（车辆工程专业论文）kz1阀空气制动系统数值仿真模型及程序开发.pdf

摘要 摘要 随着国民经济的迅速发展，铁路作为我国经济发展的命脉，越来越受到各方面的关 注，为了解决现有运能不足与需求快速增长的矛盾，提速和重载已经成为我国铁路运输 的发展方向。自1 9 9 7 年以来，铁道部对我国干线铁路先后进行了6 次大规模提速。列 车速度的提高，是对制动技术最为严格的挑战。 随着铁路向高速、重载方向发展，对制动系统的研究显得尤为重要。制动问题是随 着铁路而伴生的古老问题，其研究一直沿用传统的实验方法，一方面是由于空气制动系 统结构简单、易于实验；另一方面是由于早期的气体流动理论的局限，难于与空气制动 系统相结合。由于现在铁路高速、重载的需要，空气制动系统日益复杂，单纯依靠实验 手段难度不断增加，且耗资、费时，特别是实验中制动性能的离散性，促使人们开始转 向模拟研究。计算机运算能力的提高，为数学模型的求解创造了条件，促进了制动系统 模拟研究的迅速发展。 本文通过对带有k z l 型空气制动阀的列车制动系统进行认真的研究和分析，根据 k z l 型空气制动阀原理和气体流动理论，建立该阀的物理模型，并开发出适合预测制动 系统性能和分析参数影响的列车制动系统仿真程序。计算出单车各种减压量工况下的制 动缓解和紧急制动仿真结果，与试验数据对比，验证仿真程序的正确性。 并应用本仿真程序预测装有k z l 阀快速货车的制动系统能力的制动性能，仿真结果 表明，紧急制动、常用制动及缓解作用正常，证明k z l 阀能够满足快速货车要求，可以 应用到快速货车制动系统中。 本仿真程序采用数值方法，以计算空气制动系统中气体流动为核心，通过数值计算 每个瞬时制动系统内所有管路、缸的物理状态，进而获得制动系统特性的空气制动系统 数值仿真，不仅能够获得每个瞬时制动系统内气体状态，还能够非常清楚的了解制动过 程中每个移动部件在任何时刻的位置，了解制动系统移动部件的运动轨迹。同时，本仿 真程序还可用来分析出各参数对制动系统性能的影响，因此可以作为分析制动机理、优 化制动系统的有力工具，可为其它研究工作( 如列车纵向动力学的研究) 提供参考数据。 利用仿真系统便于及时发现问题，改进设计，优化方案，对完善新型制动系统具有重要 意义。 关键词：铁路；制动；模拟仿真；k z l 阀 大连交通大学工学硕士学位论文 a b s t r a c t a l o n gw i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to ft h ec o u n t r ye c o n o m y ，a st h ev i t a l so ft h ee c o n o m y d e v e l o p m e n t ，t h er a i l w a yt r a n s p o r t i sa t t e n d e d b yv a r i o u sf a c e t s t os o l v et h ec o n f l i c t b e t w e e nt h el a c kt r a n s p o r ta b i l i t ya n dt h ei n c r e a s i n gr e q u i r e m e n t ，t h es p e e d - u pa n dt h e h e a v y h a u la r eb e c o m i n gt h ed i r e c t i o no fr a i l w a yt r a n s p o r t s i n c e1 9 9 7 ，t h em i n i s t r yo f r a i l w a yh a sr a i s e dt h er u ns p e e df o rs i xt i m e si nt h em a i nl i n e s t h er a i s i n go ft r a i ns p e e di s t h es t r i c t e s tc h a l l e n g ef o r t h eb r a k e t e c h n o l o g y a sr a i l w a yd e v e l o p st oh i g hs p e e da n dh e a v yh a u l ，t h er e s e a r c ho nb r a k i n gs y s t e mi s v e r yi m p o r t a n t b r a k ep r o b l e mi sa na n c i e n tp r o b l e ma l o n gw i t hr a i l w a y ，i t ss t u d i e sa l w a y s u s et h et r a d i t i o n a lm e t h o do fe x p e r i m e n t ，o nt h eo n eh a n d ，i ti sb e c a u s eo fa i rb r a k es y s t e m s s t r u c t u r es i m p l e ，i se a s yt ot e s t ；o nt h eo t h e rh a n d ，i ti sb e c a u s eo ft h el i m i t a t i o no fa i rf l o w d y n a m i c si ne a r l ys t a g e ，i sh a r dt oc o m b i n ew i t ha i rb r a k es y s t e m b e c a u s eo ft h er a i l w a y n e e dd e v e l o p st oh i g hs p e e da n dh e a v yh a u lf o rt h ep r e s e n t ，a n da i rb r a k i n gs y s t e mb e c a m e m o r ec o m p l e x ，o n l yd e p e n do nu s i n gt h em e t h o do fe x p e r i m e n tm e a n sm o r ed i f f i c u l t y ，m o r e t i m ea n dm o n e yc o n s u m i n g ，e s p e c i a l l yd u et ot h ed i s c r e t eo fb r a k e c a p a b i l i t yi ne x p e r i m e n t ， m a k ep e o p l eb e g i nt oc h a n g er e s e a r c hd i r e c t i o nt os i m u l a t i o n t h e r a i s i n go fc o m p u t e r o p e r a t i o n a la b i l i t y ，m a k et h ec o n d i t i o nt ow o r ko u tm a t h e m a t i c sm o d e l ，a n dp r o m o t et h e b r a k es y s t e mq u i c k l yd e v e l o p m e n to fs i m u l a t e dr e s e a r c h i nt h i sp a p e r , t h r o u g ht h es t u d ya n d a n a l y z es e r i o u sa b o u tt r a i nb r a k es y s t e mw i t hk z l d i s t r i b u t i o nv a l v ea n da c c o r d i n gt oa i rf l o wt h e o r ya n dt h ep r i n c i p l eo fk z lv a l v e ，t h e p h y s i c a lm o d e lo ft h i sv a l v ei se s t a b l i s h e d ，a n dt h es i m u l a t i o ns o f t w a r ef o rt r a i nb r a k i n g s y s t e m ，w h i c hi sa p p l i c a b l et op r e d i c tt h ep e r f o r m a n c eo ft h eb r a k i n gs y s t e ma n da n a l y z et h e p a r a m e t e re f f e c t ，i sd e v e l o p e d c a l c u l a t e das e r i e ss i m u l a t i o nr e s u l t s ，s u c ha sp e r f o r m a n c e ， e m e r g e n c ya n dr e l e a s es p e e d s ，a n dp r e s s u r ec u r v e s ，c o m p a r e dw i t he x p e r i m e n td a t a ，v e r i f y t h ec o r r e c t n e s so ft h ep r o g r a m b e s i d e st h a t ，w i t ht h i ss o f t w a r eat r a i nb r a k es y s t e mp e r f o r m a n c eo fr a p i ds p e e dw a g o n s a n dt h ew a g o n sw o r k e dw i t hc o m m o nt r a i na r ep r e d i c t e d t h er e s u l t ss h o wk z iv a l u ec o u l d b eu s e di ne x p r e s sf r e i g h tt r a i n t h ep r o g r a ma d o p t sn u m e r i c a lm e t h o d ，a n da st h ec o r eo fc a l c u l a t et h ea i rf l o wi nb r a k e s y s t e m ，t og e te v e r yt i m et h ep h y s i c a ls t a t eo fa l lp i p e l i n ea n db i gc y l i n d e ro fb r a k i n gs y s t e m ， a n dt h e ng e tt h ep r o p e r t yo fb r a k es y s t e mf o rs i m u l a t i o n i ti sn o to n l yg e t t i n gt h eg a ss t a t eo f b r a k es y s t e ma te v e r yt i m e ，b u ta l s oc l e a r l yk n o w ne v e r yp i s t o n sl o c a t i o na n dt r a c ki na n y t i m ed u r i n gb r a k i n ga c t i o n a tt h es a m et i m e ，t h ep r o g r a mc a l lb eu s e dt o p r e d i c tt h e p e r f o r m a n c eo ft h eb r a k es y s t e m ，a n dc a na n a l y z ee a c hp a r a m e t e r si n f l u e n c ef o rb r a k e s y s t e m ，t h e r e f o r e ，i ti sag o o dt o o lf o ra n a l y z i n gb r a k em e c h a n i s ma n do p t i m i z i n gb r a k e i i 摘要 s y s t e m ，c a no f f e rr e f e r e n c ed a t af o ro t h e rr e s e a r c hw o r k ( a st h er e s e a r c ho ft r a i nl o n g i t u d i n a l d y n a m i c s ) k e yw o r d s ：r a i l w a y ；b r a k e ：s i m u l a t i o n ；k z lv a l v e 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董塞量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 知识产权单位属一盍蔓塞通太堂，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董塞遂太堂。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。 本人授权太董塞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) 学位论文作者签名： 未 枥 导师签名： 日期：2 0 0 9 年6 月1 1 日 日期：2 0 0 9 年6 月1 1 日 学位论文作者毕韭后去向： 工作单位：铁道第三勘察设计院 通讯地址：天津市河北区中山路1 0 号 电子信箱：r o c k r o m a 2 0 0 3 1 t 1 6 3 o o m 电话：1 3 5 0 4 9 5 8 6 9 3 邮编：3 0 0 1 4 2 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师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。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，也不包含为获得太羹塞通塞堂或其他教育机构的学位或证书而 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的法律效力，申请学位论文与资料若有不 实之处，由本人承担一切相关责任。 学位论文作者签名： 剐鼢 日期：2 0 0 9 年6 月1 1 日 绪论 绪论 1 引言 铁路交通是交通运输的大动脉，对国民经济的发展起着十分重要的作用。特别是近 年来，随着我国国民经济的持续、快速、稳定的发展，铁路管理和研究部门通过一系列 的体制改革、管理改革和技术革新，使我国的铁路事业取得了令人瞩目的成绩。 自1 9 9 7 年以来，铁道部对我国干线铁路先后进行了六次大规模的提速，效果非常 明显，提速战略使我国铁路焕发出了新的生机与活力。尤其是在2 0 0 8 年，在国际金融 危机以及国内经济增长减速的情况下，我国增加基建投资，主动拉动内需，掀起了新一 轮大规模的铁路建设高潮。根据社会经济发展需求，经国家批准，以扩大快速客运网、 构建区际大能力通道、完善路网布局、增加西部开发性新线、提高既有线能力为重点， 并对中长期铁路网规划进行了调整。在2 0 0 8 年8 月1 日，具有完全自主知识产权和世 界一流水平的我国第一条时速3 5 0 公里高速铁路一京津城际高速铁路顺利通车并实现 了安全平稳运营，成为我国铁路建设史上的又一座里程碑。长编组卧铺动车组已经于0 8 年年底投入京沪铁路运营。合肥南京、合肥武汉、青岛济南、石家庄 太原等客运专线相继建成并运营。 我国目前拥有铁路营业里程7 5 万公里，占世界铁路总里程1 1 5 万公里的6 4 7 ， 却完成了世界铁路客货总周转量的1 4 左右，这导致我国铁路长期超负荷运行，线路负 荷率过大、运输密度过高，运输能力持续紧张。经历了六次大提速后，客车速度从原有 8 0k m h 提高到1 6 0k m h ，部分区段达到最高3 0 0 - - 3 5 0k m h ，但并没有真正实现货车速 度的提高。从我国铁路货车发展现状来看，国有铁路货车保有量约为5 0 万辆，其中构 造速度在1 0 0k m h 的货车占8 0 以上。由于目前我国铁路主要运输形式属于客货混跑， 这已经对确保运输安全、满足铁路提速战略要求、提高运输效率和货车技术进步形成了 制约。因此，对既有货车实施提速改造势在必行，也是解决铁路运力不足对国民经济建 设“瓶颈”制约问题的重要途径之一。 2 问题的提出 铁路货车是完成铁路货物运输任务的运载工具，而制动装置是铁路货车的重要组成 部分之一，是机车车辆实施减速和停车作用的执行机构，是确保列车运行安全的必备装 置。对现代铁路而言，制动的重要性不仅仅是安全问题，制动已经成为制约列车速度和 牵引质量进一步提高的重要因素。我国现有的货车制动系统已不能适应快速货车的需 要，借鉴国外快速货车制动的先进技术，开发和研制适合我国铁路运输特点的快速货车 大连交通大学t 学硕十学位论文 制动系统己成为当务之急。为此，铁道部科技司立项“1 6 0 k m h 快速货车制动系统的研 究”( 项目编号2 0 0 4 j 0 2 7 ) ，眉山车辆厂等单位承担了该课题，并于2 0 0 4 年术成功研 制出了新型控制阀l 钇1 型控制阀。 k z l 阀采用模块化设计，在保留了1 2 0 阀众多优点的同时，克服了传统1 2 0 阀充气、 缓解与制动时间较慢、实现空重车无级调整较难以及副风缸与多种直径制动缸匹配性较 差等不适应短编组快速货车的缺点，实现了许多功能上的突破。 作为快速货车制动系统核心部件，k z l 型控制阀先后进行了单阀性能试验、单车性 能试验、环境试验、室内定置试验、耐久试验【1 1 。尽管如此，该阀还有许多工作有待于 进一步的研究，如各种编组方案下的列车性能、参数优化、与其他车辆阀混编性能等。 目前，制动产品开发完全依赖于试验方法，而试验方法具有明显的缺点和局限性，耗费 时间和花费大量的经费，且结果离散性较大。根据阀内结构、原理及单阀试验性能，建 立制动系统仿真模型，利用仿真系统预测列车制动系统性能，便于及时发现问题，改进 设计，优化方案，对完善新型制动系统具有重要意义。 3 空气制动系统模拟研究的发展 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j 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【2 , 3 1 。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1 4 。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f 5 川。意大利开发了w e s t i n g h o u s eu 分配阀的各种模块，使用m a t 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 a t 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【8 1 ，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。文献【9 1 1 】开发出中国主型货运列车1 2 0 阀的列车 制动性能仿真系统，该系统能仿真长大货物列车制动系统性能，可以仿真非同步4 台机 车组成的组合列车制动性能，仿真各种减压量的常用制动及缓解、紧急制动以及各种操 作间的互相转换，如制动后缓解等工况，同时系统中考虑了各种漏泄。文献 1 2 1 开发了 试验台过程仿真系统，仿真1 2 0 阀在试验台上试验过程，为了解试验过程、动作机理， 2 绪论 开发新型试验台和新阀提供了新的方法与手段。文献【1 3 】开发了列车初充气过程仿真模 型。 4 模拟研究方法 由于模拟研究具有其不可代替的优势，使得研究者由试验研究转向模拟研究：制动 系统模拟研究的核心是获取空气制动系统内气体流动的瞬态特性，包括管路及管路与缸 室间气体流动特性。管路内气体状态决定了车辆制动机工作状态，因此管路内应该以气 体不稳定流动过程为研究重点。缸室内，人们往往只关心其整体状态，却忽略缸内气体 流动，以求得缸内气体滞止压力等为目标【1 4 , 1 5 】。管路数学模型中，由列车管的几何形状 及流动特点，假定管内气体流动为一维、有摩擦、不等熵非稳定流动。阀缸数学模型中， 阀模型化为活塞、弹簧等部件及一系列通路，由每瞬时力的平衡确定各活塞瞬时位置和 气体流动通路及通路面积，再进一步求出缸内气体流入( 出) 量。假定缸内气体为滞止 状态。压缩空气式制动系统中，制动缸直径及活塞行程相对较小，忽略活塞伸出对外做 功，由气体流入( 出) 量，根据热力学第一定律，直接求得缸内气体状态。真空制动系 统中，制动缸直径较大，需附加活塞运动方程求出缸内气体状态【1 1 , 1 2 , 1 7 。 5 问题研究的意义 作为仿真模拟研究，即节约了试验时间，加快了新产品的开发速度，又节约了研究： 经费，节省了开发费用。同时，模拟研究的理论优势显而易见，它不但能模拟试验工作， 还能从整个空气制动系统角度研究参数变化的影响，并且克服试验条件随机性及阀性能 不一致产生的试验数据的离散性，而且对于进一步了解制动机理及研究提速、高速和重 载列车新型制动系统具有重要现实意义。模拟研究对于合理确定制动系统灵敏度、研究 漏泄影响及制定评价制动系统性能的标准等也极具优势【2 3 】。在产品研发初期，根据阀内 结构、原理及单阀试验性能，建立制动系统仿真模型，利用仿真系统预测列车制动系统 性能，便于及时发现问题，改进设计，优化方案，对完善新型制动系统具有重要意义。 6 本文的主要内容 本文通过对带有k z l 型控制阀的快速货车制动系统进行认真的研究和分析，根据 k z l 型控制阀的基本原理，建立其物理模型，并根据气体流动理论，编写仿真程序，模 拟k z l 阀内结构的各种工作过程和状态，与单阀试验数据进行对比，验证仿真系统的 有效性。并使用本程序计算预测安装k z l 阀的快速货物列车制动性能，为优化方案， 完善新型制动系统提供参考。 大连交通大学工学硕七学位论文 第一章k z l 型控制阀 1 1 国外快速货物列车控制阀 目前，国外快速货车的开发和运用以法国和德国最为典型。欧洲地理环境决定了欧 洲货运列车的特点是短小轻快、密度较高，而且欧洲铁路对制动距离要求高，故欧洲铁 路在快速货车制动系统方面起步较早、发展迅速。欧洲国家铁路客货列车编组相差不多， 控制阀大部分采用三压力作用原理，具有良好的阶段缓解及不衰减性，制动波速高，客 货通用性好。其结构的共同特点如下： ( 1 ) 设有加速器以提高制动波速； ( 2 ) 设有切断逆流孔装置； ( 3 ) 防过充措施； ( 4 ) 制动缸压力初跃升装置； ( 5 ) 完善的副风缸充气装置； ( 6 ) 简便的客货位转换装置； ( 7 ) 通过中继阀方便实现空重车位1 2 4 1 。 例如德国的k e 型分配阀为典型的三压力控制阀，采用模块化设计原理，由各个标 准部件经不同组合而获得适用于客车、货车等不同用途的方案。在结构设计方面，欧洲 大都采用橡胶模板代替了具有金属胀圈的活塞，以提高分配阀气密性及灵敏度，并用各 种橡胶密封圈及橡胶阀或橡胶阀座来代替金属滑阀结构。 此外，欧洲快速货车最高运行速度为i 6 0k m q i ，从安全和运用角度出发，德国和法 国的快速货车均考虑与客车连挂。考虑到快速货车车辆既可能以专列方式运行，也可能 将同通用货车连挂的实际情况，所以，快速货车制动机的方案应尽可能考虑两种不同工 况下的方案。从制动距离的角度看，制动缸充气时间过长显然是不利的。因此k e 阀设 有制动缸充气时间的转换手柄，通过手柄位置的转换能够改变制动缸充气时间。 1 2 我国现有控制阀应用于快速货车的可能性分析 快速列车制动系统的控制阀要求既能满足1 ok m h 快速货车的制动需要，又要考 虑与通用货车混编的需要。目前，针对我国主型的1 2 0 型货车控制阀和1 0 4 型客车控制 阀能否适用于1 6 0k m h 快速货车的问题，分析如下。 1 2 11 2 0 阀应用分析 1 2 0 型货车控制阀是在1 0 3 型货车分配阀的基础上，吸收国内外先进制动技术，结 4 第一章k z l 型控制阀 合我国实际情况研制而成的。1 2 0 阀为二压力直接作用式，采用橡胶模版和金属滑阀结 构，具有完善的阶段制动和缓解作用。目前广泛应用于我国铁路货运列车的制动系统中。 然而，1 2 0 阀本身具有的一些缺陷使它不能直接用于1 6 0k m h 快速货车的制动系统。 ( 1 ) 从设计目的上讲，1 2 0 阀是为了适应速度相对较低( 口。留jqu_一它hn磁_o 3l_矗_葛o_13o_p卜一h眦id 匝尉隧屡器辊 烈一堕一i匝 震鞴霉率举一r板 囊群 稃器 一 簟计鬣 议秘坦扑书隧扑h扑k赠杈划k 第一章k z l 型制动阀 控制阀各部件功能如下： ( 1 ) 二压力作用部为无滑阀的模板活塞结构，由主活塞、稳定部、均衡阀、工作风 缸充气阀、缓解阀、平衡阀、局减阀等组成。 主活塞上方为列车管压力、下方为工作风缸压力，通过两者压力差的变化使主活 塞产生充气、制动、保压、缓解等功能。 工作风缸充气阀的作用是使工作风缸以规定的充气速度由列车管向工作风缸充 气。 稳定部的作用是通过稳定弹簧保持制动机的稳定性。 均衡阀的作用是根据列车管的压力变化，开放工作风缸与容积室的通路。 平衡阀的作用是当制动机需要处于制动位时，保证制动机能够达到制动位，并且 保证制动保压的性能。 缓解阀的作用是根据主活塞的动作使容积室的压力空气排向大气。 ( 2 _ ) 充气部是由充气阀和止回阀组成。充气阀是由工作风缸压力控制列车管向副风 缸充气，止回阀是防止副风缸的压力空气逆流回列车管。 ( 3 ) 局减阀的作用是在制动初期，沟通列车管与大气的通路，使列车管压力以较快 的速度减压，使作用部快速进入制动位。 ( 4 ) 局减关闭阀是在容积室压力达到3 0 - 5 0k p a 时，将列车管压力空气排向局减 室的通路切断，从而终止局减作用。 ( 5 ) 加速缓解阀是在制动后的缓解时，由排向大气的容积室压力空气控制，。打开副 风缸与列车管的通路，提高缓解波速。 ( 6 ) 快普转换阀有充气、制动、缓解三条通路。当处于快位时，k z l 阀的充气、 制动、缓解时间与1 0 4 阀相当；当处于普位时，其充气、制动、缓解时间与1 2 0 阀。 ( 7 ) 半自动缓解阀结构与1 2 0 阀的缓解阀相同，只对工作风缸缓解排风结构做了改 动，达到控制工作风缸排风量的目的。 ( 8 ) 紧急阀采用1 2 0 阀的成熟产品。 ( 9 ) 中间体采用集成板式安装板，可根据不同需要配用不同的安装板。 1 6k z l 型控制阀的作用原理 k z l 型控制阀共有四个作用位置，即初充气及充气缓解位( 减速充气位) 、常用制 动位、紧急制动位和制动保压位。 9 大连交通大学工学硕十学位论文 1 6 1 初充气及充气缓解位 每辆车的工作风缸、副风缸和紧急室中都无压力空气，机车制动装置通过列车管向 这三个容器充气，为列车初充气。 初充气位如图1 2 所示，此时列车管充气，压力空气到达主活塞上侧，推动主活塞 向下移动，当能克服工作风缸充气阀弹簧时，该阀口打开，工作风缸充气，同时由于工 作风缸压力上升，打开充气阀，给副风缸充气。此时，在工作风缸充气时，若快普转换 阀处于快位时，工作风缸充气补偿阀参与充气，使工作风缸的充气加快；而当快普转换 阀处于普位时，工作风缸充气补偿阀即使是开放状态，也无压力空气参与充气，因此工 作风缸充气速度变慢。 如果列车管经过减压进行了制动作用，列车速度在逐渐降低或已停车，当需要缓解 时，工作风缸、副风缸和紧急室中剩有一定量的压力空气，在这种情况下，列车管向这 三个容器充气。在这种情况下，列车管向这三个容器充气称为再充气。在再充气的同时， 制动缸中的压力空气向大气排气，实现缓解作用。 再充气和缓解位如图1 2 所示，此时列车管减压使列车实施制动后，当再向列车管 充气时，由于列车管增压，主活塞上侧压力上升，迫使主活塞下移至充气位，缓解阀开 放，容积室压力空气通过该阀口排向大气，容积室压力得以缓解。同时局减进气阀口关 闭，局减排气阀口开放，局减关闭阀开放，平衡阀压力空气排向大气。 1 0 第一章k z l 型制动阀 1 制动阀；2 稳定阀：3 局减阀；4 缓解阀；5 主活塞；6 一工作风缸充气阀；7 一艮泪孔 图1 2 充气缓解位 f i g 1 2c h a r g er e l e a s eo fk z l d i s t r i b u t i o nv a l v e 由于列车管的充气是由机车总风缸沿列车运行方向由前向后充气，列车管的增压作 用首先传达到列车前部车辆，这些车辆中的控制阀由于列车管的压力上升较快，在主活 塞两侧产生的压力差较大，迫使主活塞带动充气阀顶杆下移到极端位置，及充气阀顶杆 端面碰到密封圈1 6 才停下，此时列车管通过充气阀顶杆端面上的孔0 7 向工作风缸 充气，这个位置即为减速充气位，如图1 3 所示。 大连交通大学工学硕士学位论文 缸 容积室 1 准0 动阀；勰定阀；蝴减阀；蝴解阀；蛙活塞；“工作风缸充气阀；7 _ - 禺艮泪孔 图1 3 减速充气位 f i g 1 3g r a d u a t e dc h a r g i n go fk z ld i s t r i b u t i o nv a l v e 充气缓解位通路如下： 当主阀处于充气缓解位时，具有充气和缓解两条通路，其中充气通路又分成三条通 路： 列车管一主阀上腔紧急阀一紧急室。 列车管一主阀上腔一主阀下腔_ 工作风缸充气阀- 工作风缸管_ 工作风缸。 列车管_ 主阀上腔i 充气阀一副风缸管一副风缸。 缓解通路也分成两条通路： 容积室_ 缓解阀一大气。 制动缸_ 制动缸管一调整阀一大气。 1 6 2 常用制动位 当列车实施常用制动时，列车管减压，主活塞两侧形成一定的压力差后，主活塞上 移。常用制动时主活塞的动作分为两步： 1 2 第一章k z l 型制动阀 ( 1 ) 局部减压。主活塞上移，关闭缓解阀，容积室排向大气的通路关闭，同时局减 排气阀口关闭，局减进气阀口开放。随着列车管的减压，当工作风缸与列车管的压力差 能够克服稳定部稳定弹簧时，主活塞上移打开局减进气阀口，列车管压力空气通过该阀 口到达局减关闭阀，再到达局减室，排向大气，从而加速了列车管的减压，与此同时还 通过沟通的气路到达平衡阀的下部，增大主活塞下部的压力，加速主活塞向上移动。此 位置即为局部减压位。 ( 2 ) 制动位。主活塞继续上移至“制动位”，顶开制动阀，沟通工作风缸向容积室 充气的通路，容积室内压力上升。当容积室压力达到3 0k p a - - 5 0k p a ，局减关闭阀关闭， 切断了列车管压力空气排向大气的通路，局减作用停止。当容积室的压力达到一定值时， 打开调整阀，沟通副风缸向制动缸充气的通路，产生制动作用。如图1 4 所示。 l 制动阀；2 稳定阀；蝴减阀；蝴解阀；5 一主活塞；6 一工作风缸充气阀；7 二眼泪孔 图1 4 常用制动位 f i g 1 4s e r v i c eb r a k i n go fk z ld i s t r i b u t i o nv a l v e 常用制动位通路如下： 局减通路： 主阀上腔一局减阀_ 局减关闭阀_ 局减室_ 大气。当容积室压力达到3 0 k p a , 、- 5 0 k p a 时，局减关闭阀关闭，此通路关闭。 1 3 大连交通大学： 学硕士学位论文 列车管_ 平衡阀_ 主阀下腔。 容积室充气： 工作风缸_ 工作风缸管_ 主阀下腔一制动阀_ 容积室。 制动缸充气： 副风缸一副风缸管_ 调整阀_ 制动缸管一制动缸。 紧急室逆流： 紧急室一紧急阀_ 主阀上腔。 1 6 3 制动保压位 当列车管减压制动不久后停止减压，工作风缸仍旧向容积室充气，工作风缸压力降 低。当主活塞两侧压力接近平衡时，在制动阀弹簧、稳定阀弹簧弹力和主活塞、活塞杆 等的自重作用下，主活塞稍稍下移，制动阀关闭，切断了工作风缸向容积室充气的通路， 容积室压力停止上升，调整阀关闭，副风缸停止向制动缸充气，制动缸压力保持不变。 此位置即为制动保压位，具体通路如图1 5 所示。 1 靠0 动阀；勰定阀；蝴减阀；蝴解阀；站活塞；仁工作风缸充气阀：7 二眼泪孔 图1 5 制动保压位 f i g 1 5l a p p i n ga f t e rb r a k i n go fk z ld i s t r i b u t i o nv a l v e 第一章k z l 型制动阀 1 6 4 紧急制动位 列车管急剧减压时，主阀各部分的作用均与常用制动时一样，只是各部件作用更加 迅速。此时，主活塞上移至极端位置，碰到眼泪孔为止，眼泪孔关闭，切断工作风缸列 车管的逆流通路。紧急室内压力空气来不及逆流，导致紧急活塞上、下腔压差迅速增大， 顶开放风阀，产生紧急制动作用，列车管压力空气通过放风阀迅速排入大气。具体通路 如图1 6 所示。 室 1 制动阀：2 稳定阀；3 局减阀；4 缓解阀：5 一主活塞；6 一工作风缸充气阀：7 - 眼泪孔 图1 6 紧急制动位 f 谵1 6e m e r g e n c yb r a k i n go fk z ld i s t r i b u t i o nv a l v e 紧急制动各通路如下： 局减通路： 主阀上腔_ 局减阀一局减关闭阀_ 局减室_ 大气。当容积室压力达到3 0 k p a 5 0 k p a 时，局减关闭阀关闭，此通路关闭。 列车管一平衡阀_ 主阀下腔。 容积室充气： 工作风缸一工作风缸管一主阀下腔_ 制动阀_ 容积室。 大连交通大学t 学硕士学位论文 制动缸充气： 副风缸_ 副风缸管_ 调整阀_ 制动缸管_ 制动缸。 紧急室排气： 紧急室_ 紧急阀_ 主阀上腔。 列车管一放风阀一紧急阀排气口一大气。 本章小结 本章主要内容包括以下几个方面： 1 介绍了国外快速货车控制阀的特点以及我国现有控制阀应用于快速货车的局限 性； 2 介绍了k z l 型控制阀的概况和特点； 3 介绍了k z l 型控制阀的构造； 4 介绍了k z l 型控制阀的作用原理。 1 6 第二章制动系统的空气流动理论 第二章制动系统的空气流动理论 制动系统设计与研究一直沿用传统的试验方法，这一方面是由于早期的制动系统结 构简单、易于试验，另一方面是由于计算手段的落后及气体流动理论与空气制动系统结 合具有相当的难度，限制了制动系统模拟的发展。随着列车运行速度的提高及列车重载 化的需要，列车制动系统日益复杂，单纯依赖试验手段难度不断增加，并且试验方法耗 资、费时，特别是试验中制动性能的离散性很难得出具有规律性的结论，促使人们转向 计算机模拟研究n o 1 1 1 。 列车制动是依靠压力流动( 压力变化) 实现制动与缓解，其过程是一动态过程。因 此，制动系统真正意义上的仿真是制动系统性能仿真，而不是阀内动作过程的动画演示 或者某种压力变化的经验公式。只有性能仿真才能够预测制动系统性能，分析参数影响， 为更好的设计制动系统提供分析手段。其用处也更加广泛，更具有实际意义。 因为制动系统是靠压力空气的压力变化和制动阀的原理来实现的制动和缓解，因 此，制动系统性能仿真核心包括气体流动的计算和阀内移动部件位置计算两部分内容。 气体流动的计算是根据气体动力学原理，利用计算机技术，通过求解列车制动系统 内气体流动瞬态方程获得列车制动系统在制动与缓解过程中气体流动状态的动态过程。 在制动系统中主要由管路，管路接头，管路与缸的连接，管路喷口等结构，气体在 其内部流动时，将有不同的流动方程，以下介绍相关理论与方程。 在推导管路内气体流动基本方程时，特做如下假定： ( 1 ) 管路轴向几何尺寸比径向尺寸大得多，管道内轴向流动效应比横向流动效应要 大得多。从而可以认为管道内流动是一维的，对于每个流量参量，可以理解为该参量在 相应管道截面上的平均值。 ( 2 ) 管路内流动参量随时间变化非常剧烈，故认为管道内流动是非定常的。每个流 动参量不仅是长度坐标的函数，同时也是时间的函数。 ( 3 ) 气体流经的管道，截面积变化比较缓慢，并且认为管壁是刚性的。 ( 4 ) 气体流动过程中，需要考虑管壁的摩擦和管壁与气体间的热量交换，并把它看 作是一维模型。流动过程是非等熵的。 ( 5 ) 管内流体认为是完全气体，并不计重力。 根据以上5 条假设，可以从质量守恒、动量守恒和能量守恒定律出发，推导出非等 熵不定常流动基本方程，结合边界条件方程，就可以利用计算机计算出气体流动各参量 变化规律。 大连交通大学工学硕士学位论文 2 1 气体流动基本方程 管路内气体流动是空气制动系统核心，气体在管路内的流动状态用气体流动连续方 程、动量守恒方程和能量守恒方程描述。方程组如下： 望+ j p 塑+ “望+ 坐一d f 。0 o t。a x d xfd x 塑+ “丝+ 三望+ 笪兰：o ( 2 1 ) 0 to x p 缸d2i u i a 以p + ua 缸p 彳警彳“罢七- 1 ) p 卜4 f u 2 u ) 2 。 式中沪、u 、f 、p 、 d 、a 、k 、q 分别为流体密度、流速、管路截面积、压力、摩 擦系数、水利直径、声速、比热比及单位时问流向单位质量气体的热量u o 一。 2 2 特征方程 本文通过特征线方法求解偏微分方程组，在三个特征方向竺一“+ 口，竺。“一口， 疗 ， d fd f 譬；“上将偏微分方程转化为常微分方程【l o 1 1 1 。 d f 为了适合计算机运算，把状态参数a 及u 转换成黎曼变量五及声，并引入参考长度 x r e f 及参考音速口耐使方程无量纲化，则沿三个特征方向的无量纲化特征方程为 卜一万a 旭一t k - 1 了a u 面d e 忽+ 譬考刍以r - 12 百# 扩甜七。j 笺卜 卜；a 4d a 。一了k - 1 了a u 面d f 忽+ 譬薏三忽+ 等鲁扩茜【1 小- 1 ) 筹卜 l 必= 等务i 詈+ 了2 j 6 x m 3 卜 ( 2 2 ) 以上计算方法适用于管路内部计算，当计算点处于管路边界时，上述方程不能够求 解出所有黎曼变量，只有引入边界方程后才能求出全部边界点黎曼变量。 关于边界条件 在列车制动系统性能仿真程序中，共有5 种边界条件，它们是： 1 8 第二章制动系统的空气流动理论 ( 1 ) 封闭端边界：封闭端就是管路的端部具有封闭的端口。这种边界主要仿真列车 最后辆车管路尾部，该管端部不再与其它车辆相连。有关门车时，关门车支管和阀连 接处也是封闭端。 ( 2 ) 部分开口端边界：当管路端部有一个小孔与外界连通时，该小孔面积控制管路 内气体流入流出量。这种边界条件用于模拟机车自动制动阀排气1 5 1 和管路内气体向大容 积的缸充气过程。 ( 3 ) 管路多分支边界：这种边界是多根管路相交于一点，模型中是用于处理主管和 支管相连接情况。 ( 句管阻力边界：这种边界是管路面积不变，但是管路内有限制气体流动的阻力模 型，主要用于软管连接器模型。 ( 5 ) 缸与管连接边界条件：用于实现制动缸、副风缸、工作风缸、主阀上、下腔、 局减室与对应管路的连接。 2 4 边界方程 ( 1 ) 封闭端边界： 在封闭端端口处，气体流动速度为0 ，故方程是u = o ( 2 ) 部分开口端边界： 气体由喷口流出管路时： 下标t 是指喷口处。喷口面积与管面积比。p 。是背压，p 耐是参考压力。 ，p 脚节】k 卅) 2 一等妒2 c 4 , 2 - - i ) 一。 纪3 ， 其中a t 一 c 。旦彳。- 暑u 一石u p芘一彳+ 霉u r , , 2 44 气体由喷口流入管路时： k 一1 ) 竺，f ，卫1 忽 ( 2 4 ) 以 ip 阿j ( 3 ) 管路多分支边界：本程序采用等压管接头模型。 下标n 代表管接头处。 1 9 大连交通大学工学硕士学位论文 彳二一 yf 生1 厶h ，j = 吲 u 二。去k ，一) 二。矗- ) 熵值的计算： 当流入管接头的管端，熵值不变，流出管接头的管端，熵值： 彳山 ：互峨r 爿知) 塑 e c u ；f , 其中，n = n j 代表流入管接头。 ( 3 5 ) ( 2 6 ) ( 2 。7 ) ( 4 ) 管路阻力边界： 管路阻力边界用于模型化软管连接器中的阻力模型。采用有绝热压强损失的模型。 管内阻力压强损失系数：，c 一0 5 生, 0 u 2 阻力系数：k 一譬 用下标1 、2 表示阻力接头前后两个断面。则： 其中：马赫数m ：竺 口 矗+ m ；m ? 七一1 朋f 甄22 丽m 2 阿k m i+ m ? 。u 一j 七一1 1 ( 5 ) 缸与管连接边界条件：等压模型 下标c 表示缸内喉口处，下标p 表示管路内参数。 k - 1 t t 2 一v c z 2 五 2 ( 2 8 ) ( 2 9 ) 第二章制动系统的空气流动理论 检验流动状态： 彳；善一妒2 ( 2 1 0 ) 如果a 0 流动为音速流；如果a 0 ) f i g 2 1t h ec a