（测试计量技术及仪器专业论文）机车制动系统流量计研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 随着我国铁路干线的全面提速，列车“放飚”事故在每年铁路重大事故中 所占的比率居高不下。究其原因主要是列车中部折角塞门被非正常关闭所致。 折角塞门安装在各车辆列车管的两端，用来开通和关闭各车辆列车管的送风通 路。因此，各车辆列车管折角塞门是否开通就成为列车风管是否畅通、列车制 动系统是否有效的关键。为此，研究检测折角塞门开闭状态的有效方法，对于 保证列车运行安全具有重大的理论意义与现实意义。 目前国内对列车管贯通状态和折角塞门开饲状态有两种检测方法：一种是 测量列车管内压力值或差压变化情况，从而通过压力变化所需的充风时间或排 风时间来判断：另种是测量列车管压缩空气流量，通过压缩空气的消耗量来 判断。通过对检测方法的分析，可以看出，只要找到一种既适合于机车制动系 统这一实际工况又能有效测量流量的流量计，即可对列车管贯通状态和列车中 部折角塞门开闭状态进行检测。论文据此提出了在机车总风缸管上安装“v ” 型内锥式流量计的检测方案。“v ”型内锥式流量计具有体积小、对安装无特殊 要求、对振动信号不敏感、测量范围宽、线性度好的特点特别是其具有的较 强自清扫功能，不易造成管道内部堵塞，非常适合于机车制动系统空间小、振 动大的特殊工况。利用该流量计对列车制动系统充风流量进行测量，再结合当 时司机控制器状态，即可实现对列车管贯通状态和列车中部折角塞门开闭状态 的判断。 论文以“v ”型内锥式流量计作为研究对象，从理论分析和实验室试验两 方面着手。在完成流量计机械装置设计的基础上，采用流体动力学软件s t a r - c d 对所设计的流量计进行了仿真建模，并对常用制动情况下管内流场进行了数值 仿真。仿真计算表明，列车制动系统产生制动级数越大，列车管排风越多，压 力下降越大，通过“v ”锥前后产生的差压也越大。这为流量计的实际应用提 供了重要的理论参考。同时，论文以t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 d s p 芯片为核心，完成了 流量计二次仪表的设计、制作和调试工作，能够对列车充风流量进行准确测量 和实时显示。最后，在西南交通大学制动实验室的1 5 0 辆车辆编组定置试验台 上完成了流量计的系统试验。通过试验结果与仿真结果的对比，说明本系统中 所设计的“v ”型内锥式流量计是合理的，不仅可用于列车制动系统充风流量 的检测，还可用于列车制动系统其他流量测量的场合。 关键词：制动系统：折角塞门；列车管；贯通状态；“v ”型内锥流量计； 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s t r a c t w i t he n h a n c e st h es p e e do fo u rc o u n t r y sr a i l w a yl i n e s ，t h ea c c i d e n to ft h e t r a i n ”f a n g y a n g ”o c c u l sf r e q u e n t l y i t sr e a s o nm a i n l yi st h ec o u p i n gc o c ki nt h e m i d d l e o ft h et r a i nw a sc l o s e dd u et on o n - n o r m a l c o u p i n gc o c k , i n s t a l l i n ga tb o t h e n d so ft h et r a i np i p e ，u s e dt oo p e na n dd o s et h et r a i np i p ea c c e s st ot h ea k i nt h e c o u r s eo ft r a i no p e r a t i o n ，i ti sn e c e s s a r yt oe l l s u i eu n i m p e d e dt r a i np i p ea c c e s st o t h ea i r t h e r e f o r e ，t h ec o u p i n gc o c ki s 叩e n e da r ek e yf a c t o rt ot h et r a i np i p ea c c e s s t ot h ea i ri se x p e d i t ea n dt h et r a i nb r a k i n gs y s t e mi se f f e c t i v e s o ，i ti sv e r yi m p o r t a n t t o 砒u d yt h em e t h o da b o u td e t e c t i n gt h es t a t u so fc o u p i n gc o c k so p e n i n ga n d c l o s i n g i nt h i sp a p e rs u n m a a r i z e st w od e t e c t i o nm e t h o d sa b o u tt h es t a t u so ft r a i np i p e t h r o u g h g o i n ga n dc o u p i n gc o c ko p e n i n ga n dc l o s i n g t h eo n em e t h o di sd e t e c t i n g t h ev a l u eo ft h ep r e s s u r ea n dt h ed i f f e r e n t i a l - p r e s s u r eo nt r a i np i p e s ow ec a nu s e t h ea i r - f i l l e dt i m ea n dt h ea i r - b l e dt i m eo ft h ec h a n g ea b o u tt h ep r e s s u r et oj u d g et h e s t a t u so ft h et r a i np i p ea n dt h ec o u p i n gc o c k t h eo t h e rm e t h o di se s t i m a t i n gt h e s t a t u st h r o u g hm e a s u r et h ef l u x s o ，i fw ec a nf i n daf l o w m e t e rt h a tc a nm e a s u r et h e f l u xe f f e c t i v e l ya n da d a p tt ot h ea c t u a lc o n d i t i o n so ft h el o c o m o t i v eb r a k i n gs y s t e m ， w ea r c ：a b l et od e t e c t t h es t a t u so ft r a i np i p et h r o u g h - g o i n ga n dc o u p i n gc o c k o p e n i n ga n dc l o s i n g 。s o , t h i sp r e s e n tp a p e rp u tf o r w a r dad e t e c t i n 窖p l a nt h a t i n s t a l l e dt h ev - c o n ef l o w m e t e ro nt h ep i p eo fl o c o m o t i v ea i rr e s e r v o i r t h i sv - c o n e f l o w m e t e rh a sv i r t u eo fs m a l lv o l u m e ，n o ts e n s i t i v et ov i b r a t i o ns i g n a l s ，w i d e m e a s m e m e n tr a n g e e x c e l l e n tl i n e a r i t y , s t r o n gf l l n c t i o n so fs e l fc l e a r i n ga n dt h e i n t e r n a lp i p e l i n ei sn o te a s yt op l u g i ti sv e r ys u i tf o rt h ea c t u a lc o n d i t i o n so ft h e l o c o m o t i v e b r a k i n gs y s t e m t h r o u g hd e t e c t i n g f l u xo ft h e c h a r g i n g o l lt r a i n b r e a k i n gs y s t e ma n do b s e r v i n gt h es t a t u so fd r i v e rc o n t r o l l e r , w ec a ne s t i m a t et h e s t a t u so ft r a i np i p et h r o u g h g o i n ga n dc o u p i n gc o c ko p e n i n ga n dc l o s i n g t h i sp a p e rt a k e st h ev - c o n ef l o w m e t e ra st h er e s e a r c ho b j e c ta n di n t r o d u c e s t h et h e o r ya n a l y z i n ga n dt e s tr e s e a r c h i n go ft h ef l o w m e t e r b a s e do nt h ed e s i g no f t h em a c h i n e ，t h em o d e lo ft h ee q u i p m e n tw a ss e tu pa n dt h ee m u l a t i o nw a sm a d eb y h y d r o d y n a m i c sa n a l y s i ss o f t w a r es t a r - c d t h er e s u l to ft h ee m u l a t i o ns h o w st h a tt h e b i g g e ro ft h eb r e a k i n gs e r i e so nt h et r a i nb r e a k i n gs y s t e m ，t h em o r ea i rw a sr e l e a s e d 西南交通大学硕士研究生学位论文第l il 页 i nt r a i np i p c ，t h eg r e a t 町p r e s s r ew a sd e s c e n di nw a i np i p ea n dt h eg r e a t e r d i f f e r e n t i a l - p r e s s u r ew a sp r o d u c e df r o mt h ee q u i p m e n to fv - c o n e ，t h i sc o n c l u s i o n p r o v i d e st h et h e o r yr e f e r e n c ef o ra p o i c a f i o no ft h ef l o w m e t e r a tt h es a m et i m e ， t h i sp a p e rt a k e st h ec h i po ft h et m s 3 2 0 f 2 8 1 2d s pa st h ec o r et oc o m p l e t et h e d e s i g n f a c t a r ea n dd e b u g g i n go ft h ef l o w m c t c f ，ss e c o n de q u i p m e n t 。w h i c hc a l l m e a s 邶ev e r a c i o u sa n dd i s p l a yr e a l - t i m eo ft h et r a i nc h a r g i n gf l u x f i n a l l y , t h e f l o w m e t e rw a st e s t e do nt h eb r e a k i n gl a b o r a t o r yo fs o u t h w e s tj i a o t o n gu n i v e r s i t y s i m u l a t i o nr e s u l t sa r ec o m p a r e dw i t he x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o w st h a tt h ev - c o n e f l o w r a e t e ri sr e a s o n a b l e t h i sf l o w m e t c rn o to n l yc a nb eu s e di n d e t e c t i n gt h e c h a r g i n gf l u xo ft h et r a i nb r e a k i n gs y s t e mb u ta l s oc a nb e u s e di nd e t e c t i n gt h eo t h e r d o m a i no ff l o wm e a s l i r e m e n to nt r a i nb r e a k i n gs y s t e m k e yw o r d s ：b r a k i n gs y s t e m ；c o u p i n gc o c k ；t r a i np i p e ；t h r o u g h g o i n gs t a t u s ；v - c o n e f l o w n t e t c r 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 随着我国铁路干线全面提速，列车的“放飚”事故在每年重大事故中所占 的比率居高不下。究其原因主要是列车中部的折角塞门被非正常的关闭，从而 引起列车制动系统出现故障，以致制动失灵，列车失控。列车制动系统的可靠 性是影响车辆安全运行的重要因素，如何保障列车制动系统正常工作将是现今 乃至未来铁路发展的一项重要任务。本课题所研究的机车制动系统流量计就是 针对列车制动系统的充风流量进行检测，根据流量判断列车管的贯通状态以及 列车中部的折角塞门开闭状态。该流量计能够准确测量并实时显示充风流量， 是列车制动系统是否正常工作的有效检测装置。因而对机车制动系统流量计的 研究具有极其重要的理论意义和现实意义。 1 1 列车制动的基本概念 使列车由静止状态起动加速，需对它施行“驱动”。当列车已处在运动状 态之中，为了使它迅速停车或减速，必须对它施行“制动”。另外，为了使有 运动趋势的机车车辆保持静止，例如，为了避免停放的机车车辆因重力的作用 或风力吹动而溜走，亦需对它们施行制动。只有当驱动与制动两者都能满足要 求时，列车的“动”、“静”才能控制自如。若只顾驱动列车高速运动，忽视必 要时靠制动使之迅速停车，必定会发生危险，影响正常运输，甚至会造成人民 生命财产的损失【“。 人为的制止物体的运动，包括使其减速、阻止其运动或加速运动，均可称 之为“制动”。反之，对已经施行制动的物体，解除或减弱其制动作用，均可 称之为“缓解”。为使列车能施行制动和缓解而安装于列车上的一整套设备， 总称为“列车制动装置”。有时，“制动”与“制动装置”均简称为“闸”，施 行制动既可简称为“上闸”，亦可简称为“下闸”，使制动得到缓解则简称为“松 闸”嘲。 列车制动装置包括“机车制动装置”和“车辆制动装置”。也就是说，在 铁路列车中，不管是具有牵引动力装置的机车( 或动车) ，还是被牵引的货车、 客车( 或拖车) ，都各自具有自己的制动装置。不同的是，机车( 或动车中的 头车) 除了象车辆一样具有使它自己制动或缓解的设备外，还具有操纵全列车 ( 包括机车或头车自身及其他各车) 制动作用的设备。为保证铁路行车安全和 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 提高铁路的通过能力，我国的每一机车车辆均装有制动装置【2 1 。 由制动装置产生的与列车运行方向相反的外力，称为“制动力”。这是人 为的阻力，它比在列车运行中由于各种原因自然产生的阻力一般要大得多。所 以，尽管在制动减速过程中，列车运行阻力( 自然阻力) 也在起作用，但起主 要作用的还是列车制动力( 人为阻力) 。 制动装置一般可分为两大组成部分： ( 1 ) “制动机”产生制动原动力并进行操纵和控制的部分。 ( 2 ) “基础制动装置”传送制动原动力并产生制动力的部分。 列车制动在操纵上按用途可分为两种： ( 1 ) “常用制动”正常情况下为调节或控制列车速度，包括进站停车 所施行的制动。其特点是作用比较缓和而且制动力可以调节，通常只用列车制 动能力的2 0 一8 0 ，多数情况下只用5 0 左右。 ( 2 ) “紧急制动”紧急情况下为使列车尽快停住而施行的制动( 在我 国，也称“非常制动”) ，其特点是作用比较迅猛，而且要把列车制动能力全部 用上。 从司机施行制动( 将制动阀手柄移至制动位) 的瞬间起，到列车速度降为 零的瞬间止，列车所驶过的距离，称为列车“制动距离”。这是综合反映列车 制动装置的性能和实际制动效果的主要技术指标。有的国家使用的是平均减速 度作为其主要技术指标。为了确保行车安全，世界各国都要根据本国铁路情况 ( 主要是列车速度、牵引重量、信号和制动技术等) 制订出自己的制动距离( 或 减速度) 标准紧急制动距离最大允许值，又称“计算制动距离”，其值在 7 0 0 1 2 0 0 i 之间，也有更长的( 高速列车有的已达3 0 0 0 m 或更长) 1 2 j 。我国根 据现有铁路情况制定了中华人民共和国铁路技术管理规程，第1 8 9 条规定 了列车在任何线路坡道上的紧急制动距离限值：运行速度不超过1 2 0 k m h 的列 车为8 0 0 m ；运行速度1 2 0 k m h 以上至1 4 0 k m h 的旅客列车为1 1 0 0 ；运行速度 为1 4 0 k r n h 以上至1 6 0 k m h 的旅客列车为1 4 0 0 m ；运行速度为1 5 0 k m h 以上至 2 0 0 k m h 的旅客列车为2 ) 0 ( 0 1 “。 列车制动系统的基本组成如图1 - 1 所示。 图1 - 1 中，阴影部分是列车制动管5 ，它贯通全列车，是将总风缸2 内由 空气压缩机1 产生的压缩空气传输到各车辆的主要管路【4 j ；折角塞门1 0 安装在 各车辆列车制动管的两端，用来开通和关闭列车制动管和制动软管1 1 之间的 空气通路。组成列车时，机车最前端的折角塞门和列车尾部的折角塞门必须关 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 闭，列车中部的所有折角塞门必须打开，以保证列车制动管路在整体密封前提 下的中间畅通【4 l ；制动阀4 的手柄分别置于缓解位i 、保压位i i 和制动位m 时， 列车将分别处于缓解、保压和制动的状态。 1 空气压缩机；2 总风缸；3 总风缸管；年制动阀；5 列车制动管；每制动缸； 7 - - - - 通阀；8 副风缸；9 络气阀；1 0 折角塞门；1 1 一制动软管；1 2 制动阀排气口 1 3 三通阀排气口；1 4 基础制动装置；1 5 阐瓦。 图1 - 1 列车制动系统基本组成 1 2 研究背景与意义 随着我国国民经济的蓬勃发展和人民生活水平的日益提高，铁路的客、货 运能和运量间的矛盾将日益突出，解决这一矛盾的主要措施之一就是提高列车 运行速度和增加列车牵引重量。近年来，大批快速运营线路相继开通、各种新 型的提速车辆、快速车辆、快速动车组、重载货车不断的设计制造出厂并投入 运营，使我国铁路呈现出一个前所未有的发展态势。目前，我国铁路已经成功 进行了5 次提速，2 0 0 7 年4 月1 8 日将进行第6 次提速。高速和重载已成为世 界铁路技术的两个重要发展方向。 然而，高速客运以及重载货运列车的发展对列车制动系统也提出了更高更 新的要求。要求机车制动机除了应具备列车自动制动与机车单独制动、后备空 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 气制动操纵、操纵现有客货列车制动机( 一次或阶段缓解空气制动机及电空制 动机) 、空气制动与电气制动的混合( 空电联合制动) 、制动机重联及远端重联 控制、断钩保护、无动力回送、列车电空制动等功能外r ”，更应该具备而且重 视基础的列车充风检测功斛n 。 无论是高速列车还是重载列车，对列车管贯通状态和列车中部折角塞门开 闭状态的判断都是最为关键、最需要解决的首要技术问题。从图1 - 1 中可以看 出，列车在运行过程中需要调速、停车，均依赖于以压缩空气为基础的制动装 置，而全列车压缩空气的流通依靠联通全列车风管( 即列车制动管) 的贯通1 5 1 。 折角塞门在列车制动系统中则扮演着开通和关闭各车辆列车制动管送风通路 的角色l 【6 j 。因此，每列车折角塞门是否开通就成为列车风管是否畅通、列车制 动系统是否有效的关键。可见，折角塞门装置虽小，功能虽少，但对整个列车 的贯通状态起着至关重要的作用，与列车的运行安全有着直接的关系。如果列 车在停车或运行过程中，发生了折角塞门关闭事件，则意味着折角塞门关闭位 置后的列车制动管空气通路被切断，机车制动阀失去对折角塞门关闭位置后各 车辆的控制作用。这将造成列车制动力不足，从而导致列车制动失灵或部分失 灵、列车失控，最终酿成列车“放飚”( 刹不住车) 、冒进冒出信号、颠覆j 中突、 脱轨等严重的后果，给人民的生命财产安全造成巨大的损失。所以，只有列车 折角塞门开闭状态正常了，列车制动管路全列贯通了，列车的安全运行才能得 到有效的保障。否则，即使拥有再好的线路、拥有再强劲功率的电力机车，都 不可能实现列车高速和重载的两大目标。 近年来，我国因折角塞门非正常关闭( 简称“折关”) ，造成列车制动管送 风通路阻塞、机车失去对列车的制动能力，导致列车制动失灵，冒进、冒出信 号装置，从而引发的铁路重大行车事故的事例很多，在文献【7 】和文献【8 】等文 献中对这类事故也做了详细的报道，如：1 9 8 8 年7 月1 日在某分局发生的重大 事故死亡4 人，重轻伤多人，机车报废4 台，货车报废2 3 辆【8 】：1 9 8 9 年6 月 2 3 日和1 9 9 2 年1 0 月2 1 日发生的两起重大铁路交通事故，颠覆车辆8 9 辆，机 车报废一台，小破2 台，直接经济损失达15 0 0 万元，中断行车1 8 0 小时【8 l ：1 9 9 7 年贵阳铁路分局发生“9 2 5 ”行车重大事故，造成2 台机车大破，8 辆车辆颠 覆，中断行车1 1 小时2 8 分，直接经济损失5 7 8 0 9 万元【司；1 9 9 9 年成都分局回 龙庵发生“1 1 0 ”行车重大事故，直接经济损失1 5 0 万元例。而且折角塞门非 正常关闭的事件在很多区段呈逐年上升趋势，如洛阳分局从1 9 8 9 年至1 9 9 2 年 1 2 0 0 天内，发现折角塞门非正常关闭4 8 8 起，平均二天半起，1 9 9 3 年前1 1 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 个月就发现2 0 6 起，上升到平均一天半一起【b 1 ：又如贵阳枫务段机车运行区段， 1 9 9 7 年发生“折关”事件7 4 起，1 9 9 8 年发生“折关”事件增加到9 3 起，1 9 9 9 年仅1 9 月就发生“折关”事件9 2 起【5 】。只是由于行车人员严格执行规章制 度、防折关措施得力，才使大量的折角塞门非正常关闭事件并没有造成重大行 车事故罔。 因此，可以说折角塞门的菲正常关闭对列车的安全运行有着及其重大的危 害性。不仅干扰运输生产，更重要的是危及人民生命安全，危害国家财产。 文献【8 】中，对4 8 3 起折角塞门关闭事件进行了分析。得出了三个折角塞门 非正常关闭的主要原因： 2 3 2 0 ( 判断流动属层流还是湍流的临界值) 。因此，在对流量计一次装置的数值仿 真中，流场的流动状态可确定为湍流。并且从后续的仿真结果与试验结果对比 误差很小的情况看，流场流动状态确定为湍流是正确的。 4 3 2 2 流场计算参数的确定 本设计的数值仿真中，在计算之前，对s t a r - c d 中一些默认的计算参数做 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 0 页 了更改和设定： ( 1 ) 将流体考虑为可压缩流。s t a r - c d 中默认的计算流体是不可压缩流， 但因本研究中是针对列车制动系统的充风流量进行检测，外测量管道直接与机 车上的总风缸管道相连，则入口处气体压力值近似等于总风缸内气体压力值， 大致为8 个大气压，面对如此大的压力，被测气体一定要考虑可压缩性。因此 在d e 璐i t y 选项中要选择i d e a l 棚p ) ，即流体的密度要随流体温度或压力的变 化而变化。 ( 2 ) 将流体考虑为商雷诺系数的湍流流动状态，并使用k - e 两方程模型。 s t a r - c a 中默认的计算流体是层流状态，因上一段中已经计算过本设计中所遇到 的流体是湍流状态，并且雷诺数高，因此要将t 1 l r b u l e n c em o d e l 中原来的 l a m i n a rf l o w 改为t u r b u l e n tf l o w ，同时使用紊流动能k 方程和紊流动能耗散率 e 方程，即k - e 两方程模型。 ( 3 ) 将反复迭代计算次数规定为1 0 0 0 0 次。s t a r - c d 中默认的反复迭代计 算次数为1 0 0 次，意为当反复迭代计算次数达到1 0 0 次时，如果仍然得不到收 敛的结果，计算会自动停止。本模型中划分的网格数比较多，计算量比较大， 在默认的1 0 0 次计算结果中根本得不到收敛的值，所以为了使计算结果更精确， 更接近实际值，将计算迭代次数扩大到了1 0 0 0 0 次。 ( 4 ) 将计算结果的最大收敛位置规定为0 0 0 1 。s t a r - c d 中默认的最大收敛 位置为0 0 1 ，即当计算结果达到小数点后两位时就认为结果是收敛的了，计算 会自动停止。而模型中划分的网格数较多。计算量较大，为了使计算结果更精 确，将计算结果的最大收敛位置规定为0 0 0 1 。 ( 5 ) 计算方法采用了s t a r - c d 中提供的三种隐式算法s i m p l e 、p i s o 和 s 1 m p i s o 中的s i m p l e 算法。其中s i m p l e 和s i m p i s o 用于计算定长流，而 p i s 0 既用于定长流又用于非定长流动。 4 3 2 3s i m p l e 算法 s t s r - e d 用的是有限体积法。本模型的数值仿真中采用了目前工程上应用最 为广泛的一种流场计算方法一s i m p l e 算法。s i m p l e 是英文s e m i i m p l i c i t m e t h o df o rp r e s s u r e - l i n k e de q u a t i o n s 的缩写，意为“求解压力耦合方程组的半 隐式方法”，该方法由p a t a n k a r 与s p a l d i n g 于1 9 7 2 年提出【4 2 l ，是一种可用于求 解不可压流场和可压流场的数值方法，它属于压力修正法的一种。它的核心是 采用“猜测修正”的过程，在交错网格的基础上来计算压力场，从而达到求 解动量方程( n a v i e r - s t o k e s 方程) 的目的。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 1 页 s i m p l e 算法的基本思想可描述如下：对于给定的压力场( 它可以是假定 的值，或是上一次迭代计算所得到的结果) ，求解离散形式的动量方程，得出 速度场。因为压力场是假定的或不精确的，这样，由此得到的速度场一般不满 足连续方程，因此，必须对给定的压力场加以修正。修正的原则是：与修正后 的压力场相对应的速度场能满足这一迭代层次上的连续方程。据此原则，我们 把由动量方程的离散形式所规定的压力与速度的关系代入连续方程的离散形 式，从而得到压力修正方程，由压力修正方程得出压力修正值。接着，根据修 正后的压力场，求得新的速度场。然后检查速度场是否收敛。若不收敛，用修 正后的压力值作为给定的压力场，开始下一层次的计算。如此反复，直到获得 收敛的解【4 1 1 。 4 3 3 数值仿真结果后处理， 本系统中进行数值仿真的目的：就是要在不同的充风状态下，将气体流过 流量计节流件前后所产生的压力差的仿真结果与试验结果做对比，验证流量计 一次装置机械设计的合理性。从而根据这个压力差，通过“v ”型内锥式流量 计的流量计算公式来计算流量，达到判断列车管贯通状态以及列车中部折角塞 门开闭状态的目的。然而，要想对列车制动系统的整个充风过程进行仿真是很 困难的，所以本研究中采取的方案是仿真瞬间充风的过程，而这个瞬态就是列 车制动系统制动结束，刚开始对列车管进行充风的时间。因为在这个瞬态上， 总风缸与列车管的压力差是最大的，流体流过“v ”锥前后产生的压力差也是 最大的，瞬间充风的流量也是最大的，便于仿真结果与试验结果的分析对比。 本设计模拟的充风状态有4 种，它们分别是： ( 1 ) 仿真3 级制动后对列车进行充风缓解的瞬态差压。 ( 2 ) 仿真4 级钊动后对列车进行充风缓解的瞬态差压。 ( 3 ) 仿真5 级制动后对列车进行充风缓解的瞬态差压。 ( 4 ) 仿真对列车进行初始充风的瞬态差压。 根据列车制动系统的工作原理，当列车制动系统进行阶段制动结束时，列 车管内压缩空气由于列车制动系统对列车的制动作用将部分排出，因此列车管 内气体压力有所下降，而总风缸内由于没有压缩空气送出，总量并没有变化， 压力也没有变化。所以在对阶段制动后车辆缓解的瞬间充风差压进行数值仿真 时，总风缸内压缩空气压力值可近似看作是正常工作状态下的8 0 0 k p a ，列车管 内压缩空气压力值根据阶段制动级数的不同，压力值不同。三级制动后降为 4 9 0 k p a 左右，四级制动后降为4 7 0 k p a 左右，五级制动后降为4 5 0 k p a 左右，初 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 2 页 始充风时，相当于列车管与大气相连，其压力值为大气压力1 0 1 3 k p a 。 从第三章图3 3 可知，试验中，高压p ，所取压力是流体流过“v ”锥前， 在外测量管管道内边壁所产生的压力，低压乃所取压力是流体流过“v ”锥后， 在锥尖中心处产生的压力。 4 3 3 13 级制动后对列车充风缓解的瞬态数值仿真 进行3 级制动后对列车充风缓解的瞬态数值仿真时，模型入口设为压力边 界条件，压力值取试验条件下总风缸实际压力值，为8 0 0 k p a ；模型出口也设为 压力边界条件，压力值取试验条件下列车管实际压力值，为4 9 0 k p a 。进行数值 仿真后“v ”锥前后产生的压力值如图4 - 3 、4 4 所示。 图4 33 级制动后对列车瞬态充风时流体流经“v ”锥前的压力值 图4 - 43 级制动后对列车瞬态充风时流体流经“v ”锥后的压力值 由图4 - 3 、4 - 4 可知，p , - - o 7 6 7 8 x 1 0 6 p a ，已町5 2 9 3 x1 0 6 i a ，则产生的瞬 间差压4 舟p j - p r - - o 2 3 8 5x 1 0 6 p a 。 孽 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 3 页 4 3 3 24 级制动后对列车充风缓解的瞬态数值仿真 进行4 级制动后对列车充风缓解的瞬态数值仿真时，将模型入口设为压力 边界条件，压力值取试验条件下总风缸实际压力值，为8 1 5 k p a ，模型出口也设 为压力边界条件，压力值取试验条件下列车管实际压力值，为4 7 0 k p a 。进行数 值仿真后“v ”锥前后产生的压力值如图4 5 、4 _ 6 所示。 图4 - 54 级制动后对列车瞬态充风时流体流经“v ”锥前的压力值 图4 - 64 级制动后对列车瞬态充风时流体流经“v ”锥后的压力值 由图4 5 、4 6 可知，p r - - - o 7 7 9 8 1 0 6 p a ，p z = o 5 1 5 0 1 0 6 p a ，则产生的瞬 间差压a p = p i - p t - - - o 2 6 4 8 1 0 6 p a 。 4 3 3 35 级制动后对列车充风缓解的瞬态数值仿真 进行5 级制动后对列车充风缓解的瞬态数值仿真时，将模型入口设为压力 边界条件，压力值取试验条件下总风缸实际压力值，为8 1 0 k p a ，模型出口设为 压力边界条件，压力值取试验条件下列车管实际压力值，为4 4 5 k p a 。进行数值 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 4 页 仿真后。v ”锥前后产生的压力值如图”、4 - 8 所示。 图4 75 级制动后对列车瞬态充风时流体流经“v ”锥前的压力值 图4 _ 85 级制动后对列车瞬态充风时流体流经“v ”锥后的压力值 由图4 1 7 、4 8 可知，p r - - o 7 7 3 2 1 0 6 p a ，p r = o 4 9 3 7 x1 0 6 p a ，则产生的瞬 间差压a p = p t - p 2 - - 一o 2 7 9 5x l o c p a 。 4 3 3 4 对列车初始充风缓解的瞬态数值仿真 对列车进行初始充风的瞬态数值仿真对，情况与前面介绍的阶段制动大致 相同。模型入口设为压力边界条件，压力值取试验条件下总风缸实际压力值， 为7 8 0 k p a ；模型出口也设为压力边界条件，但由于初始充风时，列车管相当于 与外界大气相通，所以其压力值的选取就取大气压力，为1 0 1 3 k p a 。进行数值 仿真后“v ”锥前后产生的压力傻如图4 - 9 、4 1 0 所示。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 5 页 图对列车初始充风缓解时流体流经。v ”锥前的瞬态压力值 图4 - 1 0 对列车初始充风缓解时流体流经。v ”锥后的瞬态压力值 由图4 9 、4 - 1 0 可知，p r - - - o 7 7 7 3 l o ： p a ，卿2 3 7 1xi c p a ，则产生的瞬 间差压a p = p j - p z - - o 5 4 0 2 1 0 6 p a 。 4 3 3 5 数值仿真结果分柝 流体运动的伯努利方程反映了流体压力与流速之间的关系，而流体运动的 连续性方程反映了流体流速与流通管道横截面积之间的关系。 根据流动伯努利方程和流动连续性方程，如图4 - 3 、图4 - 5 、图4 - 7 以及图 4 - 9 中。v ”锥前的灏量管上，管壁处的压力值双左至右逐渐减小，意味着流 速在逐渐增大；而管壁到管中心处压力值逐渐增大，意味者流速在逐渐减小， 这一变化说明“v ”型内锥式节流件在逐渐将流体收缩到管道内边壁附近。造 成管道中心流体的流速逐渐减小。又如图4 - 4 、图4 - 6 、图4 - 8 以及图4 i o 中 。v ”锥后的测量管上，发现管壁处的压力值从左至右逐渐增大，意味着流速 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 6 页 在逐渐减小，说明流体通过“v ”锥瞬间流速最大；而管壁到管中心处压力值 逐渐升高，意味流速逐渐减小，说明流体流过“v ”锥后，在锥中心处会形成 小面积旋涡，但远离锥体后，旋涡消失，压力和流速变化趋于平缓。 将不同充风状态的p ，p 2 ，i p 的值汇成表4 2 。 表4 2 数值仿真结果 制动级数入口压力k p a出口压力l d a “v ”锥前后压力差l 出a 3 级制动8 0 04 9 0p ；2 3 8 5 4 级制动8 1 54 7 04 p = 2 6 4 8 5 级制动 8 1 04 4 5 厶p = 2 7 9 5 初始充风7 8 01 0 1 34 p = 5 4 0 2 从上表可以看出，列车制动系统产生的制动级数越大，列车管排风越多， 压力下降就越大，通过“v ”锥前后产生的差压也越大。 4 4 本章小结 本章介绍了计算流体动力学的基础知识和研究中需要使用的c f d 软件一 s t a r - c d 。详细说明了对“v ”型内锥式流量计次装置的流场进行数值仿真的 过程，包括对流场的几何建模、网格划分、边界条件的设定、流场流动状态和 计算参数的确定、s i m p l e 算法的选取等。最后根据数值仿真结果的后处理， 获得了流量计一次装置流场的压力分布情况。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 7 页 第5 章流量计二次仪表硬件电路设计 完成了“v ”型内锥式流量计一次装置的理论分析和计算机数值仿真后， 开始进行流量计二次仪表( 即流量检测装置) 的硬件电路设计。该硬件电路要 完成差压信号的采集、处理、流量计算以及流量显示这几部分功能。 5 1 系统功能需求及总体设计 “v ”型内锥式差压流量计的二次仪表又称流量计的计算机检测装置，它 与“v ”型内锥的节流装置( 差压信号的形成部分) 、标准压力传感器( 差压信 号转换成电信号部分) 共同组成了“v ”型内锥式流量计。 “v ”型内锥式流量计二次仪表应该能完成以下功能： ( 1 ) 能对两个标准压力传感器的输出电压信号进行数据采集； ( 2 ) 能对采集到的电压信号进行运算处理，计算出流量； ( 3 ) 能对流量值进行显示。 根据以上的功能需求，二次仪表应该由以下几部分组成： ( 1 ) 信号调理模块，主要完成对标准压力传感器的输出电压信号的滤波； ( 2 ) c p u 模块，主要完成信号的采集、处理和流量计算； ( 3 ) 液晶显示模块，主要完成压力信号和计算流量值的显示； ( 4 ) 电源模块，主要完成整个系统的供电，包括给c p u 供电，给标准传 感器供电，给液晶显示屏供电。 该二次仪表的功能框图如图5 1 所示。 图5 1 计算机检测装置功能框图 5 2c p u 模块设计 c p u 模块的设计是整个硬件系统的核心部分，是检测装置的中央处理单 元。它接收各种输入信号及进行信号采集，并按照程序对各输入信号进行判断、 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 8 页 计算和输出。它主要包括以下5 个部分的设计： ( 1 ) i o 引脚的扩展； ( 2 ) 存储空间的扩展； ( 3 ) 复位电路； ( 4 ) 时钟电路； ( 5 ) j t a g 接口。 5 2 1c p u 芯片的选择 1 1 公司的聊s 3 2 0 f 2 8 1 】【d s p 是为了满足控制应用而设计的，它是将一个 高性能的d s p 内核和微处理器的片内外设集成为一个芯片的方案，具有精度 高、速度快、集成度高等特点。 本系统的c p u 芯片选用的是美国1 r i 公司的t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 d s p 。这主要是 基于以下几点考虑： ( 1 ) t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 采用了高性能的静态c m o s 技术，主频可达1 5 0 m h z ， 完全满足压力缓变信号的采集和处理要求； ( 2 ) t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 集成的a d 模块是1 2 位的，采样精度较高； ( 3 ) t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 集成了大量的外设，除a d 模块外，还有c a n 通信 模块、s c i 通信模块、s p i 通信模块和m c b s p 通信模块( 多通道缓冲串行接口) ， 并且t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 具有高达5 6 个独立的可编程、多用途通用输入输出( g p i o ) 引脚，这些丰富的外设接口可以降低开发难度，缩短产品开发时间，有效地降 低成本： ( 4 ) t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 片内有1 2 8 位的密钥，能够对烧写进去的程序进行加 密，防止被盗； ( 5 ) 1 m s 3 2 0 f 2 8 1 2 对c 语言、c + + 和汇编语言均具有很好的支持，与 c 2 4 x d s p 的程序代码兼容，因此使得程序代码编写相对容易。 1 m s 3 2 0 f 2 8 1 2 除了具有以上一些优点外，还具有其他许多特点： ( 1 ) 采用高性能静态c m o s 技术，使得核心电压仅为1 8 v ，i ，o 口电压 仅为3 3 v ，降低了控制器的功耗； ( 2 ) 高性能的3 2 位中央处理器采用哈佛总线结构，具有强大的操作能力 和迅速中断响应及处理能力； ( 3 ) 片内含最多达1 2 8 k 1 6 位的f l a s h 存储器，两块4 k x1 6 位的单口 随机存储器( s a r a m ) l 0 和l 1 ，一块8 k x l 6 位的单口随机存储器h 0 ，两 块1 k 1 6 位的单口随机存储器m 0 和m 1 ； 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 9 页 ( 4 ) 外部存储器扩展接口提供了最多1 m b 的寻址空间； ( 5 ) 两个事件管理器模块e v a 和e v b ，每个均有两个1 6 位的通用目的 定时器和8 通道1 6 位的p w m ( 脉宽调制) ； ( 6 ) 基于锁相环( p u 。) 的时钟发生器，支持动态改变锁相环的倍频系数， 具有低功耗模式和省电模式。 5 2 2c p u 模块设计 5 2 2 1i o 引脚的扩展 1 m s 3 2 0 f 2 8 1 2 d s p 芯片具有多达5 6 个通用，双向的数字i 0 ( g p l 0 ) 引 脚，其中大多数都是基