（机械工程专业论文）高原低气压环境对列车制动系统性能影响仿真研究.pdf

摘要 摘要 青藏铁路是世界上海拔最高和线路最长的高原铁路，在其建设过程中遇到了许多从 未遇到过的难题。在高原列车的运用中同样存在着大量问题，其中制动能力问题是关系 到列车能否安全开行的重要因素。列车制动装置是列车安全运行最重要的部分之一，直 接影响着铁路提速和重载进程的实现。高原低气压环境对以依赖管路内气体变化的制动 系统将产生影响，进而可能影响列车制动调速能力。因此有必要对低气压环境下的制动 能力进行系统研究，为高原列车操纵提供依据与指导。利用列车空气制动系统仿真程序， 通过大量仿真计算，在计算机上仿真平原和高原环境大气压下制动系统特性，计算了长、 短列车在紧急制动时、大减压量常用制动时以及小减压量常用制动时的制动特性，发现 在紧急制动和常用制动时，大气压降低后低气压时的制动缸平衡压力都会有所增加，并 且大气压对制动系统初充气时间有较大影响。除仿真空气制动压力特性和空气制动系统 初充气及缓解特性外，还进一步仿真各种条件下的制动距离，并分析压力与制动距离的 变化规律，分析引起制动调速能力变化的原因，为青藏铁路安全运行提出建议。 关键词：铁路；气体流动；大气压；制动系统；仿真 大连交通大学工程硕士学位论文 a b s t r a c t q i n g h a i - t i b e tr a i l w a yi st h ew o r l d sh i g h e s ta n dl o n g e s th i g h l a n dr a i l w a y , a n dt h e r e w e r em a n yd i f f i c u l t i e sw en e v e rm e tb e f o r ei nt h ec o n s t r u c t i o no ft h i sr a i l w a y t h e r ew i l lb e a l s om a n yp r o b l e m si nt h er a i l w a yo p e r m i o n ，i nw h i c ht h eb r a k i n gc a p a c i t yo ft h et r a i n si sa n i m p o r t a n ti s s u e t h eb r a k ee q u i p m e n to ft r a i n si so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tp a r t so ft h es a f e o p e r a t i o n ，w h i c hc a nl i m i tt h ep r o c e s s i n go ft h e r e a l i z a t i o no ft h eh e a v yh a u lr a i l w a ya n d l l i g h - s p e e dt r a i n l o wp r e s s u r ea t m o s p h e r eo nt h ep l a t e a uw o u l da f f e c tt h eb r a k i n gs y s t e m w h i c hm a yc h a n g et h eb r a k i n ga b i l i t yo ft r a i n s oi ti sn e c e s s a r yt oi n v e s t i g a t et h eb r a k i n g s y s t e ma b i l i t yo ft h eb r a k es y s t e mi nl o w - p r e s s u r ea t m o s p h e r e ，a n dp r o v i d i n gt h eb a s i sa n d g u i d a n c ef o rm a n i p u l a t i o no ft h et r a i na th i g h l a n d u s i n gt h et r a i na i rb r a k es y s t e ms i m u l a t i o ns o r w a r e ，t h i si sb a s e do na i rf l o wt h e o r ya n d v e h i c l ec o n t r o lv a l v ep r i n c i p l e t h el o n gt r a i n sa n ds h o r tt r a i n sa r et a k e na st h es i m u l a t i n gt h e c h a r a c t e r so ft h eb r a k i n gs y s t e mo np l a i n sa n dp l a t e a u s 、v i t l lc o m p u t e r ，c a l c u l a t i n gb r a k i n g c h a r a c t e r i s t i c si nl o n ga n ds h o r tt r a i ni nt h et e r mo fe m e r g e n c yb r a k i n g , l a r g ed e c o m p r e s s i o n o ft h es e r v i c eb r a k i n ga n ds m a l ld e c o m p r e s s i o no ft h es e r v i c eb r a k i n g ，s o m e t h i n ga r ef o u n d t h a ti n t h ee m e r g e n c yb r a k i n ga n ds e r v i c eb r a k i n g 、) l ，i t l lt h ea t m o s p h e r i cp r e s s u r er e d u c e d ，t h e b r a k ec y l i n d e rb a l a n c ep r e s s u r ew i l lb ei n c r e a s e di nt h el o w - p r e s s u r ee n v i r o n m e n t ，a n d a t m o s p h e r i cp r e s s u r ew o u l dh a v el a r g ee f f e c to nt h ee a r l yi n f l a t a b l et i m eo fb r a k i n gs y s t e m i na d d i t i o nt os i m u l a t i o n st oc h a r a c t e r i s t i c so ft h ea i rp r e s s u r ea n dt h ee a r l yi n f l a t a b l ea n d r e l e a s eo ft h ea i rb r a k es y s t e m ，f u n l l e rs i m u l a t i o n su n d e rh a v eb e e nd o n ea b o u tb r a k i n g d i s t a n c ea l lc o n d i t i o n s t h er e l a t i o n s h i po ft h eb r a k i n gd i s t a n c ea n dt h ep r e s s u r ec h a n g e s ，a n d t h er e a s o n sf o rt h ec h a n g e so fb r a k es p e e dr e g u l a t i o nc a p a b i l i t yh a sb e e na n a l y z e d ，i no r d e rt o m a k es o m ep r o p o s a l so nt h es a f eo p e r a t i o no ft h eq i n g h a i - t i b e tr a i l w a y k e yw o r d s ：r a i l w a y ；a i rf l o w ；a t m o s p h e r e ；w a k s y s t m ；s k n u l a f i m 大连交通大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解太蔓銮通太堂有关保护知识产权及保 留、使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的 知识产权单位属太整交通太堂，本人保证毕业离校后，发表或使用 论文工作成果时署名单位仍然为太蔓銮通太堂。学校有权保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件及其电子文档，允许论文被查 阅和借阅。 本人授权太蔓銮通太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、 汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) ：嚣月彩 嘲p 刖莎百嗍： 年 日 篡善纛差款l 慨”印于 黧i 絮豁l 11蒜_ 7 篇篆终缴国幽饥，幽蝴c v l ：“以g 电子信箱：毗叫，痧函嘭饥纵 大连交通大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导辉指导下进行的研究工作 及取得的研究成果峥尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢及参考 文献的地方外，论文中不包含他人或集体已经发表或撰写过的研究成 果，也不包含共获得盍整銮翌太兰或其他教育机构购学位或证书霭 使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在 论文中作了明确的说明并表示谢意。 本人完全意识到本声明昀法律效力，申请学位论文与资料著有不 实之处，由本人承担一切相关责任。 学位论文作者签名： 蔓_ 闼乞 嚣裳：矽钏蔑 疆 绪论 绪论 西藏自治区地处祖国西南边陲的青藏高原，面积1 2 2 万平方公里，平均海拔4 0 0 0 米以上，有“世界屋脊”、“地球第三极”之称 1 9 7 4 年5 月，青藏铁路西宁至格尔木段( 简称“西格段”) 开始全线施工，1 9 8 4 年5 月建成并交由兰州铁路局运营，这是青藏铁路的一期工程。由于当时经济实力和高原冻 土等筑路技术尚未解决，青藏铁路二期工程格尔木至拉萨段( 简称“格拉段”) 没 有继续修建。2 0 0 1 年2 月8 日，国务院批准建设青藏铁路。青藏铁路二期工程东起格尔 木，西至拉萨，全长1 1 1 8 公里。青藏铁路是世界上海拔最高和线路最长的高原铁路。 海拔4 0 0 0 米的地段有9 6 5 公里，最高点唐古拉山口为5 0 7 2 米。 举世瞩目的青藏铁路，具有其独特的政治意义，经济意义，旅游意义和环保意义。 中国各省区均通了铁路，唯有西藏尚无铁路，西藏是个敏感地区，常有一些别有用 心的人打着人权的幌子，挑拨事端，制造谣言，鼓吹“藏独”。自五十年代起，内地对西 藏的援助有目共睹。先是修建川藏、青藏公路，二是修建拉萨机场，三是援助西藏资金、 物资。四是选派优秀干部到西藏任职等。铁路修建至拉萨，无疑对藏族人民是个莫大的 支援和鼓舞，对加强民族团结、巩固边疆稳定都有重大的政治意义。 西藏自治区是目前我国唯一不通铁路的省级行政区。交通运输设施的落后，已经严 重制约了这一地区经济、社会的发展，使之成为我国主要的贫困地区之一。随着西部大 开发的实施，运往西藏的物资大幅度增加，西藏原有的以青藏公路为主体的运输通道无 论从运能、运量上，还是从运输的快捷、方便上，都远远不能满足经济发展的迫切要求。 建设青藏铁路，是克服目前的交通“瓶颈”，加快青海、西藏两省区经济发展，促进西部 大开发的客观需要，修建青藏铁路已是势在必行。 铁路的运输能力是任何一种交通方式都无法比拟的。青藏铁路一期工程( 西宁至格 尔木段) 建成运营十多年来，已成为开发青海柴达木盆地及推动青、藏两省区经济发展 的主要交通线路。它促进了青海钾肥厂、锡铁山铅锌矿、青海铝厂、青海油田、格尔木 炼油厂、茫崖石棉矿和龙羊峡、李家峡两座大型水电站等一大批大中型项目的建设和发 展，为青海4 6 0 万各族人民脱贫致富和现代化建设打下了坚实的基础；同时也为西藏的 开发发挥了重要作用，现在进藏物资的8 5 以上都要通过格尔木来转运。续建青藏铁路， 将极大地提高综合运输能力，从根本上改善两省区的交通条件和投资环境。 青藏高原具有海拔高、气压低、温差大、风沙大、坡道大、辐射大、缺氧、高寒等 特点。自然条件恶劣，线路条件独特。因此，青藏铁路建设具有其特有的特殊性。 高原冻土、高原生理、环境保护，这是青藏铁路建设面临的三大世界性技术难题。 青藏铁路所经地带与我国湖北省大致相同，纬度低，加上高原大气透明度强，阳光 强烈，冻土十分敏感。路面吸热，下部冻土热融，路基下陷，形成波浪式的轨面。铁路 大连交通大学工程硕士学位论文 所经地带有高含冰冻土、深季节冻土、岛状冻土等，鼓起的冻胀丘高达1 0 多米。甚至 土的颗粒大小、含冰量多少，都会对铁路产生不同影响。 针对冻土问题，青藏铁路建设创造性地采取了相应对策：对于不良冻土现象发育地 段，线路尽量绕避；对于高温极不稳定冻土区的高含冰量地质，采取“以桥代路”的办法； 采用通风路堤、片石通风路基、热棒、铺设保温层等新技术、新材料、新工艺，提高冻 土区路基稳定性，保证铁路工程安全。 青藏铁路途经海拔4 0 0 0 米以上的地带长达9 6 0 公里。铁路最高点5 0 7 2 米。由于海 拔高、高寒缺氧，每个到这里的人，一般都会胸闷气短、头昏头痛、四肢无力、夜不能 寐。高原反应重的可能引发高原性肺水肿、脑水肿等各种高原病，危及生命健康。 因此铁道部提出：以人为本，保障健康。采用“快速通过高原，减少布点，减少定 员，减少劳动强度”的总体设计思路。目前已经投入使用的现代化机械设备近6 0 0 0 台套， 尽量减少高原施工人员和人的劳动强度，青藏铁路在施工设计上体现了以人为本的理 念。 青藏高原，世界的屋脊，“地球的第三极”。这里既是我国和东南亚地区的江河源， 也是世界山地生物物种的一个重要的起源和分化中心，有极具保护价值的珍稀濒危野生 动植物资源，是世界上仅有的独特生态环境系统，但其生态环境又十分敏感脆弱，受严 酷的气候条件影响，植被生长非常缓慢，一旦遭到破坏就很难恢复，被我国政府列为“中 国生物多样性保护行动计划”优先保护区域。青藏铁路环境保护，举世瞩目。 据悉青藏铁路全线用于环保工程的投资计划至少为1 2 亿元。青藏铁路的环保工作 有严密的制度保障。铁道部联合有关研究部门，共同对铁路建设范围内野生动物的栖息 和迁徙规律做了进一步调查，投资近2 8 亿元修建3 0 处野生动物通道。对高原植被的恢 复再造进行了实验室和现场试验，对于途中必须经过的草甸、灌丛地带，建设单位将投 资至少3 亿元进行植被移植养护。针对自然保护区生态环境及野生动物植物保护、生物 多样性、水土保持、冻土环境、景观环境、水环境及施工污染控制等进行研究，编制了 环境影响报告书，经路内外专家预审后，报国家环保总局和水利部做出了批复，并 层层签订环保责任书。监理单位每月向地方环保部门提出环保监理报告，每年向国家环 保总局提交环保监理总报告。 由于青藏高原特殊的地理环境低气压、缺氧、高寒、气候多变，给客车室内的 环境控制带来了很多困难。目前，密封、供氧、加压、采暖、空调、通风、污物处理等 技术难题基本得到解决。 青藏高原平均海拔4 0 0 0 多米，青藏铁路格尔木到拉萨段最高点在唐古拉山海拔达 5 0 0 0 米以上，大气压力只有6 0 - - 7 0 k p a 。由唐古拉山向拉萨和格尔木均为下坡，其中2 0 9 6 , 的下坡道长达数百公里，制动、调速和再充风的困难显而易见。另外，高原的低气压、 高寒、气候多变、风沙大的气候特点也将影响制动机功能的正常发挥，对空气压缩装置、 2 绪论 风源净化设备、制动缸都提出了新的要求；橡胶件在高寒环境下的气密性和寿命，闸瓦 和制动盘的维护及寿命都有待研究；机车司机制动操作规范有待探索和制定。 3 大连交通大学工程硕士学位论文 第一章空气制动系统仿真理论与制动技术的发展 列车制动装置是列车安全运行最重要的设备之一，直接影响着铁路提速和重载进程 的实现。青藏高原平均海拔4 0 0 0 多米，大气绝对压力只有6 0 7 0k p a ，低气压环境对 以依赖管路内气体变化的制动系统将产生影响，进而可能影响列车制动调速能力。因此 有必要对低气压环境下的制动能力进行系统研究，为高原列车操纵提供依据与指导。 至目前为止，低气压对制动系统的影响还很难开展系统性试验，一般的制动系统设 计理论还不能解决低气压环境制动系统能力变化问题。而基于气体动态流动理论的空气 制动系统仿真研究是唯一的研究低气压影响制动系统性能的手段。因此，本文以基于气 体流动理论建立的列车空气制动系统仿真为基础，通过大量仿真计算，在计算机上仿真 平原和高原环境大气压下制动系统特性，除仿真空气制动特性压力特性外，进一步仿真 各种条件下的制动距离，并分析压力与制动距离的变化规律，分析引起制动调速能力变 化的原因，为青藏铁路安全运行提出建议。 制动系统长期以来采用试验加经验的设计方法，多年来设计手段更新进展缓慢。随 着重载运输和高速铁路的开行，制动系统变得更加复杂，依赖传统方法开发制动系统的 难度不断增加。制动系统的复杂性，以及计算机计算能力的提升，促使人们转向模拟研 究，基于气体流动理论的空气制动系统模拟模型可以用来分析预测制动系统特性，优化 制动系统，为列车纵向动力学分析提供制动参数，因此受到人们越来越多的关注。美国、 日本、印度、意大利和中国相继开展了空气制动系统仿真模型开发工作。美国可以仿真 a b d 及a b d w 阀列车制动系统性能，模型中包含了较复杂的车辆阀模型，能够预测列 车空气制动系统特性【l 2 】。日本通过仿真了制动管路减压特性，并使用试验方法验证了 结果的正确性，但是模型中没有包含阀，还不能仿真列车制动性能【3 。5 】。印度在该领域 比较活跃，已经开发出印度使用的真空制动系统模型，能够预测真空制动系统特性【6 。1 0 】。 意大利开发了w e s t i n g h o u s eud i s t r i b u t o r 的各种车辆模型模块，使用m m l a b s i m u l i n k 环 境开发的列车模拟模型，可以在m m l a b s i m u l i n k 环境下，组集各种车辆组成的列车， 预测制动系统特性l l ，其主要不足是忽略了阀与各缸间的连接管，直接将阀与缸相连， 不能够分析管路参数对制动性能的影响。中国开发出列车制动仿真模型和单阀试验台仿 真模型坦_ 4 1 ，列车空气制动系统仿真模型能够仿真任意编组列车制动系统制动缓解及各 种工况转换性能，具有计算列车制动距离，也可以将计算结果直接导入到列车纵向动力 学分析程序中的功能，该套系统已经应用于高原低气压环境下列车制动能力预测【l5 1 。试 验台仿真系统可以仿真单阀在试验台上试验过程，已经应用在高原低气压对单阀试验性 能的影响【l6 j 和两种单阀试验台试验标准对比研究中【。 铁道部科学研究院的科研人员开发出模型，可以仿真列车初充气过程。大连交通大 学制动仿真课题组开发出的列车制动仿真和试验台仿真系统，能够模拟任意编组列车的 4 第一章空气制动系统仿真理论与制动技术的发展 紧急制动、常用制动、缓解、初充气等各种实际工况。 美国、印度、意大利的研究中气体流动过程假设为等温过程，考虑到制动过程都是 在很短的时间内完成，剧烈的气体压缩膨胀可能会使气体温度发生变化，因此，本文并 没有使用等温假定，而是假定气体流动为不等熵、有热传导、非稳定流动 1 1 气体流动基本理论 列车空气制动系统是由一系列空气管路和安装于每个车辆上的气动部件提供的压 力变化实现列车调速和停车功能。因此空气制动系统仿真的核心是空气管路内和各缸室 的气体动态过程的计算和气动部件的瞬态动作过程计算。 气体动态流动过程的计算主要包含两部分内容，一部分是管路内气体流动的计算， 另一部分是各缸室的气体压力计算。 在管路内气体流动计算时，根据管路直径远小于管长度，忽略气体状态沿管路径向 的差异，同时在计算中考虑气体流动时与管内壁的摩擦，管内气体流动假设为一维、有 摩擦、不等熵非稳定流动。气体在管路内流动满足气体流动连续方程、动量方程和能 量方程。 根据管内气体流动连续方程、动量方程和能量方程，推导出用流速、压力、温度、 密度等气体状态参数描述的管内气体流动方程，方程如下【2 l 】： 望+ p o u + 坐+ 一o u d f ：o o to xo xfd x 丝+ 坐+ 三望+ 笪生兰：o o to x po x d2u 害+ “罢一口2 鲁一口2 “_ _ 锄_ 、，- ，尸、叮一4 。fu 2 2i 玎u ，= 。 。， 公式中参数意义如下：a ：音速，p ：压强，p ：密度，u ：流速，t ：时间，x ：距离，f 内壁摩 擦系数，d ：管内径，f ：管横断面积，k ：比热比，q ：单位时间单位质量传递的热能。 气体流动方程组是偏微分方程组，无法求得解析解，需借助于具有高速计算能力的 计算机求出数值解。本文采用特征线方法求解气体流动方程，利用特征线方法求解方程 数值解的过程如下：首先在特征方向将偏微分方程组转化为常微分方程组，利用当前气 体状态和气体流动依赖区大小，求出当前时刻最大时间步长，再求得经过最大时间步长 后气体状态，循环往复，直到指定的计算终止时间为止。 另一类比较重要的计算是缸内气体压力的计算，缸内气体状态假定为滞止状态，既 气体在缸内没有流动速度，主要考虑到尽管缸内有气体流入流出，但是每次流入流出量 和缸内气体总量相比很小，故假设缸内气体为滞止状态。 阀内移动部件的计算是根据每一个移动部件两侧瞬时压力、移动部件有效面积、质 5 大连交通大学工程硕士学位论文 量、作用其上的弹簧作用力和摩擦力等所有受力，确定移动部件移动状态。1 2 0 车辆阀 部分主要包括主阀作用部、减速部、局减阀、加速缓解阀，紧急二段阀，半自动缓解阀， 紧急阀等几大部分组成。每一部分都是根据实际结构的相关压力，弹簧弹力，勾贝有效 面积等参数确定流通通路与通路面积，再计算此流通面积下制动系统内气体的流动。 根据每时刻阀内移动部件的位置，可以确定各缸及管路的连接方式，如主阀处在制 动位时，与阀状态相关的连接状态( 副风缸与制动缸连接通路) 有副风缸与副风缸管连 接，副风缸管与主阀上腔相连，主阀上腔与制动缸管相连，制动缸管与制动缸相连，这 些通路有一种相同的边界条件，即缸与管相连边界。还有许多通路和此相似。此外，还 有许多连接方式与阀内状态无关，如主管和支管连接边界，尾车主风管封闭端，机车排 气管的部分开口端，软管连接器等连接方式。 气体流动边界计算中主要有管路分支边界( 模拟多管相连，如3 通等) 、管路封闭 端边界、管路与缸连接边界( 用于模拟缸与管相连) 、部分开口端( 喷嘴) 边界( 主要 用于模拟管路中气体排入大气) 、有绝热压强损失的装置( 用于模拟软管连接器) 等。 计算各种缸或室内空气压力时，忽略制动缸勾贝伸出过程的做功，并忽略制动缸热传导。 认为每一个缸室都是定容积开口系统，根据热力学第一定律列出每缸的能量守恒方程。 本文的工作就是分析列车制动系统在大气压变化后的制动能力变化规律。主要针对 青藏铁路高原低气压环境的制动问题开展研究，以期为高原铁路列车编组方案、车辆运 营管理提供参考数据。 1 2 制动距离计算基本原理 首先利用仿真程序计算每一个时刻的每车辆的制动缸压力。计算制动后t 到t + 址时 刻的行走距离，按如下方法计算： 1 根据式( 2 2 ) 计算闸瓦压力。 k ：麴 仇1 0 6 ( 1 2 ) 其中d ，为制动缸直径，p ，是制动缸内气体压力，r ，基础制动装置计算传动效率， 此处取0 9 ，厂：是制动倍率，刀：是每辆车制动缸数，仇是每辆车闸瓦数。当制动仿真计 算出制动缸压力后，带入式( 1 2 ) 就可以求出各车辆瞬时闸瓦压力k 。 2 根据选定的闸瓦种类计算每辆车当前时刻闸瓦摩擦系数，如中磷闸瓦摩擦系数计 算由式( 1 3 ) 计算，可选择的闸瓦种类有4 种，包含中磷闸瓦、高磷闸瓦、低摩合成闸 瓦和高摩合成闸瓦。每种闸瓦摩擦系数均引用“牵规【2 2 】，中计算公式。 中磷闸瓦摩擦系数计算公式为： 仇：0 6 4 祟黑3 6 v 而+ 1 0 0 + 0 0 0 0 7 ( 1 1 0 一) (13)1001 4 ” 5 k + v + 1 0 0 ” 第一章空气制动系统仿真理论与制动技术的发展 式中k 为闸瓦压力，1 ，为当前速度，v o 为制动初速度。 3 根据闸瓦压力和摩擦系数计算闸瓦摩擦力，即每辆车的制动力。在计算闸瓦摩 擦力时，同时计算最大粘着力，如果闸瓦摩擦力大于最大粘着力，以最大粘着力作为制 动力进行计算。 f 励= k 幸仇 ( 1 4 ) 4 计算货车运行阻力e ，运行阻力包括单位基本阻力和坡道附加阻力。单位基本阻 力即车辆每吨重量对应的阻力，它分为滚动轴承重车，滑动轴承重车及空车等，所有算 式均引自牵规【2 2 】，o 滚动轴承重车单位基本阻力计算如式( 1 5 ) 所示。单位坡道附加阻 力等于坡道坡度的千分数，如式( 1 6 ) 所示。 w o = 0 9 2 + 0 0 0 4 8 v + 0 0 0 0 1 2 5 v 2 ( 1 5 ) w j = f ( 1 6 ) 式中1 ，为速度，f 为坡道千分数。 5 求得每辆车的制动力、运行阻力后就可以计算整列车制动力和运行阻力，即整列 车受力f 。由( 1 7 ) 式计算列车总的列车制动力b ，由式( 1 8 ) 计算列车运行阻力。 由式( 1 9 ) 计算出时刻的加速度a 。由式( 1 1 0 ) 计算出时间段列车行走距离。 尼= ( 1 7 ) i = l 凡= 所( “+ w f ) ( 1 8 ) f = 一( 兄+ e ) = m a ( 1 9 ) s = l & - v 0 2 ) 式中历列车质量，1 ，为a t 时间段末速度，v o 为址时间段初始速度， 将停车前的所有列车行走距离s 出叠加，得到制动距离s 。 各种计算结果的准确性已经与文献【2 3 1 中的各种结果进行了比较。 ( 1 1 0 ) 刀为车辆数。 1 3 车辆制动技术的发展 随着国民经济增长，铁路制动技术发展迅速。尤其是改革开放以来，为适应重载、 高速运输的需要，制动系统逐渐采用了各种新技术，微机控制等高新技术的应用亦已普 遍，成绩显著。 7 大连交通大学工程硕士学位论文 解放前，由于我国铁路车辆来自各帝国主义国家，制动装置必然十分繁杂，一般是 美国西屋空气制动系统的产品。客车大多为p m 型和l n 型制动机，东北和上海地区尚 有少量日本国铁a v 型制动机；货车则以k 1 、l q 型制动机为主，其他则为q a 、q s l p 、 h 、q s h u 等杂型阀。当时尚有9 0 0 0 多辆车未装备空气制动机。 经过整整5 年的整修和改造，于1 9 5 6 年底基本已在全部车辆上装备了空气制动装 置，并逐步淘汰了各种杂型阀。 1 9 5 4 年8 月，由苏联专家作了苏联研究制动机情况和经验的介绍。会议作出了2 个决定：( 1 ) 选定以苏联m t 3 1 3 5 阀作为新制动机发展方向，但尚需经过混编试验，最 后再定；( 2 ) 对旧有k 型阀改进，增设空重车位，以提高重车制动率。 解放初期，百废待兴，国内车辆生产能力不足，一部分专用车辆，如罐车和保温车 都依赖进口解决。因此，国外各种制动机随之进入国内，例如：早期苏联的马氏阀 ( m 一3 2 0 、m t 3 一1 3 5 ) ，后期德国的h i k 型或k e 型制动机，客车的q a 型等。 按照1 9 5 4 年制动会议决定，1 9 5 6 年哈尔滨车辆段在6 0 辆罐车上改装m t 3 1 3 5 阀，在大连北站进行专列和k 型阀混编静止试验。同时，由齐齐哈尔车辆厂引进整套图 纸、工艺和装备，试生产的1 3 5 阀在m l l 车上安装使用。 随着5 0 t 以上新造货车的投入运用，由于k 型阀缺乏空重车位，重车制动力严重不 足，只能安装2 套k 型阀解决，加上马氏阀( 1 3 5 阀) 引进终止，大连制动会议提案之 改造k 2 、加装降压气室的方案旧事重提。1 9 5 6 年，由当时制动委员会指示，由 当时的大连铁道研究分所( 1 9 5 9 年后为四方车辆研究所) 和齐厂共同着手研制，设计中 在旧方案基础上增添了紧急三阶段上升性能，并在降压气室上增设了安全阀。试验结果 表明，在一定程度上提高了制动波速，并达到了提高重车制动率的目的。1 9 5 8 年部组织 审查，1 9 5 9 年起逐步在新造货车上全面推广，改名为g k 阀。 l 3 型三通阀的主要缺点是紧急制动性能不可靠，当车辆编组大于8 辆时，全列车 就不能正常传播紧急作用。四方车辆研究所、天津机车车辆机械厂在原l 3 阀基础上将 紧急部结构改为直接排大气式，同时对滑阀常用孔和紧急孔作了相应修改，提高了紧急 灵敏度和传播能力，改名为g l 3 型阀。1 9 6 6 年部进行鉴定，同意正式投产逐步取代原 l 3 阀。 6 0 年代初，铁道部指示铁道部科学研究院与齐厂搞空气制动。其技术要求为：( 1 ) 二压力机构控制；( 2 ) 2 i i 装中继阀以设空重位( 原要求手动、三级，后改二级) ；( 3 ) 常用 和紧急分开设置；( 4 ) 采用s 型橡胶膜板和滑阀结构；( 5 ) 紧急制动波速应在2 5 0 m s 以上。 经过一系列试验和扩大考验。测得各项性能基本符合条件，但其紧急波速仅为 2 3 0 m s ，未能达到设计要求。由于客观原因，直到1 9 7 8 年才由铁道部组织鉴定，同意 扩大装车，定名1 0 3 型空气分配阀。 1 9 6 8 年，为了解决旅客列车不起紧急，铁道部指示在1 0 3 阀基础上研制客车阀，方 8 第一章空气制动系统仿真理论与制动技术的发展 案中取消减速部，增加紧急增压作用。经上海、广州两局试用，获得好评，又通过8 个 路局装车考验，1 9 7 5 年由铁道部组织鉴定，决定在全路推广，定名1 0 4 型客气分配阀。 改革开放以来，货运量猛增，运量与运能矛盾日益突出，开行重载列车是解决矛盾 的好办法。大秦铁路预定开行万吨列车，1 0 3 阀不能满足需要。原拟引进的美国a b d w 或德国d & “o 阀，在室内试验中发现问题，铁道部决定终止引进工作。1 9 8 9 年起，重 又由铁科院与眉山车辆厂研制新阀，目标为满足万吨重载列车制动要求。 新阀设计中保留了1 0 3 阀原有优点，吸取了国外制动机的先进经验，全面调整了参 数。采用直接控制，以缩小风缸容积来适应重载列车要求。在原紧急部增设先导阀以提 高紧急波速。新设置加速缓解阀和l l l 风缸达到加速缓解目的，效果明显。又新设置了 半自动缓解阀以方便使用。为适应今后压力保持操纵，新阀滑阀上增设呼吸孔，作为技 术储备。试验结果令人满意，各项指标达到了8 0 年代国外先进制动机水平。1 9 9 3 年通 过铁道部鉴定，决定在全路推广。1 9 9 4 年起在新造货车上全面安装，定名为1 2 0 型空气 控制阀。1 2 0 型空气控制阀作为国内货车主阀在新造车和检修车上全部装用。目前我国 绝大部分货车使用1 2 0 型空气控制阀。 1 3 1 f 氏气压环境下制动系统研究现状 青藏高原是世界上海拔最高、线路最长的高原铁路。最高处为5 0 7 2 米，高原区段 线路长度达9 0 0 余公里。在铁路建设史上创造了许多奇迹。国外曾有高原铁路，但是都 局限在很短的线路上，通过高原时间很短，高原影响还没有发生作用时，列车已经回到 平原地带，因此，一般情况下高原环境影响很小。而我国青藏铁路，一般列车在高原区 段运行至少要1 0 小时以上，列车会出现和人类类似的“高原反应”，将会发生许多列车 设备不适应高原气候的现象。因此，在如此长度的高原铁路上将会有许多运用中的问题 需要解决与进一步的完善。总所周知，铁路的制动系统依赖空气流动实现制动信号的传 递与列车的速度控制，制动系统人称车辆的心脏，是确保列车安全运行的重要设备。制 动系统主要依赖于气体流动，其功能的正常作用与大气压力直接相关，对于高原铁路在 低气压环境下制动系统性能如何变化，国内外没有开展任何系统研究工作，许多工作有 待于进一步研究与探索。尽管国内已经开行青藏列车，但是制动系统能力如何变化一直 没有开展系统试验研究，低气压环境下常用制动能力、紧急制动能力如何变化，怎样影 响列车运行仍然不明，因此有必要系统开展高原低气压环境下列车制动能力变化研究工 作，为青藏列车安全正点开行，行车调度安排，列车事故分析具有指导意义。 由于高原地区制动系统实验的费用高及实验周期长的问题，目前条件下开展系统试 验研究还有一些难度，而制动仿真系统可以克服上述试验难点，具有实验周期短，费用 低，能对每一个可能影响制动特性的单一因素进行分析，能为制动问题解决提供数值优 选方案，极大的减小实验方案数目，避免实验中各种因素相互影响，实验结果离散的问 题。 9 大连交通大学工程硕士学位论文 制动系统依赖于空气流动实现制动系统性能，准确地讲，制动系统就是一套复杂的 气动部件，他依据气体流动特性实现各种部件的动作，从而形成制动系统的功能。因此 制动系统仿真核心就是计算气体流动过程，及计算气动部件动作过程。制动系统中气体 流动过程属非稳态流动，非稳态流动比稳态流动计算难度增加很多，许多制动理论目前 只能计算稳定流动，得到稳定后平衡压力，忽略动态变化过程，而实际上制动系统发挥 作用恰好是在非稳态过程中发挥作用的，仿真方法为计算制动系统内非稳态过程提供了 手段。 目前，开展制动系统仿真的国家有美国、日本、印度、意大利和中国。美国从上世 纪7 0 年代开始制动系统仿真研究工作，到目前为止，他们能够仿真a b d 及a b d w 阀 组成的列车制动系统特性，能够较好的预测列车制动系统特性。但是其模型中只描述了 列车管和各种风缸，对于各缸与阀间的连接管路没有清晰的描述，对于阀内移动部件的 动作原理及移动条件没有较好的描述。因此使用该系统预测列车制动系统整体性能可 行，但是用于车辆制动系统中管路部分设计、布局则存在不足，同时缺乏分析分配阀内 部弹簧、勾贝、阀内容积等对制动系统影响的功能，不能用做分配阀系统的设计及改进 的工具。美国制动系统研究主要针对美国的分配阀结构，而我们的制动系统使用1 2 0 阀， 因此不能将其成果用在我国的制动系统设计与性能预测当中。印度在制动系统仿真工作 中做了大量的工作，研究比较活跃，曾开发成功带有可变制动缸容积的真空制动系统仿 真系统，该套系统以真空制动系统为模型化目标，不能直接用于我国的制动系统仿真工 作。日本曾开发出管路动态仿真系统，预测了列车管减压特性规律，并且开展了对应的 实验研究工作，研究了对应机车位置的列车管前端部排气口开口面积和列车管减压特性 的研究工作，预测与实验吻合很好。但是日本的研究工作相对来讲不能算作制动系统仿 真，因为在模型中没有包含任何阀与缸，只是管路系统的仿真工作。中国有大连交通大 学和铁道部科学研究院开展了制动系统仿真研究工作。铁道科学研究院开发出的模型可 以仿真列车初充气过程，还不具备其他复杂工况的仿真工作。大连交通大学开发出4 套 仿真系统，分别是1 2 0 阀列车仿真系统、1 0 4 阀列车仿真系统、f 8 阀列车仿真系统及 7 0 5 试验台单阀试验过程仿真系统。 列车仿真系统能够仿真列车性能，包含组合列车性能。可以预测j z 7 大闸所有位置 的制动缓解工况，如各种减压量的常用制动、紧急制动、初充气、制动后缓解，以及上 述各种工况间的转换，可以仿真可种可能的制动或缓解过程。可以仿真组合列车，最多 可以有4 个位于列车中不同位置的机车施加的各种制动( 缓解) ，每个机车指令可以同 步也可以有一定的滞后。并且实现了制动仿真特性直接引入到列车动力学仿真中的功 能。单阀试验台仿真系统可以仿真1 2 0 阀在7 0 5 实验台上除漏泄以外的所有试验，也可 以仿真部分新1 2 0 试验台试验过程。试验台仿真模型中可以分析计算不同容积风缸匹配 问题，研究阀内弹簧及各种勾贝参数对试验性能的影响。 1 0 第一章空气制动系统仿真理论与制动技术的发展 到目前为止，大连交通大学的模拟研究系统已经应用到许多研究工作当中，成功的 计算了列车管减压特性，分析了影响列车管减压速度的各种因素。成功的预测了2 组合、 3 组合和4 组合条件下2 万吨列车常用制动和紧急制动特性。研究了紧急制动临界长度 问题。研究了高原低气压条件下单阀试验性能的变化，通过仿真研究提出了缩短初充气 试验的方法。现在正在使用仿真系统开展小容积风缸试验标准和低温条件下单阀试验性 能变化规律研究中。 利用空气制动仿真系统研究低气压对制动性能的影响，目前只有我们课题组开展了 研究工作。本文就是使用仿真系统仿真以1 2 0 阀为车辆控制阀的列车制动系统特性，分 析低气压环境对制动系统性能的影响规律，为高原列车制定运行、检修政策提供依据。 本章小结 本文仿真计算所利用列车空气制动系统仿真程序就是基于上述气体流动理论，以空 气管路内和各缸室的气体动态过程的计算和气动部件的瞬态动作过程计算为核心，模拟 1 2 0 阀组成的列车空气制动系统特性，预测1 5 0 辆以内编组的列车制动性能，分析各种 参数对制动性能的影响。可以用于分析阀内动作过程和动作条件、发生时间，探讨和分 析制动系统异常过程的发生原因和改进措施。并且根据制动距离计算基本原理，进一步 仿真各种条件下的制动距离，并分析压力与制动距离的变化规律，分析引起制动调速能 力变化的原因，为青藏铁路安全运行提出建议。 大连交通大学工程硕士学位论文 第二章空气制动系统仿真模型及仿真结果的有效性 空气制动系统是列车的重要组成部分，在列车提速和重载运输的发展趋势下，其作 用越来越重要。无论是高速列车、提速客车、快运货车还是2 万吨货运列车等涉及我国 铁路的几个重大事件，制动系统都作为重要部分，预以特殊的设计，甚至许多重大工程 就是以制动系统设计为核心内容，如2 万吨重载列车制动系统性能就是列车能否成功运 行的主要限制因素。可见随着列车提速和重载化，制动系统的作用越来越重要。 我国的列车制动以压缩空气制动为主，压缩空气在系统中一方面传递控制信号，另 一方面提供制动动力，少量的提速客车安装了电控制的空气制动系统。制动系统中核心 是气体流动，在制动和缓解等过程中的气体流动是非稳定流动，获得气体非稳定流动的 状态，就是掌握的制动过程的精髓。国内外有许多制动工作者开始从气体流动入手研究 制动系统问题。本文研究高原低气压环境下制动系统特性的变化就使用大连交通大学制 动课题组经过多年研究开发的1 2 0 阀列车空气制动仿真软件。该软件模拟的列车空气制 动系统可以包含j z 7 机车大闸和若干1 2 0 阀组成的制动系统。 2 1 列车空气制动系统的物理模型 2 1 1 机车自动制动阀模型及原理 机车自动制动阀主要为列车提供增减压信号和充气功能，从理论上讲完全可以作为 具有定容积的大风缸处理，该风缸在缓解时向列车管充风，在制动时，大风缸与列车管 断开，并且列车管有一个小喷口使列车管气体流向大气，模拟减压过程。但是考虑到仿 真列车管压力发生变化和手柄动作的时间差的需要和压缩机向主风缸补风的情况，在模 型中我们增设了均衡风缸和压缩机模型。完整的自动制动阀模型包括主风缸、均衡风缸、 主风缸与均衡风缸连接管、压缩机、调整阀、中继阀、放风阀。物理模型如图2 1 所示。 图2 1j z 7 物理模型 f i g 2 1j z 7p h y s i c a lm o d e l 调整阀由手柄位置控制均衡风缸的进排气，中继阀由均衡风缸和列车管的压力控制 列车管的进排气。 调整阀模型化为调整阀勾贝( 两端分别是主风缸和均衡风缸压力) 、调整阀弹簧、 1 2 第二章空气制动系统仿真模型及仿真结果的有效性 排气阀弹簧和进气阀弹簧。 制动时，由手柄位置确定调整阀内柱塞移动量，同时均衡风缸经仍向大气排气，并 切断主风缸与均衡风缸连接( 仍孔关闭) 和主风缸与列车管间的连接( 仍孔关闭) ，随 着均衡风缸压力的下降，调整阀膜板移动，当调整阀膜板在其两端压力( 两侧分别是主 风缸和均衡风缸压力) 、调整弹簧和排气阀弹簧弹力共同作用下移动量达到该手柄位初 始设定的柱塞位移量时，调整阀处于制动保压位，均衡风缸停止向大气排气。缓解时， 主风缸通过主风缸与均衡风缸连接管和均衡风缸连接，向均衡风缸充气，随着均衡风缸 压力的上升，调整阀膜板移动，当调整阀膜板在膜板两侧压力、调整弹簧和供气阀弹簧 弹力综合作用下移动一定距离后( 该距离由手柄缓解位凸轮升程确定) ，主风缸停止向 均衡风缸供气。 中继阀模型化为中继阀勾贝( 两端压力分别是均衡风缸和列车管压力) 和相关弹簧 组成。 中继阀主勾贝位置由均衡风缸和列车管压力差及相关弹簧弹力确定，当中继阀主勾 贝处- t n 动位置时，列车管向大气排气( 缟关闭，死开放) ，列车管排气面积缟由中继 阀主勾贝位置确定，随着列车管压力下降，中继阀主勾贝移动，列车管排气孔纺逐渐减 小，直到关闭，列车管停止减压( 此处指机车自动阀控制的减压) 。中继阀主勾贝处于 缓解位置时，则主风缸直接向列车管充风( 仍开放，纺关闭) ，随着列车管压力的上升， 其压力逐渐接近于均衡风缸压力，列车管充气面积仍逐渐减小，直至关闭，列车管充风 结束。当主风缸压力低于压缩机开启压力时，具有定质量流率的气体流入主风缸，模拟 压缩机向主风缸输气过程，当主风缸压力高于压缩机关闭压力时，压缩机停止工作。放 风阀模型是当手柄处于紧急位时，直接控制列车管通过大孔排风，此时调整阀和中继阀 不起作用。 机车进排气特性对车辆制动系统的制动特性有明显的影响，为确保机车排气时间的 准确性，单独调试了j z 7 自动制动阀的进排气特性，主要的指标有：均衡风缸常用全制 动的减压时间、均衡风缸充气速度、紧急制动时，列车管风缸( 1 6 升) 压力排气时间， 以上性能参照1 2 7 制动机各单阀台试验台上试验方法中的自动制动阀试验部分。此外， 我们参照中继阀试验项目中供气阀供气试验和排气阀排气试验对进气速度，排气速度进 行了确定。对于压缩机的补风能力，根据眉山车