货运列车制动系统的建模及仿真研究yc.docx
《货运列车制动系统的建模及仿真研究yc.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《货运列车制动系统的建模及仿真研究yc.docx（104页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
货运列车制动系统的建模及仿真研究yc
国内图书分类号：
U260.351；U270.35密级：
公开
国际图书分类号：
629
西南交通大学
硕士研究生学位论文
货运列车制动系统的建模及仿真研究
年级二零零七级
姓名杨璨
申请学位级别硕士
专业城市轨道交通技术与装备
指导老师倪文波教授
二零一零年三月
ClassifiedIndex：
U260.351；U270.35
U.D.C：
629
SouthwestJiaotongUniversity
MasterDegreeThesis
MODELINGANDSIMULATIONRESEARCHONFREIGHTTRAINBRAKINGSYSTEM
Grade:
2007
Candidate:
YangCan
AcademicDegreeAppliedfor:
MasterDegree
Speciality:
UMTTechnologyandEquipment
Supervisor:
Prof.NiWen-bo
Mar.2010
西南交通大学
学位论文版权使用授权书
本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。
本人授权西南交通大学可以将本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、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。
本学位论文属于
1．保密□，在年解密后适用本授权书；
2．不保密□，使用本授权书。
（请在以上方框内打“√”）
学位论文作者签名：
指导老师签名：
日期：
日期：
西南交通大学博士学位论文创新性声明
本人郑重声明：
所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所得的成果。
除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。
对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中作了明确的说明。
本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。
本学位论文的主要创新点如下：
运用高级流体仿真软件AMESim对货运列车制动系统进行建模和仿真研究，对空气制动阀乃至制动系统的优化起到指导意义，为进一步进行制动系统故障模拟和诊断分析打下基础。
学位论文作者签名：
日期：
西南交通大学硕士学位论文主要工作（贡献）声明
本人在学位论文中所做的主要工作或贡献如下：
1．在了解货车制动系统发展概况的基础上，以120型空气制动机为研究对象，对其结构和工作原理进行深入的了解；
2．在空气流动理论的基础上，运用高级流体建模和仿真平台AMESim软件建立货车制动系统仿真模型，并设置相应参数对其进行仿真研究；
3．将仿真结果与试验结果进行对比分析，完善了120型空气制动机的仿真模型；
4．对制动系统参数进行了研究，分析了其对制动系统性能的影响，探讨参数和制动性能之间的关系；
5．通过仿真模型，完成局减阀在常用制动工况下的故障模拟；
6．对120辆编组的货运列车制动系统进行常用制动及紧急制动工况仿真研究。
本人郑重声明：
所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所得的成果。
除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。
对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中作了明确说明。
本人完全了解违反上述声明所引起的一切法律责任将由本人承担。
学位论文作者签名：
日期：
摘要
随着国民经济的迅速发展，铁路运量的猛增，运量与运能矛盾的日益突出，重载运输已成为我国铁路运输的主要发展方向。
重载运输的发展必然对重载列车制动系统性能提出更高的要求，因此，对货车制动系统进行研究显得尤为迫切。
试验一直以来都是研究列车制动问题的重要手段。
但试验尤其是线路试验会占用运营线路，不仅耗费时间，花费大量的经费，而且数据结果的离散性较大。
这些对新产品的研制和开发都带来诸多不便。
计算机技术的发展，为建立制动系统仿真模型创造了条件，促进了制动系统模拟研究的迅速发展。
利用计算机建立仿真模型并对之进行分析计算，不仅可以模拟各种复杂的工况，而且节省了大量的人力、物力和财力，并可极大地降低产品开发成本，缩短开发周期。
目前，国内外制动系统性能数值仿真的研究采用自行编制程序和使用通用仿真软件进行二次开发两种方法。
AMESim是基于物理模型的图形化建模平台，已在航空、汽车等领域证明了其具有较高的准确性和可靠性。
120型空气制动机是目前我国货运列车制动系统的主型制动机，120型空气控制阀是120型空气制动机中最关键的部件，直接影响着制动系统的性能。
本文根据120型空气控制阀工作原理和气体流动理论，在AMESim仿真平台上建立了配有该阀的货车制动系统单车仿真模型，结合试验数据进行对比研究，验证了仿真模型的正确性和可靠性。
在此过程中，还研究了制动系统内移动部件的运动特性，并分析了阀内参数对制动系统的影响。
最后，论文还建立了可实现120阀各种工作功能的货运列车制动系统仿真模型，并对120辆列车编组进行了仿真研究。
该项研究对空气制动阀乃至制动系统的优化起到指导意义，为进一步进行制动系统故障模拟和诊断分析打下了基础。
关键词：
制动系统；120阀；AMESim；仿真
Abstract
Withtherapiddevelopmentofthecountryeconomy,andthesharpincreaseofrailwaytransportvolume,theconflictbetweentrafficvolumeandtransportationcapacityisbecomingmoreandmoreoutstanding.Theheavy-haultransportationhasbeenamaindevelopingdirectioninChineserailwaytransportation.Duetothedevelopmentofheavy-haultransportation,theperformanceforbreaksysteminheavyhaultrainhasbeenputforwardwithahigherrequirement.Therefore,conductingastudyonthebrakesystemforfreightcarisparticularlyurgent.
Experimentisalwaysanindispensablemeansforresearchingthebrakeproblem,butitwilloccupytheoperationlines,whichnotonlywastestimeandcostsplentyoffunds,butalsoresultscomparativelydispersionofthedata,bringinglotsofinconveniencetotheresearchanddevelopmentofnewproducts.Thedevelopmentofthecomputertechnologycreatesconditionsforestablishingthesimulationmodelaboutbrakesystemandpromotesthesimulationresearchofbrakesystemgreatly.Itwillsaveplentyofhumanpower,materialandfinancialresourceinestablishingthesimulationmodel,dataanalysisandcalculationwiththemethodofcomputer,whichwillsimulatekindsofcomplicatedworkingconditions，reduceproductresearchcostandshortentheperiodofdevelopment.Nowadays,researchers,homeandaboard,mainlyadopttwomethodsintheareaofnumericalsimulationforbrakesystemperformance,theoneisprogrammingprogram,andtheotherismakingthesecondarydevelopmentwithcommonsimulationsoftware.AMESimisagraphicalmodelingplatformbasedonphysicsmodel,theadvantageofitshighaccuracyandreliabilityhasbeenprovedbythesuccessfuluseintheaviationandautomotivefield.
120aircontrolvalveisthemostkeycomponentinthe120typebrakedevice,whichisthemainoneforthefreighttrainbrakingsysteminourcountryatpresent,anditaffectsthebrakesystemperformancedirectly.Accordingtotheworkingprincipleof120aircontrolvalveandtheairflowtheory,thepaperbuildsthesimulationmodelaboutbrakingsystemforsinglefreightcarwith120aircontrolvalveontheplatformofAMESim,andmakesthecomparativeresearchwiththeexperimentdata.Thecorrectnessandreliabilityforthesimulationmodelhavebeenproved.Inthisprocess,themovingcomponentsinbrakesystemarestudied,andtheeffectsofvalveparameterstobrakingsystemperformanceareanalyzed.Finally,thesimulationmodelofbrakingsysteminfreighttrainisbuilt,whichcanrealizethe120valve’svarietyworkfunctions.Subsequently,thetrainformationabout120issimulated.Thestudyhasguidingsignificanceforoptimizingtheairbrakevalveandbrakingsystem,andlaysthegroundworkforfurthersimulationofthebrakingsystemfaultsandthediagnosisanalysis.
Keywords：
brakingsystem；120valve；AMESim；simulation
目录
第1章绪论1
1.1论文的选题背景1
1.2我国铁路货车制动阀发展概况2
1.3制动系统数值仿真国内外发展现状3
1.3.1国外发展现状3
1.3.2国内发展现状3
1.4本文的主要内容6
第2章气动系统的建模基础理论7
2.1流量温度压力方程8
2.2流量系数概述10
2.3AMESim软件介绍14
2.3.1AMESim包含的系列软件15
2.3.2AMESim软件的使用方法15
2.3.3AMESim气动图库简介18
2.4本章小结20
第3章120型空气制动机概述21
3.1120型空气制动机21
3.2120型空气控制阀的组成21
3.2.1中间体22
3.2.2主阀22
3.2.3半自动缓解阀26
3.2.4紧急阀26
3.3120型空气控制阀的作用原理27
3.3.1充气及缓解位27
3.3.2减速充气及缓解位30
3.3.3常用制动位32
3.3.4制动保压位35
3.3.5紧急制动位37
3.3.6缓解阀的作用原理40
3.4120阀的稳定性和安定性41
3.4.1制动机缓解状态的稳定性41
3.4.2安定性41
3.5本章小结42
第4章货车单车制动系统的仿真分析43
4.1120型空气控制阀中移动部件受力分析43
4.1.1作用部中移动部件受力分析43
4.1.2局减阀中移动部件受力分析44
4.1.3加速缓解阀中移动部件受力分析44
4.1.4紧急二段阀中移动部件受力分析45
4.1.5缓解阀中移动部件受力分析46
4.1.6紧急阀中移动部件受力分析46
4.2仿真模型建立47
4.2.1120阀模型48
4.2.2制动缸模型54
4.2.3其它模型54
4.2.4货车单车制动系统模型56
4.3仿真及试验结果分析57
4.3.1初充气试验58
4.3.2常用制动试验59
4.3.3制动安定试验61
4.3.4紧急制动试验62
4.3.5加速缓解试验63
4.4参数影响分析63
4.4.1弹簧参数的影响63
4.4.2活塞面积的影响65
4.4.3活塞重量的影响66
4.4.3参数影响建议67
4.5局减阀故障诊断67
4.6本章小结69
第5章各种编组长度的列车制动系统仿真分析70
5.1120辆车仿真情况70
5.1.1常用制动试验70
5.1.2紧急制动试验72
5.2本章小结73
结论74
致谢76
参考文献77
攻读硕士学位期间发表的论文82
第1章绪论
1.1论文的选题背景
当今世界铁路运输主要朝着高速和重载两个方向发展。
就铁路货运而言，发展重载运输是铁路运输扩能提效的有效措施，也是缓解经济发展带给铁路运输压力的重要途径。
自20世纪70年代以来，发展铁路重载运输得到了世界上越来越多国家的重视，铁路重载运输在一些幅员辽阔、资源丰富、煤炭、矿石等大宗货物运量大的国家发展迅速。
我国国土面积辽阔，各种自然资源丰富，特别是煤炭资源的储蓄量很大。
据统计，煤炭资源在全国一次能源生产和消费中的比重一直保持在70%左右。
但是我国资源分布和工业布局又呈现出分配不均衡的特点。
煤炭和矿石资源大都分布在西部和北部，而消耗这些物质能源的工业都位于东部、南部地区。
煤炭、矿物和钢铁等货流稳定，流向集中为我国铁路发展重载运输提供了良好的市场。
据统计，在各种运输方式中，铁路承担了70%以上的煤炭运输量。
而随着国民经济的迅速发展，铁路运量的猛增，运量与运能的矛盾日益突出。
为了很好地解决这一矛盾，铁道部从“六五”计划就开始着手发展重载运输，货车轴重已从建国后的18t、21t、23t发展到目前的25t。
1992年以后，已在一些货运繁忙干线上开行牵引5000t、6000t的重载单元列车，2006年运煤专线大秦线已开行牵引质量达到20000t的重载列车。
随着铁路货运向重载方向发展，对重载列车制动系统性能的要求也越来越高。
如何保障在安全距离内停车，怎样减小制动时产生的纵向冲动，一方面可依赖于新型制动阀的设计研究，另一方面依赖于对现有制动阀的改进设计。
为了实现以上目的，试验手段是不可缺少的。
制动阀的试验须通过定置试验和线路试验来完成，特别是线路试验要占用现有运营线路，耗费大量时间和经费，且得出的结果数据离散性较大。
计算机技术的发展，为广大科研人员提供了一个很好的数值仿真平台。
现行的计算机技术已经能够实现复杂结构内气体流动和动作过程数值计算仿真，特别是在核爆炸、风洞实验中的成功应用，为理解过程机理和分析各种因素相互作用，深入了解其运动规律，实现参数优化等提供了重要手段，也为制动系统数值仿真提供了有益的借鉴。
利用计算机模拟代替实物试验可以极大地减小试验工作量和试验工作的盲目性，是目前工程中必不可少的技术手段。
120型空气制动机是我国目前重载货运列车的主型制动机。
120型空气控制阀是120型空气制动机中最关键的部件，直接影响制动系统的性能。
本文将根据气体流动理论，借助于流体建模和仿真软件AMESim，建立配有120型空气控制阀的货运列车制动系统的数值仿真模型，利用计算机的高速运算能力，可连续地计算出制动系统中气体流动每一瞬间的气体状态，获得制动（缓解）全过程气体流动状态，对空气制动阀乃至制动系统的优化起到指导意义，并可为进一步进行制动系统故障模拟和诊断分析打下基础，具有较好的现实意义和工程实用价值。
1.2我国铁路货车制动阀发展概况
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，制动己经成为制约列车运行速度和牵引质量进一步提高的重要因素。
建国60多年来，随着国民经济的增长，我国铁路制动技术发展迅速。
特别是改革开放以来，为适应铁路快速、重载运输的需求，整个制动系统采用了大量的新技术，并且取得了显著的成效。
从1867年美国人GeorgeWestinghouse研制并实现用压力空气来进行列车制动之后的100多年，空气制动系统虽经不断发展和多次改动，但仍保持其基本作用原理。
解放前，由于我国铁路机车车辆来自世界许多国家，制动装置品种繁多，一般以K1、K2型三通阀为主，其他则为QA、QSLP、H、QSHU等杂型阀，当时尚有9000多辆车未装备空气制动机。
经过随后5年的整修和改造，于1956年底基本已在全部车辆上装备了空气制动机，并逐渐淘汰了各种杂型阀。
随着载重50t以上新造货车的投入运用，由于K型制动机缺乏空重车位，导致重车制动力严重不足。
1956年四方车辆研究所和齐齐哈尔车辆厂在K型制动机的基础上增添紧急3阶段上升性能，并在降压气室上增设安全阀，这在一定程度上提高了制动波速，并达到提高重车制动率的目的。
该制动机在1958年通过铁道部组织的审查，1959年起逐步在新造货车上全面推广，改名为GK型制动机。
随着铁路运输的不断发展，车辆的载重和速度都相应提高，GK型制动机由于其制动波速低等原因已不能适应需要。
为此，我国于1961年开始研制103型空气制动机，并于70年代通过铁道部技术鉴定后开始陆续装车。
为适应货物列车长编组、重载的需要，1989年铁道部科学研究院与眉山车辆厂合作研制新型制动机，在103型空气制动机基础上进行改进，将其间接作用原理改为直接作用原理，同时增加加速缓解作用，保留103型空气制动机原有优点，借鉴国外制动机的先进经验，全面调整了原有参数。
此改进方案于1993年通过铁道部技术鉴定后定型为120型空气制动机并批量装车。
目前，120型空气制动机是我国货运列车的主型制动机。
2000年铁道部科技司立项开发120km/h快运货车，铁科院、株洲车辆厂、眉山车辆厂在120型空气制动机基础上为其研制了120K型货车制动机，采用二压力间接作用方式。
2003年，为了使120型空气控制阀无论是单独使用或与ECP、Locotrol配套使用时都能满足重载运输要求，开始在120型空气控制阀的基础上改进设计，增加常用加速制动功能，研制了120-1型货车空气控制阀。
并于2005年1月通过了部级技术审查会。
同年5月，随同新C80型敞车投入大秦线运用考验。
实验表明，不仅减少了纵向冲动，而且还缩短了常用制动距离，取得了令人满意的结果[45]。
2004年，根据铁道部科技研究开发计划项目的安排，眉山厂等单位承担了“160km/h快速货车制动系统的研究”课题，研制出了KZ1型控制阀，取消了传统的滑阀结构[35~40]。
在120型空气控制阀基础上改进的控制阀均是通过大量试验及经验工作来完成阀的设计和改进的，都未对其进行计算机数值分析。
本文对配有120型空气控制阀的货车制动系统进行数值仿真分析，可充分研究阀的性能，并对在120型空气控制阀基础上改进的控制阀及新型阀的设计研究提供指导意义，以期更好地改进制动性能，优化制动系统。
1.3制动系统数值仿真国内外发展现状
1.3.1国外发展现状
国外早已认识到采用计算机对制动系统进行模拟研究的重要性。
美国新罕布什尔大学与纽约空气制动机公司、伊利诺斯工学院与美国铁路学会、日本铁道技术研究所、印度工学院等都相继开发了适合本国空气制动系统的模型。
1986年，美国已成功地用模型预测了装ABDW系列阀的空气制动系统制动特性[1,2]。
1986年，日本用模型研究了列车管减压特性，得到了试验难于实现的有价值的结论[3~5]。
1993年，印度不仅用模型预测了制动系统性能，还将模型应用于参数研究之中[6~10]。
1993年3月美国新罕布什尔大学机械系根据AAR标准建立了货车空气制动仿真模型（FTABS）。
该模型能仿真AAR货车空气制动系统的各种动作[11]。
2001年，美国GE公司的R.J.Foy使用GE公司的TrainOperationandEnergySimulator（TOES）模型，对比仿真了采用传统阀和EP阀的重载列车制动系统[82]。
2008年，意大利都灵理工大学机械学院和Faiveley公司合作使用AMESim软件对城轨车辆制动系统进行了仿真分析[83]。
1.3.2国内发展现状
我国的制动系统模拟研究工作除分析管路参数对减压特性及空气波速的影响外，还应用到空气制动系统的特性预测上。
已经开发出能够模拟120型空气控制阀制动系统的仿真程序，并将其应用到对货车制动系统性能特性的分析中。
1992年，魏伟、张善荣、刘庆忠，对长大列车制动系统减压特性进行模拟研究，完成了列车制动主管、支管组成的制动系统模型，并在主管、支管的几何尺寸对空气波速的影响上得到了与实验一致的结果[16]。
1994年，西南交通大学的魏伟和张开文，根据空气动力学原理，建立了列车空气制动系统的数学模型。
该模型包括JZ7机车自动制动机、GK型三通阀、列车主管、支管、缸间连接管、制动缸及副风缸等。
该模型能反应所有制动（缓解）过程中的主要现象[17]。
1995年，西南交通大学的魏伟等人利用气体动力学原理建立了列车空
升级会员 