列车供风与用风能力仿真分析

魏伟 ,张长东,王存兵

(1.大连交通大学 交通运输工程学院,辽宁 大连 116028；2.中车大连机车车辆有限公司，辽宁 大连 116022)

列车供风与用风能力仿真分析

魏伟1,张长东1,王存兵2

(1.大连交通大学 交通运输工程学院,辽宁 大连 116028；2.中车大连机车车辆有限公司，辽宁 大连 116022)

机车供风能力是机车设计的内容之一，随着客运列车用风装置的增多，供风与用风的矛盾突出，出现空压机频繁启动的现象，影响到空压机寿命和列车供风能力，甚至影响列车运行安全.建立机车供风和列车用风系统模型，首先通过线路试验数据，获得列车用风数据，在实际用风条件下分析主风缸容积、空压机排气量和空压机开启压力对空压机启动次数和工作时间的影响，计算结果表明：主风缸容积增加、空压机排气量减小和空压机启动压力降低都可以减小空压机启动次数，并且保证列车用风.在保证空压机启动次数不超过30次/h条件下，给出了某一参数固定时其他两参数选择范围.该研究为认识机车风源系统各参数影响规律，设计机车风源系统提供了借鉴.

列车；机车；供风能力；空气压缩机；制动；空气弹簧

0 引言

随着客运列车舒适性和安全性的提升，列车中用风装置不断增加，除了传统的制动系统、机车风笛、排沙装置用风，还有空气弹簧、塞拉门、集便器等新式装置使用压缩空气作为动力源.一方面是用风装置种类和数目的增加，另一方面机车供风系统多年来基本没有变化，主风缸、空气压缩机(以下简称空压机)等多年来都使用相同的设计，用风装置增加和供风装置的无变化，出现供风与用风矛盾，最突出的问题就是空压机频繁启动，空压机频繁起动的现象不仅出现在提速客车上，也在地铁车辆上频繁出现[1-2].这不仅缩短空压机寿命，能耗增大，还会对空压机部件产生冲击而导致空压机损坏，可能导致空压机控制电路发热造成自动开关跳、烧损等故障，甚至对行车安全带来威胁.

国内对机车供风系统的研究较少，文献[1]指出在提速客车中，两台空压机同时工作仍存在供风不足问题，同时在夜间两台空压机供风能力过剩，出现空压机频繁启动的现象.提出用两个控制开关分别控制两台空压机，且两台空压机启动压力保持一定差值；或将制动用风和辅助用风系统分离设计.文献[3]使用仿真模型方法研究了重载列车风源充风能力，给出了主风缸容积和空压机压气量对列车充风能力的影响.文献[4]通过对城轨车辆各用风装置用风量估算,计算出系统的充风时间,并用实验验证了方法的准确性.文献[5]介绍了机车空压机和总风缸的选择方法.文献[6]针对出口巴基斯坦机车风源系统选型进行了介绍.文献[7]对高速动车组制动供风系统进行了仿真与分析.文献[8]分析了空压机排气量、机车总风缸容积及列车制动系统的泄露对列车充气时间的影响.文献[9]针对时速250 km/h动车组空压机选型给出了建议.文献[10]针对高原列车供风能力进行了理论与实验研究.许多研究者对风源系统开展了研究，但是多数研究都是基于静态分析，本文提出基于试验结果的动态分析方法，研究各参数对列车供风能力的影响，并针对空压机频繁起动的问题，给出参数选择范围.

本文首先建立了列车供风及用风系统模型，开发了对应的基于气体流动的仿真程序.首先根据试验结果确定客运列车的用风量，在与试验相同用风量的前提下，分析了主风缸容积、空压机开启压力、空压机排气量对空压机启动次数的影响，最终给出供风系统合理参数范围.

1 列车供风与用风系统模型

机车供风系统由两台空压机、两个主风缸及连接管路组成.两个主风缸分别向列车制动系统和其它用风装置供风，两个主风缸通过管路相连.空压机提供风源系统用风.在用风系统中，每个车辆的塞拉门、空气弹簧、集便器，制动系统都独立用风，并且每个车辆的用风具有不同时性和不同量性，因此对每个车辆用风独立模型化难度较大，同时也没有这个必要，因为对应于风源系统，主要考察的是所有用风装置用风总量，因此用风系统采用集成化模型.为此将列车用风装置模型化为两个压力容器，一个压力容器主要代表制动系统，另一个压力容器代表其它用风装置.列车供风及用风系统共模型化为四个压力容器，两台空压机，系统模型如图1所示，模型中还包含了各压力容器间的连接管.图中V1、V2是主风缸，V3、V4代表用风装置.

图1 列车风源与用风系统模型简图

在列车压缩空气系统中，假定管路内气体流动为有摩擦、非等熵不定常流动，根据气体流动质量守恒、动量守恒和能量守恒，得出管路内气体流动方程如下：

(1)

其中，u为气体流速，ρ为气体密度，p为气体压力，F为管路横截面积，a是声速，f是管内壁摩擦系数，k是比热比，D为直径，t为时间，x为距离.

在计算气体流动过程中，管路内部气体流动都可以通过上述方程求解，但是对于边界点，例如管路和缸交界处，需要引入管路与缸连接边界方程，本模型中管路与缸连接采用下述方程：

(2)

(3)

其中,下标c代表管路与缸连接处，p代表管路，φ为连接处面积比，U是无量纲流速.

流入流出缸的气体流率：

(4)

对于V1缸，流入气体有空压机气体，流出气体有流入V2和V3的气体；对于V2缸流入气体来自于V1缸，流出气体为流向V4缸的气体.

空压机模型化为具有固定质量流率的风源，质量流率计算如下：

(5)

式中：w为空压机排气量，m3/min；P为空压机工作压力，kPa；ψ为进气系数，此值根据试验值确定；AA为气体熵值.

在步长为Δt时间内，由空压机流入主风缸的气体流量为：

(6)

n为空压机启动个数.

根据气体动力学原理，编制了气体流动仿真程序，该仿真系统动态分析空压机-主风缸-用风系统的各种参数的影响，可用于分析各缸管容积、初压力，空压机压缩量、开启关闭压力等各种参数对空压机工作状态的影响.

2 列车用风量确定

2.1空压机充风能力

在仿真模型中，进气是空压机工作能力，排气是列车用风能力.在确定列车用风能力以前，首先需要确定空压机进气能力，为此，使用列车主风缸从0充气到900 kPa的现车试验结果，模型中设置主风缸容积与试验机车相同，空压机排气量与空压机标牌数值相同，通过模型参数的改变，调整模型中主风缸充气能力，最终确定是式(5)中空压机进气系数.

从图2中可以看出，一台空压机向主风缸充气，主风缸压力由0 kPa上升至900 kPa试验所用时间为371 s，仿真所用时间为391 s，仿真曲线和试验曲线基本吻合.

图2 主风缸初空气压强曲线

2.2列车用风量确定

在空压机充气能力确定后，仿真系统参数中仅有一个列车用风能力是待求值了.可以通过试验数据，调整仿真模型中用风风缸的排气面积，最终得到与试验曲线相近的仿真结果，此时对应的模型中排气面积就可以理解为与试验对应的列车用风量的描述.图3是试验和仿真的列车供风装置动态过程对比图.图中选取了用风量较大时的1个小时的试验数据.

图3可以看出，主风缸压强变化、空压机工作时间、空压机工作个数都与试验吻合较好，这说明已经找到真实列车用风能力的描述方式.

图3 主风缸压强及空压机启动次数试验与仿真对比曲线图

在一个小时内，空压机共启动44次，每次启动几乎都是两台空压机同时工作，这一个小时内空压机平均开启压力为788 kPa；空压机工作时间试验值为1 672 s，占总时间的46.4%，空压机工作时间仿真值为1 753 s,误差为4.87%.

螺杆式空压机要求启动次数不大于30次/h，该试验结果显然不满足上述要求，为了使空压机工作次数满足要求并确保空压机工作率尽可能高，首先确定影响空压机工作时间和工作次数的机车风源系统参数，分析这些参数变化对空压机工作时间和工作次数的影响趋势，然后对空压机工作参数进行优选.

3 机车风源系统参数影响

机车风源系统主要参数有主风缸容积、空压机开启压力、空压机排气量.这些参数对空压机工作次数和空压机工作时间有一定的影响，为此在仿真程序中以上述试验获得的列车用风为基本需求，以主风缸容积、空压机开启压力、空压机排气量为可变参数，研究这些参数对空压机工作次数和工作时间的影响.在仿真计算中，根据机车设计参数和实测参数，两个主风缸分别为600 L，空压机排气量为2.4 m3/min，空压机双机启动压力为788 kPa.以此为基本参数分析各参数的影响.

3.1主风缸容积对空压机工作参数的影响

选取主风缸容积为变量，在原容积上分别增加10%、20%、30%、40%，将列车试验得到的真实用风使用两个用风风缸的排气面积描述，即与试验用风量一致的条件下，利用仿真程序计算空压机工作时间和启动次数，如表1所示.

表1 空压机工作时间和启动次数

主风缸容积对空压机工作时间和启动次数的影响如图4所示.从图中可以看出当主风缸容积增大时，空压机工作次数减小，在计算主风缸容积变化范围内，并没有使空压机每小时启停次数降低在30次/h以下.因为主风缸容积涉及到机车空间布置问题，主风缸容积不能无限增大，因此仅调整主风缸容积满足标准要求方案不可行，必须在几个参数间协调调整才能满足标准要求.从空压机工作时间看，主风缸容积变化后，空压机工作时间变化不大，最多相差约13 s，因此改变主风缸容积不会对空压机工作时间带来不利影响.

图4 主风缸容积对空压机工作次数影响

3.2空压机开启压力对空压机工作参数的影响

将现在列车空压机开启压力设置为基准，将空压机双机开启压力分别减小2%、4%、6%、8%，利用仿真程序计算空压机工作时间和启停次数.计算结果空压机工作次数分别为44、41、36、32次，如图5所示，工作时间分别为1738.2、1742.6、1 745.5、1 750.3 s.从图中可以看出当空压机开启压力减小时，空压机工作次数明显减小.这说明空压机启动压力太大，并不利于减少空压机启停次数，但是如果空压机启动压力太小，可能会出现主风缸压力过低的情况，从仿真结果看，当空压机启动压力减小8%后(725 kPa)，主风缸最低压力为725 kPa，足以保证列车用风系统的用风压力.

图5 空压机开启压力对启停次数影响

3.3空压机排气量对工作参数的影响

将空压机排气量在原排气量基础上分别减小5%、10%、15%、20%，计算空压机工作次数分别为44、44、42、39次，空压机工作次数随排气量变化如图6所示，从图中可以看出空压机排气量减小时，空压机工作次数减少，但是减少的幅度并不大.4种方案对应的空压机工作时间分别为1839.7、1 939.4、2 052.9、2 187.4 s.从空压机排气量对工作时间影响看,排气量越小,工作时间越长，从本计算范围看，当空压机排气量减小20%后，空压机工作时间增加18.9%.

图6 空压机排气量对工作次数影响

以上所有计算中，主风缸最低压力都是设定的空压机双机启动压力，没有发现在空压机启动后主风缸压力继续下降的现象.由此可以得出，上述的压力设定，均能满足列车用风需求，不会出现因为列车用风需求过大，主风缸压力过低的现象.

4 空压机工作参数设计空间

当得到以上三个重要参数对空压机启动次数影响后，对现有列车中参数进一步修正以获得满足要求的空压机启停次数.为此将现有列车实际参数作为基本参数，通过改变其中一个参数，获得空压机启动次数为30 次/h的边界区域，进而寻找到在现有列车参数条件下修改某一个参数就能够获得满足标准的设计区间.

当机车主风缸总容积为1 200 L时，调整双空压机启动压力和空压机排气量，得到空压机工作次数的曲线如图7所示.图7中阴影部分为空压机启停满足30 次/h需求.由图可知，在空压机启停次数一定的情况下，空压机排气量增加，则需要对应的开启压力降低，反之则需要空压机开启压力增加.因此针对试验测得的空压机启动次数太高的现象，可以通过降低空压机启动压力的方法解决.按现有机车主风缸和空压机参数，如果不设单机启动，仅设置双机同时启动压力，则启动压力不得高于710 kPa.如果双机启动压力设置在750kPa，空压机排气量则不得高于2.0 m3/min.图8是空压机双机启动压力为788 kPa时(实测客运列车双机启动压力)，空压机排气量和主风缸容积对空压机启停次数的影响.图中阴影部分是空压机满足启动30 次/h条件的可行区域.由图可以看出，随着主风缸容积增加，空压机的排气量许用范围在不断增大.例如当主风缸容积由1 400 L增加到1 800 L时，空压机排气量最大值从1.95增加到2.2 m3/min.

图7 空压机排气量和开启压力对启停次数影响

图8 空压机排气量主风缸容积对空压机启动次数影响

图9为空压机排气量(2.4 m3/min)固定情况下，空压机开启压力和主风缸容积对空压机启停次数的影响.由图可知，当主风缸容积增加时，空压机开启压力许用范围增加，对开启压力要求更低.由图中可以查的，如果主风缸容积为1 400 L，那么双机启动压力不得高于740 kPa.如果主风缸容积为1 600 L，空压机启动压力不得高于755 kPa大主风缸容积时，开启压力范围可以更大.

图9 压缩机开启压力和主风缸容积对空压机启停次数的影响

5 结论

本文建立基于气体流动理论的机车风源系统和列车用风系统模型，首先根据客车线路试验数据确定列车用风量，在此基础上，分析了主风缸容积、空压机开启压力、空压机排气量对空压机启停次数的影响，并根据现车数据，给出了各种参数选择空间，得出如下结论：

(1)增大主风缸容积或者减小空压机开启压力可以明显减少空压机工作次数，并且对空压机工作时间没有太大影响；

(2)空压机排气量减小将使空压机工作时间增加，空压机启动次数略有减少；

(3)在主风缸容积和空压机排气量确定情况下，可以通过降低空压机开启压力的方法降低空压机启动次数；

(4)空压机排气量和开启压力对空压机启动次数影响具有相反的作用，当排气量增加时需要对应减小启动压力，当排气量减小时可以适当增加启动压力以保证空压机启动次数满足要求；

(5)在保证空压机启动次数一定的条件下，增加主风缸容积，空压机排气量或者开启压力许用范围增大.

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SimulationResearchonTrain′sCompressedAirSupplyandConsumptionAbility

WEI Wei1, ZHANG Changdong1, WANG Chunbing2

(1.School of Traffic and Transportation Engineering, Dalian Jiaotong University, Dalian 116028, China; 2. CRRC Dalian Co., Ltd, Dalian 116022, China)

The frequent starting of air compressor influences the fatigue life of air compressor and the air supply ability, even damages the safety of train running. The locomotive air supply and train air consumption system model was established. First, the train air consumption data were obtained from train in-site experiment. Under the actual conditions of air consumption of the train, the influences of the volume of main reservoir, the capacity of air compressor and the opening pressure of air compressor on opening times and working time of air compressor were analyzed. It shows the increasing in volume of main cylinder, decreasing of capacity of air compressor and decreasing opening pressure will reduce the opening times of air compressor and can meet the demand of train air consumption. In order to ensure that the starting of air compressor is not more than 30 times/h, the feasible ranges of the two parameters are given when one parameter is fixed.

train; locomotive; air supply ability; air compressor; air brake; air spring

1673- 9590(2017)06- 0019- 06

2017-01-13

中国铁路总公司科技开发计划资助项目(2015J007-0)

魏伟(1963-)，男，教授，博士，主要从事列车空气制动与纵向动力学的研究

E-mailweiwei43@163.com.

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