【《高速动车组中继阀机械特性分析》5600字】

高速动车组中继阀机械特性分析目录TOC\o"1-3"\h\u19652高速动车组中继阀机械特性分析 1128361.1中继阀概述 1130731.2中继阀工作原理分析 1144181.3中继阀机械特性仿真分析 3324851.1.1制动控制响应时间 573881.1.2流量对制动压力上升时间的影响 7204391.1.3阀芯瞬时位移动态稳定性 91.1中继阀概述在高速动车组中，中继阀是电空直通式制动系统中相当重要的动作部件，被安装在空气制动装置内，通过它可以使车辆产生不同的制动和缓解作用。不管是在列车的常用制动还是紧急制动工况下，都必须要使中继阀能够根据动作压力的不同而输出对应的大流量制动压力，从而实现对制动压力快速、精确的控制。中继阀作为空气制动系统中的关键执行机构，其机械特性的良好与否将直接关系到高速列车制动系统机械特性的优劣，从而在相当程度上影响高速动车组在运行时的安全性和可靠性。1.2中继阀工作原理分析中继阀安装在高速动车组的空气制动控制装置之中，由给排阀杆、供给阀、节流栓、复位弹簧、反馈腔、预控腔、和橡胶膜板等部分构成。中继阀在严格意义上来说可以是一种截止阀。控制气路与阀杆的上腔是相通的，制动缸与下腔是相通的，其间通过节流孔进行连接。阀口套的两侧分别通向制动缸和副风缸，移动阀芯的中心通孔则与大气相连通。中继阀将由电空转换阀输出来的压强（记为AC1）或紧急用压力调整阀输出来的紧急制动压强（记为AC2）作为输入压强，向制动缸输出与此压强相应的空气压强（输出压强记为BC）。其各结构及工作原理示意图如图3-1所示。图3-1中继阀结构及工作原理示意图中继阀的输出压强大小与其高压优先输出特性有关作为一种双腔室流量放大阀，中继阀的输出压强(BC)值等于常用制动预控腔(ACl)与紧急制动预控腔(AC2)中压强二者中压力较大值。在常用制动或者紧急制动工况下，来自控制气路的压缩空气作为预控压力空气首先进入制动压力预控腔，即AC腔。其中常用制动时，由AC1室接收来自电空转换阀的压缩空气；紧急制动时，由AC2室接收从紧急用压力调整阀送来的紧急制动压缩空气。这些压缩空气进入腔室后会迫使供排气阀杆上移，顶开供气阀，再克服移动阀芯弹簧力的作用后顶开移动阀芯，打开进气通路；然后，阀内连杆在压缩空气作用下移动，促使副风缸内的空气经供气阀口从移动阀芯与阀口套之间形成的环形通路进入制动缸中，实现制动作用。在缓解指令发出后，AC1压强或AC2压强降低，排气阀杆下移，阀杆上腔中的压缩空气经回路返回大气。压力的下降促使弹簧施加外力让阀芯与阀口套贴合从而闭合进气通路，这时阀杆会在压差作用下持续上移，排气通路打开。制动缸内的压缩空气会经移动阀芯中心通孔排入大气，实现缓解作用。中继阀除了通过输出不同的压强使列车产生不同的制动和缓解作用以外，还可以在制动过程中实现必要的保压效果。在制动过程中，制动缸内的压缩空气还可流入反馈室产生反馈作用。由于节流孔的存在，副风缸里的压缩空气会同时进入阀杆上腔和下腔，当阀杆上下腔的压力近乎相等时，即当制动缸内的空气压强上升到与AC1压强或AC2压强相同时，移动阀芯在弹簧力的作用下向上移动，供气阀会下移关闭阀口，关闭进气通路，这个时候压缩空气将停止向增压缸流动。这个状态就称之为保压状态，无论AC1压强或AC2压强有多大，这时的制动缸内的空气压强均会与之相同，从而实现保压效果，让列车此过程维持恒定大小的制动力。并且如果制动缸内气体因为制动缸泄漏或其他原因造成压力下降，阀杆上下腔之间会重新形成压力差，迫使阀杆连杆下移，打开进气口，直到制动缸内压力恢复，进气通路再次关闭，从而还能够实现自动保压。1.3中继阀机械特性仿真分析通过上述对中继阀的构造及原理的分析可以看出，中继阀主要靠阀芯的上下移动来输出不同的压强实现对列车制动和缓解的控制。因而其机械特性的优良与否主要取决于阀芯的运动特性和压强的输出效果。故中继阀的机械特性分析也应该从二者入手，分析相关的性能指标。因此，可以得出反映中继阀机械特性的指标主要有以下三点：（1）制动控制响应时间（2）流量对制动压力上升时间的影响（3）阀芯瞬时位移动态稳定性确定了反映中继阀机械特性的分析指标之后，就需要对中继阀的分析模型进行建立。使用一般的三维实体建模软件或者有限元分析软件只能从相当有限的程度上进行流体分析，对于中继阀这种腔室类气动元件的输出压强、内部压强、内部零件运动状态均不能收到很好的分析效果，不利于系统地分析中继阀的机械特性。因此，这里需要使用到专门用于液压、气动元件等的流体分析软件，如AMEsim软件。AMESim软件是一款专门基于流体和液压分析的专业化软件，其功能十分强大，尤其是内含丰富的标准气动和液压元件，实现了模块化的建模仿真方式。使用者只需建立建立合理的仿真模型，并将各元件连接，AMEsim就能自动以相应的算法计算和仿真各参数。尤其是对中继阀这种复杂的气动元件而言，使用AMEsim软件进行分析相比其他软件能大幅减少工作量，并且得到精确的特性仿真结果。因此，本文选择使用AMEsim软件建立中继阀的分析仿真模型，从而比较真实地模拟中继阀的实际物理结构，仿真模型如图3-2所示。图3-2中继阀AMEsim仿真模型从图中可以看出，使用AMEsim软件建立的中继阀仿真模型，能够充分且简明直观地反映中继阀的实际物理结构。同时对于中继阀这种气动元件，为了得到比较准确的仿真结果，本文在AMEsim软件中建立中继阀的仿真模型时，对内部腔室的结构、节流孔直径及管路尺寸等影响中继阀性能的关键参数均给予了充分考虑。以350km/h速度等级的“复兴号”动车组为对象，收集350km/h高速动车组中继阀相关结构尺寸参数如表3-1所示。表3-1中继阀仿真模型相关参数物理含义单位数值移动阀芯气缸直径mm30移动阀芯活塞杆直径mm20节流孔直径mm1.5出口风缸容积L41出口风缸初始压力bar12制动管路长度mm5500制动管路直径mm14.1首先，就中继阀的实际结构而言，中继阀的常用制动压力预控室（AC1）与电空转换阀相连接，其紧急制动压力预控室（AC2）与紧急用压力调整阀相连接，三个阀的压缩空气彼此连通。因此中继阀在作用过程中的压力势必会收到其余两个阀的影响。在本文利用AMEsim软件所建立的仿真模型中，为了更加有效地单独研究中继阀单阀的流体特性和动态性能等机械特性，最大限度避免电空转换阀及紧急电磁阀对分析结果带来的干扰，而选择将常用制动预控压力ACl与紧急制动预控压力AC2直接采用压力源进行供气。其次，本文在建立仿真模型时充分考虑中继阀各腔室和阀杆的布局结构，分模块分区域将各腔室模型建立并连接起来，如常用制动压力预控室（AC1）、紧急制动压力预控室（AC2）、供给阀组件、排气阀组件、节流孔、出口风缸等模块。另外，考虑到中继阀内部的弹簧刚度、O形圈的阻力以及阀芯惯性对阀本身动态调整时的稳定性及压力控制精度有重要影响。因此，本文在仿真建模过程中，将阀芯与弹簧等效为质量-弹簧系统，对气缸的行程及截止阀的最大开度通过限位质量块来控制。利用式(5)计算其系统阻尼系数，作为模型中质量块的参数输入。阀杆与移动阀芯之间的初始距离，则在模型中通过设置环形槽滑阀的阀口初始重叠量来实现。基于AMESim仿真软件建立的这个中继阀模型，能够很好地对其制动控制响应时间、流量对制动压力上升时间的影响、阀芯瞬时位移动态特性进行仿真计算，能够有效验证中继阀的机械特性，并作为评价350km/h高速动车组制动系统机械特性的关键性能指标。1.1.1制动控制响应时间在列车发出制动指令后，制动系统内各元器件一般会经历这样的三个阶段：一是没有任何制动力的空走阶段、二是制动压力不断上升至正常工作的阶段，三是维持制动力的保压阶段。对高速动车组而言，当制动指令发出后，必须使各部件尽快地响应并产生制动作用。中继阀作为制动系统中相当重要的机械部件、作为一种等值流量放大阀，其流量的大小直接决定了整车的制动控制响应时间，制动响应时间的快慢将作为中继阀机械特性的关键指标。通过探究350km/h高速动车组中继阀在紧急制动工况下的流量特性，可以相较于常用制动时更清楚地反映列车产生制动作用的时间，从而得出制动响应时间的快慢，从流量上反映中继阀的机械特性。这里再研究中继阀制动控制响应时间时采用了充罐法。即使中继阀输出紧急制动工况下制动缸最大容量所对应压力的90%，即制动缸压力峰值的90%，达到该压力的上升时间即视为产生最大制动作用的响应时间。继续输出压缩空气至充满整个制动缸，达到制动缸最大工作压力后即开始排气，排气至中继阀内压缩空气压强与外界大气压强几乎相等后，实现缓解作用，压力下降至此的时间即为缓解时间。查阅相关资料可知，350km/h高速动车组制动系统制动缸容积为41L，制动缸在紧急制动工况下的最大工作压力压力为490kPa。因此本模型中设置负载风缸容积为41L，中继阀节流孔直径为1.5mm，探究如下两个指标：BC压力由0上升到440kPa的时间；BC压力由490kPa下降到40kPa的时间。根据以上两个指标可以从AMEsim软件中输出负载风缸的压力-时间曲线图，如图3-3所示。图3-3负载风缸的压力-时间曲线图从图中可以读出，中继阀输出压力在第1.53秒时达到440kPa，在第1.98秒时达到490kPa，并在5.03秒时排气完成。也就是说，列车在收到制动指令后中继阀开始动作，并在此后第1.53秒时产生制动作用，在1.05秒时间内实现完全缓解。这里值得说明的是，需要将上述结果中第1.53秒时产生制动作用的时间与列车的空走时间做出区分。列车空走时间是指从司机将制动阀手柄置于制动位时起，到假定全列车所有闸片都在某一瞬间同时压上车轮制动盘，并且闸片压力就在这瞬间从零骤增到最大值的这一瞬间为止，列车在这一过程中所经历无制动力的时间。这段时间与制动管长度、直径等参数有关。并且中继阀的存在能够有效减少列车的空走时间。因此显然这里并非指列车空走1.53秒后才开始制动，而是指在紧急制动工况下，中继阀开始动作1.53秒后制动力上升达到最大值。也就是说，中继阀一但动作，经空走时间后即产生制动力，经1.53秒后制动力达到紧急制动下的峰值。同理，在第1.98秒处即开始缓解，经1.05秒后实现完全缓解。查阅350km/h高速动车组相关的标准，可知中继阀开始动作至列车产生最大制动力的时间须控制在2秒内，实现完全缓解时间须控制在1.5秒内。因此，本模型中得出的仿真结果均满足对制动控制响应时间的要求。1.1.2流量对制动压力上升时间的影响如前所述，在列车发出制动指令后，制动系统内各元器件一般会经历这样的三个阶段：一是没有任何制动力的空走阶段、二是制动压力不断上升至正常工作的阶段，三是维持制动力的保压阶段。由此可见，制动缸内压力的上升时间将很大程度上影响列车的制动距离，而中继阀的流量又对压力上升时间有较大的影响。中继阀拥有最佳的进排气流量就能使后续的制动装置拥有最佳的响应时间，从而优化列车的制动性能。因此，中继阀的流量对制动压力上升时间的影响也是研究高速动车组制动系统机械特性的重要指标之一。中继阀的进排气流量由节流孔的大小确定，则本模型中研究中继阀的流量对制动压力上升时间的影响需要改变的参数变量为节流孔直径大小。对于中继阀而言，节流孔起到阻尼作用，其直径大小会直接影响输出压力的控制精度及稳定时间。而节流孔尺寸的最终确定还需要综合考虑中继阀出口处负载腔室大小。350km/h高速动车组的中继阀的节流孔大小通常在1.5mm左右。为了研究中继阀流量对制动压力上升时间的影响，需要确定一定范围内不同取值的节流孔直径大小，这里选择1.0mm、1.5mm、2.0mm三个取值。这里同第1.1.1节一样，使制动缸压力上升至490kPa，探究不同节流孔直径下该压力上升时间的快慢。在AMEsim软件中输出在紧急制动工况下，节流孔分别取直径为1.0mm、1.5mm、2.0mm时制动缸压力上升时间的曲线图如图3-4、3-5、3-6所示。图3-4节流孔直径为1.0mm时制动压力上升曲线图3-5节流孔直径为1.5mm时制动压力上升曲线图3-6节流孔直径为2.0mm时制动压力上升曲线从图13中可以看出，总的来说，制动压力的上升时间会随着中继阀节流孔直径的增大即流量的增大而减少，但这个趋势在中继阀节流孔直径大小取值为1.5mm时发生明显变化。当节流孔直径大小取值为2.0mm，即大于1.5mm时，制动缸压力上升速度变化不大，中继阀流量对制动缸压力上升时间的影响变缓；当节流孔直径大小取值低于1.5mm时，直径的减小，压力上升速度明显变慢。因此，当节流孔直径大小1.5mm时，已经能使中继阀获得相对优越的流量特性。1.1.3阀芯瞬时位移动态稳定性中继阀节流孔直径的大小不仅会对固定负载，即制动缸的压力上升时间产生影响，而且会直接影响其本身输出压力的稳定性。这种对稳定性的影响主要集中在进气阀芯稳定性上，通过阀芯的瞬时位移来体现。因此，阀芯的瞬时位移动态稳定性也成为评价中继阀机械特性的重要指标之一。分析阀芯瞬时位移动态稳定性也需要控制节流孔直径大小为自变量参数讨论其影响。根据第1.1.2节的分析结果，节流孔直径大小在1.5mm以上时，整阀的性能差别不大。因此本节将在1.5mm以下选取节流孔直径大小，这里选择1.0mm和1.5mm两种工况作比较。本节中继阀输出压力同样参考第1.1.1节，以一次紧急制动工况来分析整个制动过程中阀芯的动态稳定性。仿真过程如下，紧急制动预控压力AC2由0kPa上升到400kPa，保持1s后，继续上升到500kPa，保持2s，最后下降到300kPa。在AMEsim中分别输出节流孔直径取1.0mm和1.5mm下出口风缸的压力，以及对应情况下阀芯的瞬时位移曲线，探究其动态稳定性。