高速动车组供风系统建模与仿真分析

蔡 丽，杜群威，陈澍军

(1 华东交通大学，江西南昌330013; 2 唐山轨道客车有限责任公司，河北唐山063035)

高速动车组供风系统建模与仿真分析

蔡 丽1，杜群威2，陈澍军2

(1 华东交通大学，江西南昌330013; 2 唐山轨道客车有限责任公司，河北唐山063035)

以CRH3型动车组供风系统为研究对象，通过分析供风系统的工作原理和动车组耗风设备组成，建立了供风系统的仿真模型，并对供风单元和整车供风特性进行仿真。得到了供风单元的供风特性以及整车空气充风特性，研究结果与试验结果相符，满足设计使用要求。此研究方法为高速动车组供风系统的设计和匹配研究提供理论依据。基于AMESim软件建立的供风系统仿真模型，为动车组空气系统相关研究提供支持。

动车组;AMESim;供风系统;仿真

铁路制动系统一般采用压缩空气作为制动原动力，早期的供风单元选型都是根据现有数据或者经验选取已有的供风单元，很少对供风单元进行整体更改和改型，随着动车组速度的提高，高速环境下供风系统的大流量输出对部件的性能和部件之间的匹配性有很高的要求。传统的依据样机改进的设计方式已经不能满足现状，部件间的参数匹配会延长设计周期，还会造成人力、物力及财力的耗费，采用计算机虚拟仿真技术，对供风系统的充风过程进行建模，仿真整车的充风特性，以验证供风系统的性能，采用虚拟仿真技术改进供风系统设计流程。计算机数值模拟技术的突破性发展，气体流动理论的日益成熟，为铁路供风系统模拟研究创造了良好的条件，采用此技术不仅能够模拟设备供风特性，还能对整个空气系统进行供风量研究，同时还可以进行供风系统的匹配性研究。

1 供风系统工作原理

图1 CRH3型动车组空气系统功能图

图2 整车供风耗风设备组成

CRH3型动车组的空气系统功能组成如图1所示，从使用功能上将空气系统分为供风设备、耗风设备和储风设备，供风设备包括主供风单元、辅助供风单元，耗风设备包括制动控制、基础制动装置、撒沙装置、空气弹簧、厕所、风笛、门、空调等，储风设备包括总风缸、制动风缸、辅助风缸及升弓风缸［1］。CRH3型动车组有两个相同配置的单元组成，一个单元内的用风设备分布如图2所示，主供风单元位于IC03/06车上，供风量为1 300 dm3/min，主供风单元由主空压机、双塔式空气干燥器、精细滤油器、安全阀、单向阀及冷凝水收集器组成，主供风单元内部装有1 200 kPa和1 050 kPa两个安全阀，分别防止空压机高压损坏和总风管压力过高，主供风单元连接有125 dm3的总风缸。主供风单元通过总风管给整列车供风，工作压力为850～1 000 kPa。辅助供风单元安装在TC02/07车，在主供风单元无法运行且总风管压力低于受电弓升弓工作压力，受电弓无法升弓，此时使用辅助供风单元对升弓回路充风，保证列车在紧急情况下可以升弓。辅助供风单元的供风量为80 dm3/min，工作压力为800 kPa，出口处有900 kPa的安全阀，采用110 V直流供电。风缸模块由总风缸、制动风缸及辅助风缸组成，每辆车都安装有风缸模块，总风缸与总风管相连，容积125 dm3，制动风缸为125 dm3，上游通过单向阀与总风缸连接，下游连接制动控制单元，提供制动用风，辅助风缸提供厕所用风、风笛用风及车钩用风。

2 供风系统建模与仿真分析

2.1 供风部件原理分析

LMS Imagine.Lab AMESim是多学科复杂领域仿真平台，利用元件库里的基本模型可以进行一维化建模，对供风单元的组成和工作原理进行分析，建立其充风模型，而后建立整车的充风模型，仿真各工况下的压力变化数据，与供风系统设计指标和实际试验数据进行对比分析，去验证建模的正确性和方法的合理性［2］。

供风系统是列车行车安全的重要部件，风源系统配置及控制方式的好坏直接影响列车的安全性能。CRH3型动车组主供风单元的功能组成如图3所示，电动机驱动双螺杆压缩机进行压缩空气的输出，含有油、水的混合气体通过压缩机内的油气分离装置而分离出绝大部分的油，而后水分通过双塔式空气干燥器进行分离，分离出来的水进冷凝水收集箱，气体通过精细油气分离器而达到所要求的空气质量，通过总风缸输出到总风管供其他设备使用。压缩机原理如图4所示，外界空气经空气滤清器过滤后进入压缩机单元，空气滤清器上安装有真空指示器用于判断空气滤清器洁净状态，电动机驱动的双螺杆压缩机头将过滤后的空气进行压缩，此时由于气体与油在螺杆旋转过程中产生热量，升温后的油气混合物从压缩机机头进入储油池进行初步冷却，混合物中的大部分润滑油落入油池中，气体通过集油器进一步分离润滑油，而后经过空气冷却器输出。在压缩过程中用于密封、润滑和散热的油通过控油单元再次被导入压缩机单元。根据油温去调节的控油单元内调节器位置，在油温低于85℃不进行油冷却，在油温超过85℃时，通过控油单元动作，将散热回路串入到供油回路中，当压缩机运行温度超过115℃后，保护系统切断压缩机供电线路。

图3 主供风单元功能图

图4 空气压缩机原理图

辅助供风单元安装在TP车车下，当辅助变流系统失电时主供风单元无法工作，此时如果升弓风缸内的压力过低就需要辅助空压机启动为受电弓升弓供风。

2.2 部件建模

根据主供风单元的特性分析，搭建主供风单元的热交换充风模型，如图5所示，将压缩机产热模型简化为单纯对气体加热，而后通过传热器将热量传递给润滑油，使其温度上升，吸收热量后的润滑油进入散热器进行热交换，通过监测润滑油的温度确定散热器通风电机以及压缩机的起停，当温度达到85℃时冷却风扇开始强制散热，使冷却油温度下降，如果由于系统故障，冷却油温度继续上升，当温度超过115℃后，控制回路切断压缩机供电［3］。

图5 主供风单元热交换供风模型

辅助供风单元采用单活塞压缩机，其模型如图6所示，由蓄电池供电的110 V直流电机带动曲柄转动，在连杆的带动下，活塞在活塞缸内往复运动，在充排气口有规律的开闭下实现空气的压缩。

图6 辅助供风单元充风模型

图7 整车充风模型

在主供风单元和辅助供风单元模型的基础上，根据整车主要储风、耗风设备的组成，建立整车充风模型，由于列车空气系统布置是对称的，建模时只对前4辆车建模，如图7所示，给厕所供风的辅助风缸和空气弹簧充风管路上装有顺序阀，设定开启压力为670 kPa，因此在充风时供风系统优先向总风缸、制动风缸以及给风笛供风的辅助风缸供风，这是因为空气系统设计时首要保证制动用风，行车时，司机必须鸣风笛才可以动车，首先向风笛供风可以缩短动车组运行准备时间，保证紧急情况下最短时间出库，同时在救援情况下可以减少压缩空气不必要的耗费。

2.3 部件仿真

辅助供风单元由于活塞的往复运动，其供风曲线如图8所示，在辅助空压机空气出口存在压力脉动现象，其充风压力变化近似为一条曲线，但对其局部放大即可得到真实的压力变化情况:辅助供风单元输出压力呈阶梯状上升，这是由于活塞的往复运动导致活塞排气塞门规律的开启和关闭造成的压力阶跃现象。

图8 辅助供风单元供风压力曲线

根据整车运用确定供风系统的充风指标为:(1)记录两组主空压机工作时，总风缸压力由0 kPa上升到1 000 kPa的时间小于20 min;(2)切除空气弹簧后，记录两组主空压机工作时，总风缸压力由0 kPa上升到1 000 kPa的时间小于12 min;(3)切除空气弹簧和为厕所供风的辅助风缸后，记录两组主空压机工作时，总风缸压力由0 kPa上升到1 000 kPa的时间小于9 min; (4)启动辅助供风单元，升弓风缸压力从0 kPa上升到800 kPa的时间小于3 min30 s。

根据整车供风工况对主供风单元的供风能力进行仿真，仿真结果如图9所示，充风开始时总风缸压力上升，当总风缸压力到达670 kPa时，给厕所供风的辅助风缸和空气弹簧充风管路上的顺序阀开启，空气弹簧充风到高度阀水平后保持平衡，压力不再上升，辅助风缸压力达到670 kPa时与总风缸一起充风，充风时间为1 122 s。当切除空簧回路后进行仿真，充风时间为620 s。当切除空簧回路和厕所供风辅助风缸后进行仿真，充风时间为529 s。

当总风管无风时，使用辅助供风单元对受电弓进行充风，模拟此工况下辅助供风单元供风能力，仿真结果如图9所示，充风时间143 s。将仿真数据和设计指标、实际试验数据进行对比:仿真结果与实际试验结果相一致，且符合设计指标，见表1所示。

图9 主供风单元充风仿真曲线

当动车组处于救援模式时，通过单管机车对动车组进行充风，此时机车列车管与被救援动车组列车管相连，通过打开动车组头车车底设备箱内的充风塞门，使列车管通过单向阀向总风管充风，列车管最高压力为600 kPa，假设机车列车管供风能力为1 500 dm3/min，此时由于顺序阀的作用，给厕所供风用风缸和空簧无法充风，此工况下的仿真结果如图10所示，充风时间580 s。

图10 单管供风充风仿真曲线

3 结束语

本文对CRH3型高速动车组空气系统进行建模和仿真。按照 CRH3型动车组空气系统的组成，采用AMESim软件对供风系统进行建模，并进行了主、辅供风单元的模型搭建和仿真，在此基础上搭建了整车的充风模型，完成了主供风单元的充风仿真、辅助供风单元充风仿真，得到的仿真结果与实际试验结果相符，验证了模型建立和仿真方法的正确性、合理性，进而进行了单管机车救援模式下的充风仿真。对供风系统进行仿真模拟分析研究，为空气系统研究提供了一条新的研究途径，可以大大缩短产品的开发周期，提高系统的匹配性。

［1］ 杨伟君，李邦国，范荣巍，等.和谐号动车组风源系统及其管理［J］.铁道机车车辆，2011，31(5):55-60.

［2］ 付永领，齐海涛.LMS Imagine.Lab AMESim系统建模和仿真实例教程［M］.北京:北京航空航天大学出版社，2011.

［3］ 李和平，杨伟君，金哲，等.高速列车制动系统气动仿真平台［J］.铁道机车车辆，2011，31(5):89-92.

Analysis of Modeling and Simulation for Air Supply System of EMU

CAI Li1，DU Qunwei2，CHEN Shujun2
(1 East China Jiaotong University，Nanchang 330013 Jiangxi，China; 2 CNR Tangshan Railway Vehicle Co.，Ltd.，Tangshan 063035 Hebei，China)

In this paper，CRH3 EMU air-supply system is taken as the research object.By analyzing the principle of air supply system and EMU wind equipment，the simulation model of air supply system is established，and the air supply unit and EMU air supply characteristics are simulated.The results fit well with experiment and the design requirements are air supply characteristics of air supply unit and EMU air charging characteristics.This method provides a theoretical basis for research and design of high speed EMU air supply system.Air supply system simulation model，which is based on AMESim software，provides support for related research of EMU air system.

CRH3;AMESim;air supply system;simulation

U266.2

A

10.3969/j.issn.1008－7842.2015.02.11

1008－7842(2015)02－0046－05

)女，硕士研究生(

2014－09－19)