管径对空气制动系统性能的影响分析

管径对空气制动系统性能的影响分析

周波1，张义文1

1.中车唐山机车车辆有限公司，河北，唐山市 064000

摘要 为了探究了空气制动系统管路参数中对制动系统初充风时间和制动响应时间的影响，以地铁车辆空气制动系统作为研究对象，利用AMESim仿真软件平台，依托其基于数学物理模型的可视图形化的建模方式和丰富的应用元件库，搭建了空气制动系统关键部件及系统整体的模型，分别计算了不同管路直径参数条件下制动系统的初充风时间和制动响应时间。在此仿真结果基础上，提出了针对提高该系统制动性能的管路直径参数优化方案。

关键词空气制动系统；建模仿真；制动性能；优化

对轨道交通车辆来讲，制动系统工作的可靠性是列车行车安全的基本保证。对于轨道交通车辆制动系统的研究，最早采用的是理论计算分析的方法。但这种方法需要以相对理想的模型为基础，再辅以大量的计算以及数据处理。这不仅耗时耗力，而且其结果往往与实际情况有较大偏差。

随着计算机技术的发展，利用计算机建立模型进行仿真计算，不仅可以建立满足不同需求的模型，还可以模拟各种复杂的工况。AMESim是基于物理模型的图形化建模平台，在该平台上进行仿真模拟已成为目前研究车辆制动系统性能的重要手段之一[1] [2]。

本文主要利用AMESim软件设置管径参数，通过仿真运算得到对应的初充风时间和制动响应时间，分析其影响，并基于此优化制动性能。

1空气制动系统建模

1.1供风模块建模

制动系统的供风模块是制动系统的动力来源。供风模块主要有空气压缩机、油水分离器、压力控制器、辅助气缸、滤尘器等。[3]

从供风模块出来的压力空气（900kPa）通过总风管为总风缸、空气弹簧等用风设备充风，并保持总风压力在750kPa~900kPa。为模拟初充风过程，可以建立供风模块模型如图1所示。

图1供风模块模型

1.3空气弹簧模块建模

空气弹簧系统由高度阀、差压阀、气囊、节流孔、附加空气室、管路等组成。实际使用中，空气弹簧在垂向高度上会受高度阀调节进行充排气，气囊内的压力随之发生变化。

空气弹簧（高度阀采用简化形式）的建模方法：将气囊视为一个定容积的容腔（25L），后端接一个容积不变的气缸作为附加容积室（70L）。“气囊”与“附加容积室”之间的连接参考实际使用的连接方式，即两者间用节流孔相连。模型见图2.

图2空气弹簧模型

1.4制动气缸及管路模块

制动系统的风缸包括总风缸、制动风缸、空簧供风风缸、空气弹簧气囊和附加容积室。总风缸经由总风管向制动风缸充风，制动风缸要求压力不超过600kPa。若不加其他控制，则初充风时总风缸与制动风缸将同时进行充风。为了使制动风缸升压过程滞后，在总风管与制动风缸之间加一个控制回路。模型见图3。

图3制动气缸及管路模型

2气路系统特性分析

根据我国某型地铁空气制动系统车下管路组成建立系统整体模型，并在该制动系统的基础上量出各段管路的参数信息。其中，一些较短的管路长度均设为0.1m。依据这些管路参数和上一章节中建立的仿真模型得出个部位的压力曲线。见图4、5、6。

表1各区段管路参数

图4总风缸压力曲线

图5制动缸压力曲线

图6空簧压力曲线

3管路直径参数设置

制动系统的管路一般选用3/8管（10mm）、1/2管（15mm）和3/4管（20mm），[8]对MR段、BC-1段和AS1段进行仿真分析结果见图7。

图7总风压力变化（改变MR段管径）

从图7中可以看出，MR管的管径不同对初充风时间影响较大。使用3/4管初充风时间为11s，使用1/2管初充风时间为17s，使用3/8管初充风时间为34s。由此可见，管径越大，初充风压力上升速度越快，完成时间越短。3/4管与1/2管初充风时间相差6s，而3/8与1/2管初充风时间相差17s，由此可见，管径越小，管径对压力变化的影响就越明显。为了减小初充风时间，MR段管径的优化方向为选用大管径的管路。

图8制动缸压力变化（改变MR段管径）

从图8可以看出，BC-1管的三种不同管径对应的制动缸压力变化曲线基本重叠，这表明BC-1管管径对制动响应时间的影响较小。为了节省空间和方便车下管道布置，BC-1段管径的优化方向为选用小管径的管路。

图9空簧压力变化（改变MR段管径）

从图9中可以看出，AS1段的管径对初充风时间影响较大。从指令发出到空簧压力上升至350kPa，使用3/4管充风时间为25s，使用1/2管充风时间为30s，使用3/8管充风时间为36s。从3/4管与1/2管对应的压力曲线来看，管径较大时，前期充风速度随管径增大而增大越大，但是最终达到目标压力的时间差别不大。当管径较小时，充风速度随管径减小而明显下降，且大大目标压力的时间也延长许多。为了缩短充风时间以及节约成本，AS1段管径的优化方向为选用较大管径中的较小管径。

4结论与分析

本文利用建模仿真，通过改变管路直径参数，分析总风缸、空气弹簧、制动缸等的压力变化特性，系统化、形象化的分析了不同管径对系统响应时间、压力等性能参数的影响。并给出了管路设计的优化的方向。对系统设计有比较大的指导意义和实用价值。

参考文献：

［1］陆强,杨美传.基于AMESim的地铁车辆空气制动系统的建模及仿真[C].//2012年LMS中国用户大会论文集.西南交通大学,2012:1-4.

［2］许志泉.基于AMESim动车组空气制动系统仿真与研究[D].四川:西南交通大学,2013.［6］左建勇,韩飞,胡薇.地铁列车紧急制动故障特征再现仿真[J].交通运输工程学报,2015,15(5):44-49,56.

［3］王令军,李培署,纪铅磊.某地铁列车制动系统建模与仿真研究[J].铁道车辆,2015,53(10):10-13.［8］朱圣达.地铁车辆空气制动系统应用分析[J].机电技术,2018,(2):118-120.