金 哲

(1 中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 機(jī)車車輛研究所， 北京 100081；2 北京縱橫機(jī)電科技有限公司， 北京 100094)

“復(fù)興號”動車組是具有自主知識產(chǎn)權(quán)的中國標(biāo)準(zhǔn)動車組，在供風(fēng)系統(tǒng)和耗風(fēng)設(shè)備的配置方面跟其他軌道車輛有較大的差異。目前，國內(nèi)軌道車輛設(shè)計(jì)中嚴(yán)重缺乏供風(fēng)及耗風(fēng)設(shè)備的匹配研究，大部分憑經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)供風(fēng)系統(tǒng)和耗風(fēng)設(shè)備，因此軌道車輛投入運(yùn)營后，經(jīng)常出現(xiàn)供風(fēng)系統(tǒng)工作率過低，或者供風(fēng)能力不足而影響車輛運(yùn)營的問題。

在不同線路、不同運(yùn)營階段，軌道車輛的耗風(fēng)工況千差萬別。在車輛出庫前，如果總風(fēng)壓力不足，供風(fēng)系統(tǒng)必須快速給車輛充風(fēng)，以便車輛按時投入運(yùn)營，這就說明供風(fēng)系統(tǒng)的供風(fēng)能力越大越好，儲風(fēng)缸容積越小越好。在車輛運(yùn)行和停站中，車輛的耗風(fēng)量時大時小。如果耗風(fēng)量較大，需要供風(fēng)能力更大的供風(fēng)系統(tǒng)和更大容積的儲風(fēng)缸，如果耗風(fēng)量較小則反之。但是供風(fēng)系統(tǒng)、儲風(fēng)缸為額定設(shè)備，不能根據(jù)運(yùn)營中的耗風(fēng)量實(shí)時調(diào)整供風(fēng)能力和儲風(fēng)缸容積，因此在軌道車輛的設(shè)計(jì)階段合理匹配供風(fēng)系統(tǒng)、儲風(fēng)缸和耗風(fēng)設(shè)備參數(shù)尤為重要。

1 供風(fēng)系統(tǒng)和耗風(fēng)設(shè)備組成及原理

圖1是“復(fù)興號”動車組的供風(fēng)系統(tǒng)和主要耗風(fēng)設(shè)備的組成示意圖?！皬?fù)興號”動車組的制動系統(tǒng)、空氣懸掛系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)、廁所、撒沙控制系統(tǒng)、踏面清掃器、升弓控制系統(tǒng)都采用氣動控制方式，當(dāng)車輛的空氣壓力不足時，將啟動供風(fēng)系統(tǒng)，并通過總風(fēng)管向總風(fēng)缸(3)、制動風(fēng)缸(2)、輔助風(fēng)缸(6)內(nèi)充風(fēng)，供耗風(fēng)設(shè)備使用。

由于制動系統(tǒng)和空氣懸掛系統(tǒng)與車輛安全有緊密聯(lián)系，為制動系統(tǒng)和空氣懸掛系統(tǒng)配備獨(dú)立的儲風(fēng)缸，即制動風(fēng)缸和輔助風(fēng)缸。單向閥(1)分別防止制動風(fēng)缸和輔助風(fēng)缸的壓縮空氣逆流，優(yōu)先保證制動系統(tǒng)和空氣懸掛系統(tǒng)的用風(fēng)需求。

1-單向閥;2-制動風(fēng)缸;3-總風(fēng)缸;4-溢流閥;5-制動缸;6-輔助風(fēng)缸;7-減壓閥;8-附加氣室;9-高度閥;10-空氣彈簧。圖1 供風(fēng)系統(tǒng)及耗風(fēng)設(shè)備組成示意圖

當(dāng)總風(fēng)壓力超過溢流閥(4)開啟值時，總風(fēng)缸向輔助風(fēng)缸和空氣懸掛系統(tǒng)供風(fēng)。為了防止異常情況下空氣彈簧壓力過高，空氣懸掛系統(tǒng)的上游設(shè)置一個減壓閥(7)。在車輛運(yùn)行或進(jìn)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(fā)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(fēng)或排風(fēng)，使車體保持一定的高度。

除了制動系統(tǒng)和空氣懸掛系統(tǒng)外，廁所、空調(diào)系統(tǒng)等耗風(fēng)設(shè)備都直接使用總風(fēng)管和總風(fēng)缸內(nèi)儲備的壓縮空氣。

2 數(shù)學(xué)模型的建立

2.1 供風(fēng)系統(tǒng)模型

供風(fēng)系統(tǒng)由電機(jī)、空氣壓縮機(jī)、干燥器、過濾器等部件組成，空氣壓縮機(jī)產(chǎn)生的壓縮空氣經(jīng)過干燥器、過濾器后，因漏泄、機(jī)械效率等原因?qū)p失部分供風(fēng)能力。

作為冗余設(shè)計(jì)，每列車將配備多套供風(fēng)系統(tǒng)，而且分為主供風(fēng)系統(tǒng)和輔供風(fēng)系統(tǒng)。因此主輔供風(fēng)系統(tǒng)的輸出流量QMR1和QMR2分別為：

(1)

式中，NAC1為每列車上的主供風(fēng)系統(tǒng)數(shù)量；NAC2為每列車上的輔供風(fēng)系統(tǒng)；QAC為空壓機(jī)容積流量；ηAC為空壓機(jī)干燥效率。

總風(fēng)壓力下降至主供風(fēng)系統(tǒng)啟動壓力PAC1時，將啟動主供風(fēng)系統(tǒng)，如果總風(fēng)壓力繼續(xù)下降至輔供風(fēng)系統(tǒng)啟動壓力PAC2時，將啟動輔供風(fēng)系統(tǒng)?？傦L(fēng)壓力達(dá)到車輛的正常工作壓力最大值PMR_Max時，空壓機(jī)會停止工作，因此車輛的供風(fēng)系統(tǒng)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(kuò)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(fēng)，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(fēng)時，標(biāo)準(zhǔn)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(fēng)的時間tLK為：

(3)

式中，PH為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓力；P0為環(huán)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(shù)量。

2.3 制動系統(tǒng)模型

制動系統(tǒng)的最終耗風(fēng)設(shè)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(yùn)動的活塞組成的作動器。在車輛運(yùn)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(dāng)緩解制動時，制動控制系統(tǒng)將排出制動缸和管路內(nèi)壓縮空氣。制動缸耗風(fēng)量QBC和管路耗風(fēng)量分別QBCP為：

(4)

式中，NBC為每列車制動缸數(shù)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(shù)量；VBCP為每個制動缸管路容積；jB為施加/緩解制動的次數(shù)；tR為車輛運(yùn)行時間；tS為車輛停站時間。

2.4 高度閥模型

高度閥是根據(jù)空氣懸掛系統(tǒng)上部的質(zhì)量變化，調(diào)整空氣彈簧內(nèi)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(fēng)口(2)經(jīng)過閥口(1)和節(jié)流孔(4)進(jìn)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(huán)縫隙如圖2(b)，緩慢向空氣彈簧充風(fēng)。

1-閥口； 2-總風(fēng)口； 3-排風(fēng)口；4-節(jié)流孔； 5-空氣彈簧口。圖2 高度閥內(nèi)部結(jié)構(gòu)

根據(jù)高度閥閥口變化原理，不同狀態(tài)下的高度閥流量QL為：

(5)

式中，Cq為流量系數(shù)；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(fēng)設(shè)備模型

(1)撒沙控制系統(tǒng)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(dāng)撒沙，以提高輪軌之間的黏著性能。為了正常撒沙，在車輛運(yùn)行過程中一直用壓縮空氣烘干沙箱內(nèi)的沙子，而得到撒沙指令時，撒沙控制系統(tǒng)將用壓縮空氣吹出沙子。因此撒沙控制系統(tǒng)的耗風(fēng)量QSR由沙子烘干期間的耗風(fēng)量和撒沙時刻的耗風(fēng)量組成。

(6)

式中，NS為每列車的撒沙裝置數(shù)量；QS為每個撒沙裝置的耗風(fēng)量；tSR為持續(xù)撒沙時間；jS為車輛運(yùn)行過程中撒沙次數(shù)；ND為烘干器數(shù)量；QD為烘干耗風(fēng)量。

(2)廁所控制系統(tǒng)模型

按下沖廁所按鈕時，控制系統(tǒng)將排出儲存在廁所風(fēng)缸內(nèi)的壓縮空氣，以達(dá)到?jīng)_廁所的目的。在車輛的運(yùn)行過程中，沖廁所耗風(fēng)量QTC為：

(7)

式中，NTC為每列車的廁所數(shù)量；VTC為每個廁所風(fēng)缸容積；PTC為沖廁所壓力；jTC為車輛運(yùn)行過程中沖廁所次數(shù)。

(3)升弓控制系統(tǒng)模型

升弓時，控制系統(tǒng)向升弓作動器內(nèi)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(nèi)的壓縮空氣，因此產(chǎn)生壓縮空氣的消耗。升弓控制系統(tǒng)的耗風(fēng)量QEF為：

(8)

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

3 關(guān)鍵部件的數(shù)學(xué)模型校核

仿真分析中采用的供風(fēng)系統(tǒng)排量、風(fēng)缸容積、空氣彈簧壓力等靜態(tài)參數(shù)都是理論設(shè)計(jì)值，因此需要通過車輛運(yùn)行過程中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證和校核。

表1是已投入運(yùn)營的其他軌道車輛基本配置參數(shù)。為了提高仿真分析的準(zhǔn)確性，通過已投入運(yùn)營的其他軌道車輛型式試驗(yàn)數(shù)據(jù)和運(yùn)行數(shù)據(jù)，對關(guān)鍵部件的數(shù)據(jù)模型參數(shù)進(jìn)行了校核。

表1 基本配置參數(shù)

3.1 供風(fēng)及空氣懸掛系統(tǒng)模型校核

(1)靜態(tài)仿真驗(yàn)證

供風(fēng)系統(tǒng)和空氣懸掛系統(tǒng)取表1的基本參數(shù)時，基于式(1)、式(2)計(jì)算了同時啟動兩臺主輔供風(fēng)系統(tǒng)后總風(fēng)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(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對比。表2是靜態(tài)初充風(fēng)時間的仿真結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果對照表。

由表2可知，仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的誤差只有0.6%，表明供風(fēng)系統(tǒng)模型和空氣懸掛系統(tǒng)模型及相關(guān)參數(shù)可信。

表2 靜態(tài)初充風(fēng)時間 min

(2)動態(tài)仿真驗(yàn)證

軌道車輛運(yùn)行過程中，各種耗風(fēng)設(shè)備將投入工作，而且根據(jù)總風(fēng)壓力的變化啟動主輔供風(fēng)系統(tǒng)。圖3是在23個站間運(yùn)行過程中，車輛的供風(fēng)系統(tǒng)工作狀態(tài)及各壓力變化數(shù)據(jù)。

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(yùn)行及停站時間內(nèi)，主供風(fēng)系統(tǒng)和輔供風(fēng)系統(tǒng)的啟動時間分別為39.16 min和5.82 min。表3是23個站內(nèi)空氣彈簧壓力變化率和主輔供風(fēng)系統(tǒng)的工作率統(tǒng)計(jì)結(jié)果。

圖3 車輛運(yùn)行過程中供風(fēng)系統(tǒng)工作狀態(tài)及壓力變化曲線

表3 空氣彈簧壓力變化率及供風(fēng)系統(tǒng)工作率統(tǒng)計(jì)結(jié)果

根據(jù)表3統(tǒng)計(jì)結(jié)果，主供風(fēng)系統(tǒng)工作率和耗風(fēng)設(shè)備耗風(fēng)量計(jì)算結(jié)果如表4所示，可見計(jì)算結(jié)果與實(shí)際運(yùn)營統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)基本一致。

表4 耗風(fēng)量及供風(fēng)系統(tǒng)工作率仿真結(jié)果

3.2 制動系統(tǒng)及風(fēng)缸模型驗(yàn)證

當(dāng)總風(fēng)缸和制動風(fēng)缸內(nèi)壓力達(dá)到750 kPa時，連續(xù)施加/緩解最大常用制動后，并記錄風(fēng)缸內(nèi)壓力下降至600 kPa時施加/緩解最大常用制動的次數(shù)。圖4是根據(jù)式(4)計(jì)算的結(jié)果和實(shí)測值的對比曲線，實(shí)測和仿真結(jié)果基本一致。在超員工況下，可連續(xù)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(fēng)壓力16.8 kPa。

圖4 連續(xù)施加最大常用制動次數(shù)與總風(fēng)壓力變化曲線

3.3 高度閥模型參數(shù)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(jì)測試高度閥的流量。當(dāng)高度閥模型分別取表5中的參數(shù)時，高度閥流量試驗(yàn)結(jié)果和仿真結(jié)果(如圖5)基本一致，所采用的高度閥參數(shù)能真實(shí)反映高度閥實(shí)際特性。

表5 高度閥參數(shù)

4 供風(fēng)及耗風(fēng)設(shè)備匹配研究

4.1 供風(fēng)系統(tǒng)排量的影響

(1)供風(fēng)系統(tǒng)排量對動態(tài)耗風(fēng)的影響

供風(fēng)系統(tǒng)的動態(tài)工作率和“復(fù)興號”動車組的初充風(fēng)時間是相互矛盾，又非常重要的設(shè)計(jì)指標(biāo)。通過供風(fēng)系統(tǒng)的排量對工作率和初充風(fēng)時間的影響分析，可求解使這兩種指標(biāo)達(dá)到最優(yōu)值的供風(fēng)系統(tǒng)排量。圖6是選擇不同排量的供風(fēng)系統(tǒng)時，供風(fēng)系統(tǒng)的動態(tài)工作率和初充風(fēng)時間的仿真分析結(jié)果。

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

圖5 高度閥流量試驗(yàn)及仿真結(jié)果

圖6 供風(fēng)系統(tǒng)排量對動態(tài)耗風(fēng)的影響

(2)供風(fēng)系統(tǒng)排量對靜態(tài)耗風(fēng)的影響

空氣彈簧壓力是制動系統(tǒng)獲取車重的唯一信號源，也是制動力分配的重要依據(jù)。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(zhì)量對應(yīng)的壓力，就會帶來制動力分配錯誤，可能導(dǎo)致嚴(yán)重的行車安全問題。

圖7是不同排量供風(fēng)系統(tǒng)對空氣彈簧壓力上升速度的影響分析結(jié)果(藍(lán)色系為總風(fēng)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(nèi)空氣彈簧壓力由最小值450 kPa上升至512 kPa，同時總風(fēng)壓力由800 kPa下降至600 kPa。雖然主輔供風(fēng)系統(tǒng)都已啟動，但是空氣彈簧壓力的上升比較緩慢。仿真分析結(jié)果，空氣彈簧壓力由最小值上升至最大值650 kPa過程中，供風(fēng)系統(tǒng)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(fēng)系統(tǒng)的排量對靜態(tài)耗風(fēng)有一定的影響。

圖7 供風(fēng)系統(tǒng)排量對靜態(tài)耗風(fēng)的影響

4.2 儲風(fēng)缸容積的影響

(1)儲風(fēng)缸對動態(tài)耗風(fēng)的影響

供風(fēng)系統(tǒng)的排量外，儲風(fēng)缸容積也是“復(fù)興號”動車組的主要設(shè)計(jì)參數(shù)之一。車輛配置不同容積的總風(fēng)缸、制動風(fēng)缸和附加氣室時，供風(fēng)系統(tǒng)的工作率和初充風(fēng)時間的仿真結(jié)果如表6所示。

表6中，總風(fēng)缸或制動風(fēng)缸的容積每增加250 dm3時，供風(fēng)系統(tǒng)的工作率和初充風(fēng)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(fēng)系統(tǒng)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(fēng)缸容積對動態(tài)耗風(fēng)的影響非常很小。

表6 儲風(fēng)缸容積對動態(tài)耗風(fēng)的影響

(2)儲風(fēng)缸對靜態(tài)耗風(fēng)的影響

上車的乘客劇增時，不同容積的總風(fēng)缸對空氣彈簧上升時間的仿真結(jié)果如圖8所示?？傦L(fēng)缸容積每增加250 dm3時，總風(fēng)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(tài)耗風(fēng)的影響很明顯。

圖8 總風(fēng)缸容積對靜態(tài)耗風(fēng)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(jié)果。當(dāng)“復(fù)興號”動車組的附加氣室總?cè)莘e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(tài)耗風(fēng)的影響

4.3 動態(tài)耗風(fēng)設(shè)備的影響

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

表7 總耗風(fēng)量中各耗風(fēng)設(shè)備用風(fēng)量占比

圖10 動態(tài)耗風(fēng)設(shè)備使用頻次的影響

圖10是“復(fù)興號”動車組運(yùn)行過程中，耗風(fēng)設(shè)備的使用頻次對供風(fēng)系統(tǒng)工作率的影響分析結(jié)果。由于動車組的運(yùn)營環(huán)境千差萬別，不同時間、不同線路上的耗風(fēng)設(shè)備使用頻次也各不相同。

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

5 結(jié) 論

通過其他軌道車輛的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，驗(yàn)證了供風(fēng)系統(tǒng)和耗風(fēng)設(shè)備的數(shù)學(xué)模型準(zhǔn)確性，校核了仿真模型關(guān)鍵參數(shù)。供風(fēng)系統(tǒng)和耗風(fēng)設(shè)備的匹配研究結(jié)果表明：

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

(2)總風(fēng)缸、制動風(fēng)缸和附件氣室容積對供風(fēng)系統(tǒng)動態(tài)工作率和初充風(fēng)時間的影響很小，但是總風(fēng)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(fēng)缸容積應(yīng)大于1 500 dm3，附加氣室容積應(yīng)小于3 270 dm3，制動風(fēng)缸容積可根據(jù)車輛的安裝空間而定。

(3)“復(fù)興號”動車組運(yùn)行過程中，空氣懸掛系統(tǒng)、廁所、車輛管路等漏泄的耗風(fēng)量占總耗風(fēng)量的68%左右，而漏泄耗風(fēng)量占20.8%，因此應(yīng)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。