肖利君

(長沙市軌道交通集團(tuán)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(jī)存在的問題也逐步增多，如產(chǎn)生空壓機(jī)不打風(fēng)、打風(fēng)不止、打風(fēng)異響和總風(fēng)欠壓等故障，其中總風(fēng)欠壓為主要故障[1]?？傦L(fēng)欠壓是指地鐵車輛在停站上客時,客流量過大導(dǎo)致空氣彈簧耗風(fēng)劇烈，進(jìn)而引起總風(fēng)管內(nèi)風(fēng)壓下降過度，從而觸發(fā)總風(fēng)欠壓開關(guān)(MRP),最后導(dǎo)致車輛為導(dǎo)向安全而自動施加緊急制動。車輛緊急制動施加后, 總風(fēng)壓力需要達(dá)到規(guī)定的設(shè)定值后才能緩解緊急制動。由于地鐵列車的制動系統(tǒng)存在總風(fēng)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(tǒng)空氣彈簧壓力急升造成的總風(fēng)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(tǒng)空氣供給設(shè)備如圖1所示。它由空氣壓縮機(jī)(以下簡為“空壓機(jī)”)、干燥器、總風(fēng)缸、制動風(fēng)缸和空氣彈簧，以及貫穿整車的總風(fēng)管等部件組成。本文研究的重點為空壓機(jī)至空氣彈簧部分。

圖1 地鐵列車制動系統(tǒng)的供風(fēng)設(shè)備結(jié)構(gòu)組成圖

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

每輛車均配置1臺總風(fēng)缸、1臺空氣彈簧儲風(fēng)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(guān)的管路[3]。地鐵車輛的二系懸掛由2個轉(zhuǎn)向架上的4個空氣彈簧組成。不同轉(zhuǎn)向架上的2個空氣彈簧經(jīng)過差壓閥連接在一起，因此可將同一轉(zhuǎn)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。空氣彈簧的組成如圖2所示。

圖2 空氣彈簧的組成及其在制動系統(tǒng)中的位置

由圖2可以看出，車輛兩側(cè)的空氣彈簧的附加氣室由差壓閥連接。當(dāng)兩側(cè)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(cè)流向低壓側(cè)。高度控制閥的作用是，當(dāng)車體的高度低于預(yù)定值時，高度控制閥使風(fēng)源向空氣彈簧充氣，進(jìn)而使車體維持在一定高度范圍內(nèi)。

2 建模

采用AMEsim軟件分別對載荷、風(fēng)源、空氣彈簧及整個空氣彈簧供風(fēng)設(shè)備進(jìn)行建模。

2.1 載荷計算

經(jīng)調(diào)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(zhì)量見表1。

表1 AW0和AW3工況下車輛的簧上質(zhì)量

因此，可以根據(jù)車體的自身質(zhì)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(jīng)15 s上客變?yōu)锳W3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?yōu)锳W3工況時空氣彈簧所需的氣壓曲線

2.2 風(fēng)源設(shè)備建模

風(fēng)源設(shè)備主要包括空壓機(jī)、風(fēng)源控制器和電動機(jī)等，如圖4所示。本文利用AMEsim軟件自帶的空壓機(jī)模型、電動機(jī)模型和控制模塊對風(fēng)源設(shè)備進(jìn)行建模。

圖4 風(fēng)源設(shè)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(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。若計算的模型很大，則詳細(xì)的模型會使其方程異常復(fù)雜，這會導(dǎo)致出現(xiàn)較多間斷點。而間斷點的出現(xiàn)會導(dǎo)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(shù)學(xué)關(guān)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(dǎo)致的空氣彈簧容積變化以及充放氣過程中的熱力學(xué)變化，相比常用的固定容積風(fēng)缸模型，更能反應(yīng)其動態(tài)變化。

2.4 其他部件建模

氣體特性、風(fēng)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(shù)的建模過程賦值簡單且建模方便。

2.5 空氣彈簧供風(fēng)設(shè)備建模

將風(fēng)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(jìn)行整合,構(gòu)成某A型地鐵列車空氣彈簧供風(fēng)設(shè)備的模型(見圖6)。

圖6 空氣彈簧供風(fēng)設(shè)備模型

3 不同參數(shù)組合下的仿真分析

根據(jù)各部件的具體參數(shù)對各模型進(jìn)行詳細(xì)定義，取供風(fēng)設(shè)備的總風(fēng)欠壓開關(guān)斷開值PMRP=550 kPa。當(dāng)供風(fēng)設(shè)備總風(fēng)壓低于550 kPa時，列車施加緊急制動，并等總風(fēng)壓恢復(fù)到總風(fēng)壓開關(guān)恢復(fù)值后才能緩解緊急制動?？紤]極限情況，停站時列車載荷由初始的AW0工況經(jīng)過15 s上客變?yōu)锳W3工況。對表3所示的3組參數(shù)組合進(jìn)行仿真分析，求出不同參數(shù)組合下總風(fēng)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(shù)組合

3.1 組合1仿真結(jié)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(dá)到AW3工況?？土髁窟^大導(dǎo)致空氣彈簧耗風(fēng)劇烈，此時總風(fēng)缸迅速向空氣彈簧充風(fēng)，總風(fēng)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(fēng)壓達(dá)到規(guī)定值時，才能緩解制動。

圖7 組合1仿真結(jié)果

3.2 組合2仿真結(jié)果

組合2模擬列車在進(jìn)入地鐵站之前，提前打開空壓機(jī)對總風(fēng)缸進(jìn)行充風(fēng)并充風(fēng)至900 kPa。計算結(jié)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(dǎo)致總風(fēng)壓力低于PMRP的問題，并且能在載荷突增后的250 s內(nèi)，將總風(fēng)升至900 kPa。

圖8 組合2仿真結(jié)果

3.3 組合3仿真結(jié)果

組合3模擬的是，保持總風(fēng)缸和空氣彈簧出風(fēng)缸750 kPa的氣壓不變，將總風(fēng)缸和空氣彈簧出風(fēng)缸的容積都改為125 L。經(jīng)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(dǎo)致的總風(fēng)壓低于PMRP的問題，且總風(fēng)壓最小值大于組合2，具有更高的閾值。但由于總風(fēng)缸和空氣彈簧儲風(fēng)缸容積的增加，總風(fēng)壓達(dá)到穩(wěn)定值的時間也對應(yīng)增加，造成了一定的時間延緩。計算結(jié)果如圖9所示。

圖9 組合3仿真結(jié)果

3.4 結(jié)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(jīng)15 s變?yōu)锳W3)，則總風(fēng)壓恢復(fù)到正常情況需要約260 s。

2) 由組合2可知，若在進(jìn)站之前，提前對總風(fēng)缸進(jìn)行打氣，可以避免總風(fēng)壓低于PMRP，且可以縮短總風(fēng)壓恢復(fù)到穩(wěn)定值的時間。

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

4 結(jié)論

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

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

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