量

因此，可以根據車體的自身質量和空氣彈簧的氣壓曲線，得到AW0和AW3工況下的空氣彈簧的氣壓(見表2)。

表2 AW0和AW3工況下空氣彈簧的氣壓

考慮極限情況，地鐵列車由AW0工況經15 s上客變為AW3工況，其空氣彈簧所需的氣壓曲線如圖3所示。

圖3 由AW0工況變為AW3工況時空氣彈簧所需的氣壓曲線

2.2 風源設備建模

風源設備主要包括空壓機、風源控制器和電動機等，如圖4所示。本文利用AMEsim軟件自帶的空壓機模型、電動機模型和控制模塊對風源設備進行建模。

圖4 風源設備模型

2.3 空氣彈簧建模

空氣彈簧及其附加氣室的模型結構比較復雜。若計算的模型很大，則詳細的模型會使其方程異常復雜，這會導致出現較多間斷點。而間斷點的出現會導致模型計算困難甚至無法計算，所以本文對空氣彈簧的建模采用基于數學關系的方法，如圖5所示。

圖5 空氣彈簧模型

該空氣彈簧模型充分考慮了因載荷變化導致的空氣彈簧容積變化以及充放氣過程中的熱力學變化，相比常用的固定容積風缸模型，更能反應其動態變化。

2.4 其他部件建模

氣體特性、風缸、止回閥、差壓閥和管路等模型可直接采用AMEsim軟件自帶的功能模型。這種集中參數的建模過程賦值簡單且建模方便。

2.5 空氣彈簧供風設備建模

將風源模型、空氣彈簧模型、高度閥模型和其他部件模型的氣路原理圖進行整合,構成某A型地鐵列車空氣彈簧供風設備的模型(見圖6)。

圖6 空氣彈簧供風設備模型

3 不同參數組合下的仿真分析

根據各部件的具體參數對各模型進行詳細定義，取供風設備的總風欠壓開關斷開值PMRP=550 kPa。當供風設備總風壓低于550 kPa時，列車施加緊急制動，并等總風壓恢復到總風壓開關恢復值后才能緩解緊急制動。考慮極限情況，停站時列車載荷由初始的AW0工況經過15 s上客變為AW3工況。對表3所示的3組參數組合進行仿真分析，求出不同參數組合下總風壓與空氣彈簧氣壓隨著載荷改變的變化情況。

表3 3組參數組合

3.1 組合1仿真結果

如圖7所示,地鐵列車在35 s時乘客上車，由AW0工況迅速達到AW3工況。客流量過大導致空氣彈簧耗風劇烈，此時總風缸迅速向空氣彈簧充風，總風壓急降，由750 kPa降至542 kPa(低于PMRP)，則此時對列車施加緊急制動，待總風壓達到規定值時，才能緩解制動。

圖7 組合1仿真結果

3.2 組合2仿真結果

組合2模擬列車在進入地鐵站之前，提前打開空壓機對總風缸進行充風并充風至900 kPa。計算結果如圖8所示。由圖8可以看到，在該組合下，列車可以有效避免由于載荷突增所導致總風壓力低于PMRP的問題，并且能在載荷突增后的250 s內，將總風升至900 kPa。

圖8 組合2仿真結果

3.3 組合3仿真結果

組合3模擬的是，保持總風缸和空氣彈簧出風缸750 kPa的氣壓不變，將總風缸和空氣彈簧出風缸的容積都改為125 L。經計算可知，該組合3與組合2類似，均可避免由于地鐵列車載荷突增導致的總風壓低于PMRP的問題，且總風壓最小值大于組合2，具有更高的閾值。但由于總風缸和空氣彈簧儲風缸容積的增加，總風壓達到穩定值的時間也對應增加，造成了一定的時間延緩。計算結果如圖9所示。

圖9 組合3仿真結果

3.4 結果分析

1) 由組合1可知，若不考慮PMRP值的限定，并且考慮極限情況(AW0經15 s變為AW3)，則總風壓恢復到正常情況需要約260 s。

2) 由組合2可知，若在進站之前，提前對總風缸進行打氣，可以避免總風壓低于PMRP，且可以縮短總風壓恢復到穩定值的時間。

3) 由組合3可知，若將總風缸和空氣彈簧儲風缸的容積增大，也可以避免總風壓低于PMRP的問題，且性能優于組合2，不過會增加總風壓恢復到穩定值的時間。

4 結論

1) 該模型在考慮最壞載荷變化的情況下，會導致總風欠壓，從而造成緊急制動，且需要等到總風壓恢復至規定值時才能緩解緊急制動。

2) 采用在列車進站前提前打風的方案，可以避免總風壓低于PMRP且可以縮短總風壓恢復到規定值的時間，但是對于避免總風欠壓問題的效果不明顯。

3) 采用增大總風缸和空氣彈簧儲風缸容積的方案，可以避免總風壓低于PMRP，且對于避免總風欠壓問題的效果明顯，但增加了總風壓恢復到規定值的時間。