基于AMESim的動車組中繼閥動態仿真分析*

曹楚君，黃樂艷，望 超

（湖南高速鐵路職業技術學院，湖南衡陽 421002）

0 引言

十幾年來，中國持續開展高鐵技術創新，動車組技術日新月異，不管是在動車組運營速度上，還是在動車組的數量上，均取得了飛速發展。據統計，截止2021 年底，我國動車組數量超4 000個標準編組。我國已成為高鐵運營規模大、運營場景豐富的國家[1-2]。制動系統作為動車組核心關鍵系統之一，其性能決定車輛的運行安全。國內鐵道機車車輛相關研究科研院所、實驗室、制造企業研究學者們不斷借助試驗分析和動態仿真等方法對動車組制動系統及其元件進行研究，優化制動系統元件結構，提高制動系統性能，減少制動系統故障率[3-9]。

中繼閥是制動系統的關鍵元件，它利用電空轉換閥、緊急制動閥等元件產生的先導預控壓力CV，進行放大流量，并按一定比例生成制動缸壓力。中繼閥在制動系統中的作用能夠直接影響動車組制動性能。

為了研究中繼閥的作用原理，優化中繼閥的結構和性能，提高中繼閥的可靠性，減少動車組制動系統故障。本文在查閱大量文獻的基礎上，利用復興號動車組空氣制動系統元件實際結構與性能數據[10]，以復興號動車組空氣制動系統和中繼閥的技術參數和性能為基礎數據，運用AEMSim 軟件對中繼閥進行建模，并就中繼閥模型多項關鍵特征值進行動態仿真，將仿真結果與標準值和計算值對比，最終獲得中繼閥準確的AMESim 模型。為進一步研究中繼閥的結構和搭建完整的動車組制動系統仿真模型提供研究基礎。

1 工作原理

復興號動車組制動系統的中繼閥為兩段壓力控制中繼閥，可在列車不同運行速度下輸出2 種控制壓力。低速、良好黏著運行條件下輸出高制動力；高速、低黏著運行條件下，輸出低制動力，從而防止高速列車車輪滑行[11]。

復興號動車組制動系統所用中繼閥原理如圖1 所示，中繼閥通常水平安裝，圖示位置為中繼閥常態位。該中繼閥由主閥與轉換閥兩部分組成，主閥由閥體、閥芯、供氣閥桿、膜板活塞、復位彈簧等組成，其中，供氣閥桿與膜板活塞h、膜板活塞b、膜板活塞a 固定連接。轉換閥相當于一個彈簧偏置的三通比例閥，由轉換閥閥體、閥芯、復位彈簧等組成。

圖1 中繼閥原理

該中繼閥可以給制動缸充氣、排氣，實現動車組在運行時制動、保壓、自動補風與緩解等功能。

制動時，中繼閥接收先導預控壓力PCV，該壓力同時進入膜板活塞h 左側的容腔B3 及膜板活塞b 右側的容腔B4 中，膜板活塞h 面積Sh大于膜板活塞b 面積Sb，先導壓力PCV推動供氣閥桿及膜板活塞向右運動。當供氣閥桿位移為Z= 3 mm 時，供氣閥桿右端面會貼合在閥芯左端面，進一步推動閥芯克服復位彈簧力離開閥座，閥口打開，壓縮空氣從供風口R向C口（通制動缸）供氣，C口壓力不斷上升，實現制動作用。

C 口壓力經閥體內部通道進入膜板活塞h 右側容腔B2室，以及經轉換閥進入膜板活塞a左側容腔B5室，分別給供氣閥桿產生向左、向右的作用力，因Sh＞Sa，作用力合力向左，隨著C 口壓力不斷升高，向左的作用力不斷增大，當C口壓力與先導預控壓力PCV接近相等時，閥芯在復位彈簧的作用下推動供氣閥桿、膜板活塞同步向左運動，直到閥口關閉，此時，C 口壓力等于先導預控壓力PCV并保持不變，實現保壓作用。

當先導預控壓力PCV增大或者C口壓力因泄漏下降時，膜板活塞h 右側的作用力減小，閥口會重新開啟，給C口充氣，直到再次達到平衡位置，實現了自動補風功能。

當先導預控壓力PCV下降或為0 時，膜板活塞h 右側的作用力大于先導預控壓力PCV，供氣閥桿會向左運動，供氣閥桿右端面與閥芯分離，C 口壓力經閥芯中部的通道，從排氣口O1排向大氣，實現緩解作用。

該中繼閥還具有制動力分級控制功能，通過轉換閥T口壓力來控制。在一定條件下，轉換閥T口會產生一定大小的壓縮空氣，推動轉換閥閥芯向左運動，逐步關閉C 口向膜板活塞a 左側容腔B5 室充氣通道，同時打開膜板活塞a 左側容腔B5 室與O3排氣口通道，膜板活塞a 左側容腔B5室壓力逐步下降，給供氣閥桿及膜板活塞提供向右的作用力也逐步減小。當下降為零時，膜板活塞a不給供氣閥桿及膜板活塞提供向右的作用力，在先導控制壓力PCV相同的情況下，從C口輸出的壓力將變小，此時，中繼閥處于低制動能力狀態。反之，中繼閥工作在高制動能力狀態。中繼閥膜板活塞b左側與膜板活塞a右側衡通大氣，不影響閥動作。

2 中繼閥動力學動態平衡方程

中繼閥在工作過程中存在運動的元件有膜板活塞與供氣閥桿、閥芯、轉換閥閥芯等。根據中繼閥結構原理，中繼閥可以簡化為噴嘴-擋板閥模型進行分析，同時，轉換閥對膜板活塞a 的控制方式可簡化為三通閥控差動氣缸模型。簡化后進行動力學分析，列動力學平衡方程。

2.1 閥芯動力學平衡方程

閥芯動力學平衡方程如下：

式中：Pa(t)為膜板活塞a 處B5 腔壓力，Pa，與轉換閥輸出壓力有關，Pa(t)=PT(t)ψ(xz)，ψ(xz)的具體數學表達式見文獻[7]；Sa為膜板活塞a 下表面作用面積，m2；S2為閥芯導桿上方作用面積，m2；S6為膜板活塞h 下表面作用面積，m2；Sh為膜板活塞h 上表面作用面積，m2；Sb為膜板活塞b 上表面作用面積，m2；Kf為閥芯復位彈簧剛度，N∕m；Kg為膜板活塞復位彈簧剛度，N∕m；x0為閥芯復位彈簧的初始壓縮量，m；x1為膜板活塞復位彈簧的初始壓縮量，m；x(t)為閥芯位移，m；Z為供氣閥與閥芯間隙，m；PCV(t)為先導控制口壓力，Pa；PC(t)為C 口輸出壓力，Pa；m1為閥芯質量，kg；m2為膜板活塞及供氣閥桿質量，kg；Fseat為氣體在閥口區域的作用力，N；B為運動件阻尼系數。

2.2 氣體在閥口區域的作用力

氣體在閥口區域的作用力Fseat計算模型如圖2所示。

圖2 閥口區域的作用力計算模型

由平端碰嘴-擋板閥擋板的力特性為式（2）[12]：

式中：為通過閥口的質量流量，kg∕s；V2為氣體流速，m∕s；Pr為沿閥口軸向任意截面壓力，Pa，取值區間[PC(t),PR(t)]；r為沿閥口軸向任意截面半徑，m，取值區間[

2.3 轉換閥閥芯的動力學方程

轉換閥閥芯的動力學方程如下：

式中：PT(t)為轉換閥T 口壓力，Pa；S7為轉換閥閥芯作用面積，m2；KZ為轉換閥復位彈簧剛度，N∕m；xz0為轉換閥彈簧的初始壓縮量，m；xz(t)為轉換閥閥芯位移，m；m3為轉換閥閥芯質量，kg。

3 建模基礎數據分析

要獲得準確的仿真模型，在中繼閥模型建模之前，需要確定復興號動車組制動系統相關基礎數據，如各級速度下的減速度、運行阻力、動車組載荷等數據，還需要明確制動力與制動缸壓力計算公式。

復興號動車組各級常用制動減速度如表1所示。

表1 各級常用制動減速度值m∕s2

復興號動車組運行阻力計算公式如式（4）所示。

式中：FW為一列8 編組復興號動車組運行阻力，kN；v為動車組運行速度，km∕h。

復興號動車組載荷值如表2所示。

表2 各車廂載荷值t

復興號動車組制動力計算公式如式（5）所示。

式中：F(i,j)B_AW_j為每車∕轉向架制動力，kN；M(i,j)AW_j為每車∕轉向架各工況下載荷，t；M(i,j)AW_0為每車∕轉向架空載況下載荷，t；j為載荷工況編號；Jz為慣量系數，拖車取0.045，動車取0.065；a為減速度。

復興號動車組制動缸壓力計算公式如式（6）所示。

式中：P(i,j)C_AW_j為制動缸壓力，kPa；DW為車輪直徑，mm，取新輪直徑920 mm；RF為摩擦半徑，mm，拖車取247 mm，動車取305 mm；NV_B為車輛∕轉向架數量，取8（車輛）或16（轉向架）；NV_B_C為每車∕轉向架上制動缸數量，每動車轉向架取4，每拖車轉向架取6；L0為夾鉗制動倍率，拖車取3.2，動車取2.05；η0為夾鉗機械效率，取0.95；ξ為摩擦因數，取0.32；LI為制動缸制動倍率，取1；ηI為制動缸機械效率，取0.98；FS1為制動缸復位彈簧力1，取1.5 kN；FS2為制動缸復位彈簧力2，取0；SC為制動缸作用面積，拖車取0.032 4 m2，動車取0.051 m2；

4 建立模型

在Siemens Simcenter Amesim 軟件中，建立中繼閥仿真模型如圖3所示。輸入控制器9產生動車組每輛車在不同工況、不同速度與不同制動級位下的制動缸壓力理論值，具體模型如圖4所示。

中繼閥仿真模型建模過程中，主要參數參數如表3所示。部分關鍵參數值取自于中繼閥與復興號動車組制動系統實際數據。

5 仿真分析

對中繼閥仿真模型進行輸入輸出特征、充排氣能力、制動力分級控制、滯后、輸出壓力-位移特征5項動態特征進行分析，驗證中繼閥仿真模型的正確性。

圖3 中繼閥仿真模型

圖4 輸入控制器模型

表3 中繼閥模型主要參數表

5.1 輸入輸出特征分析

在中繼閥仿真模型分別輸入動車組車輛在不同工況、不同速度、不同常用制動等級下的制動缸壓力理論曲線，得到制動缸的輸出壓力特征曲線。圖5 所示為在空載工況下，復興號動車組TC01 車1～7 級常用制動時，制動缸壓力的仿真值與理論值特征曲線。圖中，中繼閥響應階段仿真壓力存在一定滯后，與理論值相差較大，但制動缸壓力仿真值與理論值整體趨向一致。選取速度為30 km∕h時，TC01、MB05兩車在各種工況、各制動級位下，制動缸壓力仿真值與理論值進行數據對比，如表4所示。表中數據可以看出，仿真值與理論值最大偏差為12.8 kPa，符合標準±20 kPa要求。

圖5 在空載工況下，TC01車1～7級常用制動時，制動缸壓力仿真值與理論值特征曲線

表4 速度為200 km/h時制動缸壓力仿真值與理論值對比kPa

5.2 充排氣能力

在中繼閥的輸出口C 接18 L 容積，輸入口R 充800 kPa 壓縮空氣，控制口T 充0 kPa 壓縮空氣情況下，中繼閥充排風應滿足[13]：C口壓力由0上升到最大壓力的95%所需時間小于或等于2 s；C 口壓力由最大壓力下降到40 kPa 所需時間小于或等于3.5 s。本文選取最大壓力為450 kPa 進行仿真，仿真結果如圖6 所示。由圖可知，在1 s 內，中繼閥C 口壓力由0 上升到427.43 kPa，超過最大壓力的95%；在2 s 內，中繼閥壓力由450 kPa 下降到40.03 kPa。中繼閥的充排氣能力符合要求。

圖6 中繼閥充排氣能力曲線

圖7 制動力分級控制曲線

5.3 制動力分級控制分析

為了防止摩擦制動過熱和防止超過允許的最大摩擦因數，采用了制動力分級控制功能。根據不同的速度，車輛需施加不同的制動力，動車組通常在緊急制動UB運用制動力分級功能。

復興號動車組緊急制動UB 制動力分級控制方式為：當動車運行速度V＞250 km∕h、拖車運行速度V＞300 km∕h時，給中繼閥的T 口加載PT(t) ≥300 kPa 壓力，動車組處于低制動能力工況下，中繼閥輸出壓力PC(t)與先導預控壓力PCV(t)滿足式（7）比例要求：

當動車運行速度V＜250 km∕h、拖車運行速度V＜300 km∕h 時，中繼閥的T 口加載的壓力PT(t) ＜50 kPa 或為PT(t) = 0，動車組處于高制動能力工況下，PC(t)與PCV(t)滿足式（8）比例要求：

圖7所示為中繼閥制動力分級控制的仿真曲線，模擬控制口T 的壓力從0 kPa 逐級上升到350 kPa，再迅速下降到0 kPa 過程中，中繼閥輸出壓力PC(t)與先導預控壓力PCV(t)的比例關系，并在表5中進行了對比分析，在高、低制動工況時，輸出壓力與先導預控壓力的比例誤差都比較小，最大不超過3.14%，中繼閥仿真模型符合制動力分級控制要求。

表5 中繼閥先導預控壓力與輸出壓力對比

5.4 滯后分析

中繼閥的輸入輸出特征中，在同一輸入壓力下不同變化趨勢時，有不同的輸出壓力P，此種現象稱為滯后。中繼閥閥芯、供氣閥桿、膜板活塞等運動件與閥體、密封件之間的摩擦；閥芯、供氣閥桿復位彈簧的預緊力等都是引起滯后的因素[14]。滯后值ΔP為先導預控壓力PCV(t)下降與上升時，輸出壓力PC(t)值之差，中繼閥的仿真模型滯后曲線如圖8 所示。圖中可以看出滯后值ΔP超出30 kPa，在滯后標準值之內[15]，符合標準要求。

圖8 中繼閥滯后曲線

5.5 輸出壓力-位移特性分析

在中繼閥的輸出壓力PC(t)隨先導預控壓力PCV(t)變化過程中，閥芯與供氣閥桿的位移也隨著變化，圖9 所示為先導預控壓力PCV(t)、輸出壓力PC(t)、供氣閥桿位移Sg(t)、閥芯位移Sf(t)隨時間的變化曲線。圖中，在0～2 s 時先導預控壓力由0 kPa 上升到450 kPa，供氣閥桿在0.1 s迅速移動了3 mm，供氣閥桿與閥芯開始接觸，并在1.5 s 時推動閥芯移動了0.4 mm，并保持閥芯位置不變，持續向中繼閥C 口輸出壓縮空氣。此時，供氣閥桿與閥芯的位移分別為3.4 mm 與0.4 mm，兩者位移的差值為供氣閥桿頂端間隙Z值。在2 s 先導預控壓力達到最大值450 kPa 時，由于存在滯后，輸出壓力只上升到了401 kPa。在2.3 s 時，輸出壓力上升到了438 kPa，輸入與輸出壓力關系滿足±20 kPa 要求。在2～4 s 時。先導預控壓力保持450 kPa 不變，在閥口作用力Fseat、膜板活塞及復位彈簧的共同作用下，供氣閥桿與閥芯的位移同步下降。在2.3 s時，供氣閥桿位移下降到3 mm，閥芯位移下降到0 mm，閥芯落到閥座上，閥口關閉，切斷供風口R 向C 口供氣通道。此時，輸出壓力上維持438 kPa 不變。供氣閥桿與閥芯位移的差值仍然為供氣閥桿頂端間隙Z值。在5～7.5 s 時。先導預控壓力由450 kPa 下降到0 kPa，在膜板活塞及復位彈簧的作用下，供氣閥桿位移進一步下降，供氣閥桿頂端面脫離閥芯底面形成間隙，中繼閥C 口壓力PC(t)通過間隙、閥芯中間的排氣口O1排向大氣。輸出壓力由438 kPa 成比例下降，并在7.5 s時下降到38 kPa，中繼閥排氣能力符合要求。

圖9 輸出壓力與位移特征曲線

在先導預控壓力PCV(t)變化過程中，輸出壓力PC(t)與供氣閥桿位移Sg(t)、閥芯位移Sf(t)的變化規律保持一致，并符合控制要求。

6 結束語

本文依據復興號動車組中繼閥結構和工作原理，建立了中繼閥的工作原理圖和中繼閥動力學動態平衡方程，搭建了AMESim 仿真模型，并對中繼閥多項關鍵特征進行了仿真分析。仿真結果表明：該中繼閥仿真模型在輸入輸出特征、充排氣能力、制動力分級控制、滯后、輸出壓力-位移特征等五項動態特征滿足復興號動車組制動系統中繼閥標準值和計算值，證明了中繼閥動力學動態平衡方程有效，中繼閥AMESim模型準確有效。

中繼閥是動車組制動系統中的關鍵元件，利用該模型，進一步搭建制動系統電空轉換閥、空重車調整閥、緊急電磁閥、防滑閥等仿真模型，進行制動系統總體性能仿真分析，為研究和優化動車組制動系統性能提供基礎。