制動管路參數對地鐵列車制動性能的影響研究

鐘正，倪文波

制動管路參數對地鐵列車制動性能的影響研究

鐘正，倪文波

（西南交通大學 機械工程學院，四川 成都 610031)

地鐵列車制動系統是關系列車安全的重要單元。列車制動系統不僅受制動控制裝置、制動執行機構性能的影響，制動控制裝置與基礎制動裝置間的管路對系統性能同樣具有重要影響。制動管路由于受到車體下方車載設備布置位置的影響不可避免存在彎折。基于地鐵車輛制動管路布置的特點，對管路接頭、管徑、長度等參數的影響展開分析，以獲取較為優化的管路參數。仿真基于AMESim環境進行。仿真結果表明制動管路參數對地鐵列車制動性能有重要影響。篩選最優制動管路內徑尺寸范圍為11～13 mm，在此范圍內進一步選型實現制動管減重24.2%和制動空氣消耗量減少4.9%。研究工作除保證滿足制動系統性能外，還有利于減輕系統重量、減小空氣消耗量，充分體現軌道交通綠色環保的特點。

列車制動；制動管路參數；制動系統性能；仿真

制動系統是地鐵列車重要單元，其制動性能直接影響列車運行安全。目前地鐵列車制動系統廣泛采用電空制動系統，主要分為車控和架控兩種方式，車控制動系統的制動控制裝置兼顧兩端的轉向架而靠近車體中心位置，導致制動管路更長、響應速度慢；架控的制動控制以轉向架為單位，每個轉向架都有相應的制動控制裝置進行單獨控制，響應速度更快、控制精度更高。但由于列車車體下方車載設備布置的影響，制動管路不可避免會存在彎折情況、而非直線連接。因此空氣制動系統性能不僅受制動控制裝置、制動缸行程等影響，還受到制動管路參數的影響。在制動管路布置確定的基礎上，管路尺寸選型會影響制動響應時間，適宜的管路尺寸更能夠減輕管重量、減少制動空氣消耗量，并對提高制動系統性能、節約能源具有重要意義。

制動管路尺寸對制動性能的影響在汽車行業研究較多，并且多針對液壓系統進行研究。文獻[1]對某大客車制動管路進行布置并對制動性能進行分析，通過修正制動力分配系數等參數使得制動性能滿足安全要求。楊慧鋼[2]分析了制動管材料和管徑對整車制動系統的影響，并且針對不同種類、內徑的管路進行流量試驗，證明理論分析的正確性；魏偉等[3]通過建立重載列車制動管路數學模型，計算分析了列車主管和支管長度對制動系統性能的影響。張哲等[4]基于AMESim平臺對車輛制動系統建模，量化了制動管路尺寸對制動性能的影響，篩選出最優制動管路尺寸區間。以上文獻針對制動管路布置、尺寸、長度對制動系統性能的影響做了相關研究。

我國軌道車輛制動系統設計時，一般以響應時間、制動減速度作為主要性能指標[5]，對于管路尺寸的選型，采用參考同等類型車輛的設計方法來選取管徑，尚無管徑選取分析的文獻。本文將針對某型架控地鐵車輛展開研究。在制動控制閥、制動缸等其他制動元件保持一定的情況下，根據制動管路的布置確定管接頭數量和制動管長度，在此基礎上搭建制動系統模型，并在不同管路尺寸下進行緊急制動和常用制動仿真，而后根據制動響應時間、通過曲線擬合的方法篩選出最優制動管路尺寸范圍，進一步在此尺寸范圍內選型，最終實現提高制動系統性能、減輕系統重量、減小空氣消耗量。

1 制動管路布置及選型

1.1 制動管路布置介紹

制動管路布置參考文獻[6]中某型國產化架控制動系統的組裝設計三維圖。由于本文僅研究制動管路即制動控制裝置與基礎制動裝置之間的管路，因此根據架控制動系統組裝設計三維圖得到1位轉向架制動管路布置的示意圖，如圖1所示，根據此示意圖得到1位轉向架1軸和2軸的管路長度、管接頭數目，如表1所示。2位轉向架的元件參數按照對稱處理。

圖1 架控制動系統1位轉向架制動管路布置示意圖

表1 1位轉向架制動管路元件數量/長度

1.2 制動管路選型

目前地鐵列車的制動管路多采用精密不銹鋼無縫鋼管。制動管路常用規格選擇參考GB/T 34107－2017《軌道交通車輛制動系統用精密不銹鋼無縫鋼管》[7]，如表2所示。標準地鐵列車制動管路采用的管路規格為18×1.5。

表2 精密不銹鋼無縫鋼管尺寸參數

2 制動系統模型搭建

本文利用AMESim平臺搭建制動系統模型，由于研究對象為制動管路包括管接頭，元件子模型的選擇和參數設置是關鍵部分，其會影響仿真結果。

2.1 管路及管接頭模型

（1）制動管路模型

制動管路是本文研究的主要對象，其參數設置影響制動系統性能，使用前須對制動管路進行參數設置。子模型的管路參數設置需包含管路的壓力、溫度、內徑、長度、內表面相對粗糙度。相對粗糙度等于絕對粗糙度/管內徑，目前地鐵列車的制動管路多采用精密不銹鋼無縫鋼管，取其絕對粗糙度Ra3.2[7]。

（2）彎管接頭模型

彎管接頭子模型允許評估通過彎道的壓降和通過彎道的能量交換，能夠模擬氣體通過彎管的局部阻力損失和沿程阻力損失。如圖2（a）所示，通過提供彎曲截面的直徑0、圓心角和曲率半徑，計算壓力損失系數來評估通過彎道的壓降。對于彎管接頭的內徑參數設置應和與其直接連接的制動管路模型內徑保持一致。

圖2 AMESim彎管接頭模型

（3）三通管接頭

三通管接頭是一個具有壓降系數的T形接頭。這些系數是支管流量與主管流量之比的函數，也依賴于接頭的幾何形狀，即圖3（a）中的值，本文中取＝90°，對于三通管接頭的內徑參數設置應和與其直接連接的制動管路模型內徑保持一致，內徑參數包括主管內徑1和支管內徑2、3。本文的三通管接頭壓降系數參照文獻[8]中T形接頭通用模型。

圖3 AMESim三通管接頭模型

2.2 制動系統模型建立

制動系統利用EP2002制動裝置完成制動時的氣動壓力控制，EP2002主要包括空重車限壓閥、初調中繼閥、二次調壓閥、EP閥、遠程緩解裝置等，制動系統原理圖如圖4（a）所示[9]。根據原理圖搭建制動系統仿真模型，如圖4（b）所示。制動管路、管接頭連接根據圖1和表1進行搭建；車體利用質量塊代替仿真；將系統中制動管路內徑參數依次設置為表2所示數值，分別進行緊急制動和常用制動下的系統仿真。此模型可以直觀地模擬出制動管路尺寸對制動系統響應時間的影響。

圖4 制動系統原理圖及仿真模型

3 制動系統模型仿真及優化

基于圖4（b）的制動系統仿真模型進行地鐵車輛在緊急制動與常用制動下的系統仿真，并分析仿真結果，在此基礎上進行最優管路尺寸范圍選擇并分析其對系統重量和空氣消耗量的影響。

3.1 制動管路參數對制動性能的影響

列車在0.5 s時進行緊急制動，不同尺寸制動管路的制動減速度仿真結果如圖5所示，經過對比發現：緊急制動響應時間與制動管路尺寸有直接關系，制動管路尺寸直接影響制動系統性能。列車實施緊急制動時，根據《中國城市軌道交通協會團體標準》[5]的要求：緊急制動的響應時間不應超過1.6 s，響應時間指從制動指令發出開始，至列車達到目標減速度值的90%的時間，即不僅包括氣路系統壓力上升時間，還包括制動指令傳輸時間。從圖5中獲取數據并計算緊急制動響應時間，制動指令傳輸延遲時間按照50 ms計算[10]，緊急制動響應時間如表3所示。從表3中看出，制動管路內徑為4 mm、5.6 mm時的緊急制動響應時間超出標準要求1.6 s，應當舍棄。

圖5 不同尺寸制動管路的緊急制動減速度曲線圖

階躍信號作為制動預控制壓力信號進行列車在常用制動時的仿真，如圖6（a）所示。仿真設定制動缸的目標制動壓力為250 kPa。由于管路內徑4 mm、5.6 mm的緊急制動響應時間已超出標準要求，因此在常用制動仿真中不再考慮這兩種規格的管路。不同尺寸制動管路制動壓力變化的仿真結果如圖6（b）所示，從圖中可以看出在管路內徑為6 mm、7 mm、7.6 mm時，制動缸壓力上升速度慢并出現較為明顯的波動，這是由于管路內徑小引起管路動態響應時間變長，存在滯后效應。采集仿真結果中制動缸壓力達到90%最大制動壓力的時間，如表4所示。

表3 緊急制動響應時間表

圖6 常用制動壓力信號和壓力曲線圖

表4 常用制動響應時間表

圖7 緊急制動、常用制動響應時間擬合曲線

3.2 制動管路尺寸優化

將表3和表4中緊急制動響應時間、常用制動響應時間數據分別進行擬合，擬合結果如圖7所示。對比擬合結果，兼顧緊急制動響應時間和常用制動響應時間，得到最優制動管路內徑尺寸范圍11～13 mm。此范圍優先考慮緊急制動響應時間，其次是常用制動響應時間。

在最優制動管路內徑尺寸范圍選型的基礎上，繼續考慮減輕制動管重量和減少制動空氣消耗量。鋼管的每米理論重量計算公式[7]為：

在最優制動管路內徑尺寸范圍11～13 mm內，其制動響應時間相近，利用上述公式計算鋼管理論重量，在不考慮管接頭時的計算結果表明選用管路規格14×1.5相較于18×1.5單車管重量減少2.04 kg、減少百分比24.2%；同時，仿真結果表明，選用管路規格14×1.5相較于18×1.5單車制動空氣消耗量（以緊急制動為例）減少4.56 L、減少百分比4.9%。因此，制動響應時間相近時，選取適宜的管路規格能夠減輕管重量、減少制動空氣消耗量，優化了制動系統性能。

4 結論

在AMESim平臺搭建地鐵列車制動系統仿真模型，并在不同管路內徑下進行緊急制動和常用制動仿真，對制動響應時間進行曲線擬合，篩選出最優制動管路尺寸范圍；并提出在制動響應時間相近的情況下從制動管輕量化的角度進行選型，最終實現制動管減重24.2%和制動空氣消耗量減少4.9%。制動管路選型是地鐵列車制動系統設計過程中的重要環節，合適的管路尺寸能夠降低制動系統響應時間、減少管路重量和空氣消耗量，優化制動系統性能。

[1]王仁亮，黃虎，劉新田，等. 大客車制動管路布置與制動性能分析[J]. 上海工程技術大學學報，2008，22（4）：347-350.

[2]楊慧鋼. 制動管路對整車制動系統的影響[J]. 汽車科技，2009（6）：68-71.

[3]魏偉，杜念博. 重載列車制動管路對制動性能的影響[J]. 交通運輸工程學報，2011，11（5）：49-54.

[4]張哲，陳玉忠，董紅磊，等. 制動管路尺寸對制動系統性能影響的研究[J]. 機械設計與制造，2018（1）：188-191.

[5]中國城市軌道交通協會. 城市軌道交通車輛制動技術第1部分電空制動系統通用技術規范：T/CAMET 04004.1－2018[S]. 2019.

[6]程暢棟，任得鵬，段繼超. 地鐵車輛國產化架控制動系統的應用[J]. 技術與市場，2011，18（7）：22-23，25.

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[10]王月明. 城市軌道交通列車制動[M]. 北京：科學出版社，2014.

Influence of Brake Pipe Parameters on Metro Train Braking Performance

ZHONG Zheng，NI Wenbo

( School of Mechanical Engineering,Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China )

The brake system of metro train is an important unit related to train safety. The train brake system is not only affected by the performance of the brake control device and the brake actuator, but also the brake pipe between the brake control device and the foundation brake device. The brake pipe is inevitably bent due to the influence of the placement of on-board equipment under the vehicle body. Based on the characteristics of vehicle brake pipe layout, this paper analyzed the influence of pipe joint, pipe diameter, length and other parameters, so as to obtain optimized pipe parameters. The simulation was based on AMESim. The results show that the brake pipe parameters have an important effect on the braking performance of metro train. The size of the optimal brake pipe diameter ranges from 11 mm to 13 mm, and the further selection within this range can reduce the weight of brake pipe by 24.2% and the brake air consumption by 4.9%. In addition to ensuring the performance of the brake system, the research is also conducive to reducing the weight of the system and air consumption, fully reflecting the green characteristics of rail transit.

train brake；brake pipe parameters；brake system performance；simulation

U270.35

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2023.09.007

1006-0316 (2023) 09-0047-06

2023-02-06

鐘正（1998－），女，江蘇徐州人，碩士研究生，主要研究方向為軌道車輛制動技術，E-mail：zqlbywww@163.com；倪文波（1969－），男，云南建水人，博士，教授，主要研究方向為機車車輛主動控制、列車制動技術及機電液一體化技術。