“复兴号”动车组供风系统及耗风设备匹配研究

2019-11-11金哲

铁道机车车辆 2019年5期

金哲

(1 中国铁道科学研究院集团有限公司机车车辆研究所，北京 100081；2 北京纵横机电科技有限公司，北京 100094)

“复兴号”动车组是具有自主知识产权的中国标准动车组，在供风系统和耗风设备的配置方面跟其他轨道车辆有较大的差异。目前，国内轨道车辆设计中严重缺乏供风及耗风设备的匹配研究，大部分凭经验设计供风系统和耗风设备，因此轨道车辆投入运营后，经常出现供风系统工作率过低，或者供风能力不足而影响车辆运营的问题。

在不同线路、不同运营阶段，轨道车辆的耗风工况千差万别。在车辆出库前，如果总风压力不足，供风系统必须快速给车辆充风，以便车辆按时投入运营，这就说明供风系统的供风能力越大越好，储风缸容积越小越好。在车辆运行和停站中，车辆的耗风量时大时小。如果耗风量较大，需要供风能力更大的供风系统和更大容积的储风缸，如果耗风量较小则反之。但是供风系统、储风缸为额定设备，不能根据运营中的耗风量实时调整供风能力和储风缸容积，因此在轨道车辆的设计阶段合理匹配供风系统、储风缸和耗风设备参数尤为重要。

1 供风系统和耗风设备组成及原理

图1是“复兴号”动车组的供风系统和主要耗风设备的组成示意图。“复兴号”动车组的制动系统、空气悬挂系统、空调系统、厕所、撒沙控制系统、踏面清扫器、升弓控制系统都采用气动控制方式，当车辆的空气压力不足时，将启动供风系统，并通过总风管向总风缸(3)、制动风缸(2)、辅助风缸(6)内充风，供耗风设备使用。

由于制动系统和空气悬挂系统与车辆安全有紧密联系，为制动系统和空气悬挂系统配备独立的储风缸，即制动风缸和辅助风缸。单向阀(1)分别防止制动风缸和辅助风缸的压缩空气逆流，优先保证制动系统和空气悬挂系统的用风需求。

1-单向阀;2-制动风缸;3-总风缸;4-溢流阀;5-制动缸;6-辅助风缸;7-减压阀;8-附加气室;9-高度阀;10-空气弹簧。图1 供风系统及耗风设备组成示意图

当总风压力超过溢流阀(4)开启值时，总风缸向辅助风缸和空气悬挂系统供风。为了防止异常情况下空气弹簧压力过高，空气悬挂系统的上游设置一个减压阀(7)。在车辆运行或进站乘客上下过程中，由于车体载荷分布或车体载荷的变化，车体高度会发生变化。此时，高度阀(9)将打开阀口向空气弹簧(10)及附加气室(8)充风或排风，使车体保持一定的高度。

除了制动系统和空气悬挂系统外，厕所、空调系统等耗风设备都直接使用总风管和总风缸内储备的压缩空气。

2 数学模型的建立

2.1 供风系统模型

供风系统由电机、空气压缩机、干燥器、过滤器等部件组成，空气压缩机产生的压缩空气经过干燥器、过滤器后，因漏泄、机械效率等原因将损失部分供风能力。

作为冗余设计，每列车将配备多套供风系统，而且分为主供风系统和辅供风系统。因此主辅供风系统的输出流量QMR1和QMR2分别为：

(1)

式中，NAC1为每列车上的主供风系统数量；NAC2为每列车上的辅供风系统；QAC为空压机容积流量；ηAC为空压机干燥效率。

总风压力下降至主供风系统启动压力PAC1时，将启动主供风系统，如果总风压力继续下降至辅供风系统启动压力PAC2时，将启动辅供风系统。总风压力达到车辆的正常工作压力最大值PMR_Max时，空压机会停止工作，因此车辆的供风系统总输出流量QMR为：

PAC2≤PMR

PMR

2.2 空气弹簧及附加气室模型

由图1可知，附加气室是空气弹簧的扩大容积，与空气弹簧压力基本保持一致。乘客上下过程中，随着车体的变化，高度阀向空气弹簧和附加气室充风，保证车体高度不变。给一定容积的空气弹簧和附加气室充风时，标准大气压下所需的压缩空气容积VASH为：

(2)

通过高度阀给空气弹簧和附加气室充风的时间tLK为：

(3)

式中，PH为标准大气压力；P0为环境大气压力；PAS_k为k时刻空气弹簧压力；VAS为空气弹簧容积；VASAC为附加气室容积；NAS为每列车的空气弹簧及附加气室数量。

2.3 制动系统模型

制动系统的最终耗风设备为制动缸和制动控制装置与制动缸之间的管路，而制动缸是由一定容积和往返运动的活塞组成的作动器。在车辆运行过程中，将多次施加/缓解常用制动，有时还会施加紧急制动。当缓解制动时，制动控制系统将排出制动缸和管路内压缩空气。制动缸耗风量QBC和管路耗风量分别QBCP为：

(4)

式中，NBC为每列车制动缸数量；VBC为每个制动缸容积；PBC为制动压力；NBCP为每列车制动缸管路数量；VBCP为每个制动缸管路容积；jB为施加/缓解制动的次数；tR为车辆运行时间；tS为车辆停站时间。

2.4 高度阀模型

高度阀是根据空气悬挂系统上部的质量变化，调整空气弹簧内压力的气动部件。如果车重变化快，高度阀阀口全部打开如图2(a)，压缩空气从总风口(2)经过阀口(1)和节流孔(4)进入空气弹簧口(5)。如果车重变化缓慢，高度阀就缓慢打开阀口，阀口处形成圆环缝隙如图2(b)，缓慢向空气弹簧充风。

1-阀口； 2-总风口； 3-排风口；4-节流孔； 5-空气弹簧口。图2 高度阀内部结构

根据高度阀阀口变化原理，不同状态下的高度阀流量QL为：

(5)

式中，Cq为流量系数；A0为阀口通流面积；ΔP为阀口前后压差；ρ为空气密度。

2.5 其他耗风设备模型

(1)撒沙控制系统模型在轮轨黏着较差时，轨道车辆将在轨面和车轮之间适当撒沙，以提高轮轨之间的黏着性能。为了正常撒沙，在车辆运行过程中一直用压缩空气烘干沙箱内的沙子，而得到撒沙指令时，撒沙控制系统将用压缩空气吹出沙子。因此撒沙控制系统的耗风量QSR由沙子烘干期间的耗风量和撒沙时刻的耗风量组成。

(6)

式中，NS为每列车的撒沙装置数量；QS为每个撒沙装置的耗风量；tSR为持续撒沙时间；jS为车辆运行过程中撒沙次数；ND为烘干器数量；QD为烘干耗风量。

(2)厕所控制系统模型

按下冲厕所按钮时，控制系统将排出储存在厕所风缸内的压缩空气，以达到冲厕所的目的。在车辆的运行过程中，冲厕所耗风量QTC为：

(7)

式中，NTC为每列车的厕所数量；VTC为每个厕所风缸容积；PTC为冲厕所压力；jTC为车辆运行过程中冲厕所次数。

(3)升弓控制系统模型

升弓时，控制系统向升弓作动器内充入压缩空气，使之推动受电弓升起。降弓时，将排空升弓作动器内的压缩空气，因此产生压缩空气的消耗。升弓控制系统的耗风量QEF为：

(8)

式中，NEF为每列车的受电弓数量；VEF为每个升弓作动器容积；PEF为升弓压力；jEF为车辆运行过程中升降弓次数。

3 关键部件的数学模型校核

仿真分析中采用的供风系统排量、风缸容积、空气弹簧压力等静态参数都是理论设计值，因此需要通过车辆运行过程中的试验数据进行验证和校核。

表1是已投入运营的其他轨道车辆基本配置参数。为了提高仿真分析的准确性，通过已投入运营的其他轨道车辆型式试验数据和运行数据，对关键部件的数据模型参数进行了校核。

表1 基本配置参数

3.1 供风及空气悬挂系统模型校核

(1)静态仿真验证

供风系统和空气悬挂系统取表1的基本参数时，基于式(1)、式(2)计算了同时启动两台主辅供风系统后总风压力从0上升至800 kPa，空气弹簧压力从0上升至最小值的时间，并与型式试验结果进行了对比。表2是静态初充风时间的仿真结果和试验结果对照表。

由表2可知，仿真结果与试验结果的误差只有0.6%，表明供风系统模型和空气悬挂系统模型及相关参数可信。

表2 静态初充风时间 min

(2)动态仿真验证

轨道车辆运行过程中，各种耗风设备将投入工作，而且根据总风压力的变化启动主辅供风系统。图3是在23个站间运行过程中，车辆的供风系统工作状态及各压力变化数据。

由图3可知，由于每站的乘客变化不同，每站的空气弹簧压力变化也不同，而且80.7 min的运行及停站时间内，主供风系统和辅供风系统的启动时间分别为39.16 min和5.82 min。表3是23个站内空气弹簧压力变化率和主辅供风系统的工作率统计结果。

图3 车辆运行过程中供风系统工作状态及压力变化曲线

表3 空气弹簧压力变化率及供风系统工作率统计结果

根据表3统计结果，主供风系统工作率和耗风设备耗风量计算结果如表4所示，可见计算结果与实际运营统计数据基本一致。

表4 耗风量及供风系统工作率仿真结果

3.2 制动系统及风缸模型验证

当总风缸和制动风缸内压力达到750 kPa时，连续施加/缓解最大常用制动后，并记录风缸内压力下降至600 kPa时施加/缓解最大常用制动的次数。图4是根据式(4)计算的结果和实测值的对比曲线，实测和仿真结果基本一致。在超员工况下，可连续施加/缓解最大常用制动8次,而且每施加一次最大常用制动，总风压力16.8 kPa。

图4 连续施加最大常用制动次数与总风压力变化曲线

3.3 高度阀模型参数校核

高度阀入口充入700 kPa压缩空气，使高度阀分别处于快充和慢充阶段，并用流量计测试高度阀的流量。当高度阀模型分别取表5中的参数时，高度阀流量试验结果和仿真结果(如图5)基本一致，所采用的高度阀参数能真实反映高度阀实际特性。

表5 高度阀参数

4 供风及耗风设备匹配研究

4.1 供风系统排量的影响

(1)供风系统排量对动态耗风的影响

供风系统的动态工作率和“复兴号”动车组的初充风时间是相互矛盾，又非常重要的设计指标。通过供风系统的排量对工作率和初充风时间的影响分析，可求解使这两种指标达到最优值的供风系统排量。图6是选择不同排量的供风系统时，供风系统的动态工作率和初充风时间的仿真分析结果。

由图可知，供风系统排量由700 dm3/min增加为900 dm3/min 时，动态工作率和初充风时间分别降低了28.5%和29.5%，供风系统排量由1 300 dm3/min增加至1 500 dm3/min时，动态工作率和初充风时间分别降低了15%和15.8%。可见，小排量供风系统对动态工作率和初充风时间的影响远大于大排量供风系统，而且供风系统的排量对初充风时间的影响大于动态工作率。

图5 高度阀流量试验及仿真结果

图6 供风系统排量对动态耗风的影响

(2)供风系统排量对静态耗风的影响

空气弹簧压力是制动系统获取车重的唯一信号源，也是制动力分配的重要依据。上车的乘客剧增时，如果空气弹簧压力不能及时上升至跟乘客质量对应的压力，就会带来制动力分配错误，可能导致严重的行车安全问题。

图7是不同排量供风系统对空气弹簧压力上升速度的影响分析结果(蓝色系为总风压力曲线，其余为空气弹簧压力曲线，图8、图9同)。由图可知，48 s内空气弹簧压力由最小值450 kPa上升至512 kPa，同时总风压力由800 kPa下降至600 kPa。虽然主辅供风系统都已启动，但是空气弹簧压力的上升比较缓慢。仿真分析结果，空气弹簧压力由最小值上升至最大值650 kPa过程中，供风系统排量每增加200 dm3/min，空气弹簧压力上升时间缩短约9.5%，供风系统的排量对静态耗风有一定的影响。

图7 供风系统排量对静态耗风的影响

4.2 储风缸容积的影响

(1)储风缸对动态耗风的影响

供风系统的排量外，储风缸容积也是“复兴号”动车组的主要设计参数之一。车辆配置不同容积的总风缸、制动风缸和附加气室时，供风系统的工作率和初充风时间的仿真结果如表6所示。

表6中，总风缸或制动风缸的容积每增加250 dm3时，供风系统的工作率和初充风时间的最大变化量分别为0.8%和4.4%。相比之下，附加气室容积对供风系统工作率的影响稍微明显一些，但是最大变化量也只有1.5%和2.8%，可见储风缸容积对动态耗风的影响非常很小。

表6 储风缸容积对动态耗风的影响

(2)储风缸对静态耗风的影响

上车的乘客剧增时，不同容积的总风缸对空气弹簧上升时间的仿真结果如图8所示。总风缸容积每增加250 dm3时，总风时间下降至600 kPa的时间延长5 s左右，但是空气弹簧压力由最小值上升至最大值650 kPa过程中，空气弹簧压力上升时间最多可缩短19%，对静态耗风的影响很明显。

图8 总风缸容积对静态耗风的影响

图9是附加气室容积的变化量与空气弹簧上升时间的仿真结果。当“复兴号”动车组的附加气室总容积小于3 270 dm3时，附加气室的容积每减小250 dm3，空气弹簧压力的上升时间最多缩短3.7%，但是与3 520 dm3的附加气室容积相比，空气弹簧压力的上升时间缩短44%，其影响非常明显。

图9 附加气室容积对静态耗风的影响

4.3 动态耗风设备的影响

“复兴号”动车组运行过程中，有很多耗风设备在用风，但是总耗风量中各耗风设备的用风量占比各不同(如表7)。仿真结果表明，“复兴号”动车组中，厕所耗风量和漏泄产生的耗风量所占比例最大，各占20.8%，其次为撒沙系统耗风量和空气弹簧静态/动态耗风量，分别占18.8%和13.8%。常用制动、受电弓、车门和其他耗风设备的占比较小。