列车管减压量对制动性能的影响分析研究汽车工程专业

1、课题名称：列车管减压量对制动性能的影响 目 录第一章 绪论11.1 课题的背及意义11.2 国内外研究现状21.3 本文研究的目的及主要内容4第二章 列车动力学模型建立与分析62.1 列车纵向动力学建模分析62.2 列车制动特性分析72.3 列车空气制动建模分析92.4 本章小结10第三章 列车管减压系统的机理分析123.1 气动方程推导123.2 空气通过节流孔时的流动143.3 摩擦系数及能量系数的计算153.4 本章小结15第四章 列车管减压制动性能仿真与分析164.1 列车管减压量对调速性能的影响164.2 列车管减压量对最大车钩力的影响174.3 列车管减压量对最大加速度的影响174

2、.4 结果分析184.5 本章小结18第五章 总结与展望19参考文献20致 谢（建议结合自己的情况修改）22摘要：随着我国列车的高速发展，对列车的运行安全提出了更高的要求，我国货运列车一直使用500kpa和600kpa两种列车管定压，两种列车管定压对列车管理和运用带来一系列问题。至今国内外对列车管压在列车制动性能方面的具体的影响还在研究中，没有明确的定论，本文对列车管压和制动性能方面的理论进行了深入的研究，本文利用的空气制动系统和纵向动力学系统的理论，对列车制动建立动力学模型，在联合仿真软件，可以模拟不同编组、减压量和制动工况下组合列车的制动性能和纵向动力学性能，研究管压在不同情况下的，列车制

3、动情况，对仿真结果进行分析，列车降速距离与降速时间均随列车管减压量的增大而减小，而列车增速距离与增速时间则随列车管减压量的增大而增大，列车管减压量对列车最大拉钩力的影响不明显，而列车最大压钩力则随列车管减压量的增大而显著增大。本课题的研究具有一定的理论和现实意义，能够为未来列车制动性能的优化提供一定的参考思路。关键词：列车管减压量；动力学模型；制动；仿真 ABSTRACT：With the rapid development of trains in China, higher requirements are placed on the safety of trains. China'

4、;s freight trains have been using constant pressure of 500kpa and 600kpa. The two types of trains have brought a series of trains to the management and operation of trains. problem. So far, the specific impact of train pipe pressure on train braking performance at home and abroad is still under stud

5、y. There is no clear conclusion. In this paper, the theory of train tube pressure and braking performance is deeply studied. The air system used in this paper The theory of dynamic systems and longitudinal dynamic systems establishes a dynamic model for train braking. In co-simulation software, it c

6、an simulate the braking performance and longitudinal dynamic performance of combined trains under different grouping, decompression and braking conditions. Studying the tube pressure under different conditions, the train braking situation, analyzing the simulation results, the train deceleration dis

7、tance and the deceleration time are reduced with the increase of the train tube decompression amount, and the train growth speed and speed increase The time increases with the increase of the decompression amount of the train tube. The influence of the decompression amount of the train tube on the m

8、aximum pulling force of the train is not obvious, and the maximum hook force of the train increases significantly with the increase of the decompression amount of the train tube. . The research of this subject has certain theoretical and practical significance, and can provide some reference ideas f

9、or the optimization of train braking performance in the future.KEY WORDS: train tube decompression; dynamic model; braking; simulation第1章 绪论1.1 课题的背及意义铁路是国家的重要基础设施、国民经济的大动脉，承担着繁重的客货运输任务，特别在煤炭、原油、钢铁等关系国计民生的大宗物资运输方面起着无可替代的作用。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。“十一

10、五”以来，我国铁路坚持“产、学、研、用”相结合，大力推进自主创新和集成创新，重载运输技术达到世界一流水平，既有线提速技术取得重要成果，开创出具有中国特色的提速重载并举的货运发展道路。在重载技术方面，系统开展了重载线路、重载装备、重载运输组织和重载通信信号等领域的技术攻关，在重载机车制动、牵引、互联互通技术、运输组织、供电方面取得了系列科技成果，建立起了我国铁路重载运输技术体系。在既有线提速技术方面，掌握了适应国情的既有线提速成套技术，走出了一条具有中国特点的既有线技改提速扩能之路。这些成就的取得，不仅为“十一五”期间我国铁路货车事业快速发展提供了基础支撑，也为今后我国铁路发展重载快捷货运创造了

11、前提条件。铁路重载运输已经成为我国铁路发展的重要方向，由于列车重量增大，长度增加，车辆轴重增大，列车运行中的牵引力及制动力加大，制动波传递时间加长，而且列车所占的线路纵横断面比较复杂，因此，重载列车的受力情况远较一般列车复杂，由于列车的纵向冲动力过大而引起的断钩、脱钩、脱轨等事故常有发生。重载列车长时间高负荷的运行已经表明，铁路运输的重载化，给列车的运行质量和运行安全带来了一系列问题，特别是列车冲动水平的明显提升对车钩缓冲系统造成严重毁坏，研究各种工况下列车纵向冲动作用机理，并进一步分析各种参数对于列车纵向冲动的影响，从而更好的把握列车纵向动力学规律，寻求减小列车纵向冲动的途径，对于铁路重载运

12、输业的发展具有重要意义。1.2 国内外研究现状自1825年英国建成世界上第一条运营铁路开始，铁路运输至今已有190年的历史。现在世界上铁路总里程超过130万公里，覆盖了大多数国家和地区。随着社会经济的发展，铁路以其独有的优势越来越受到世界各国的重视，“客运高速”和“货运重载”已成为世界铁路发展的新趋势。随着各国对原材料和矿产资源等大宗货物需求的增加，货运重载已势在必行。目前，美国、澳大利亚、巴西等国已普遍推广35t轴重的重载货车。巴西和南非重载铁路运输亦已应用30t轴重的重载货车。在美国研究试验的最高轴重则为40吨。在我国，6-35kv 配电网系统常采用小电流接地系统，其中大多数是中性点不接地

13、系统或经消弧线圈接地系统。接地选线方案也从最初的零序电流保护发展到零序无功方向保护，从基波方案发展到五次谐波方案，以及利用首半波极性方案，并先后推出几代产品美国是世界上最早发展重载运输的国家之一。进入21世纪后，美国铁路加强轮轨界面和交流内燃机车等技术领域的研究，重载运输效率和生产率得到了进一步提高。目前，美国重载铁路占铁路线路的70%，列车编组数量通常为108辆，采用低自重、大容量的货车，总重为13600t，由3 -6台机车牵引，最大允许轴重在29.8-35.7t之间。机车一般采用大功率内燃机车多机牵引，并配合采用机车同步操纵技术。重载运输线路采用重型钢轨，最大可达近70kg/m。为了适应重

14、载运输的需要，一些主要编组站的股道长达数公里。对于煤炭运输车辆，一些铁路公司采取了5列一组、整列无隔墙的槽式车组，以减轻自重，增加载重。为增加运量、提高铁路运输的效率，美国在重载线路上已开始开行双层集装箱列车，这将进一步扩大重载铁路的优势。巴西的矿产、水力、森林等自然资源储量均在世界前列，尤其是铁矿总储量超过800亿吨。因此巴西淡水河谷下属的两条重载线路，即卡拉亚斯铁路和维多利亚·米纳斯铁路，主要是用于铁矿石的运输。目前我国拥有铁路营业里程占世界铁路总里程十分之一，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，

15、随着国民经济的持续快速增长，煤电油运瓶颈制约问题十分突出。为尽快缓解铁路运输的瓶颈制约，铁路部门坚持以科学发展观为指导，快速扩充运输能力，快速提升技术装备水平，努力实现铁路的又好又快发展。2003年，铁道部党组做出了在大秦铁路开行2万吨组合列车、大幅度提高运输能力的重大决策。6年来，铁路部门对大秦铁路实施了线路、通信信号、牵引供电系统技术改造，进行了几十次综合试验，在机车同步操纵技术、大吨位货车制造与使用技术方面取得了突破性进展。1.3 本文研究的目的及主要内容随着铁路重载运输的飞速发展，对长大货物列车制动动力学性能的研究愈显重要随着我国重载铁路运输的快速发展，列车动力制动的应用越来越广泛。装

16、有动力制动装置的机车在列车调速时，要采用动力制动为主、空气制动为辅、相互配合使用的方法。目前关于列车制动系统的研究主要集中在空气制动方。本文主要对列车管减压量与制动性能之间的关系，具体内容如下：第二章是列车制动过程的动力学建模，通过对列车制动过程的分析，建立了列车的纵向动力学模型和空气动力学模型，详细分析了列车制动的主要影响因素和特性，获得了模型中对制动影响最大的额几个参数，为下文列车管压量的设计与仿真提供了理论基础。第三章主要对lecherous馆减压的原理进行了分析，分别通过分析列车管压的气动方程，对理想大气中的制动的进行了分析，空气流动对管压内腔的影响，给出了具体的计算公式。第四章主要是

17、给出了本论文的仿真，分别对列车管压对列车的调速性能、制动最大车钩力、列车的最大加速的影响，分别设计了仿真，对获得的数据进行了总结分析。第五章是全文的总结与展望，对本文研究的内容做了分析和总结，并提出论文的不足及下一步的研究方向。第二章 列车动力学模型建立与分析2.1 列车纵向动力学建模分析列车纵向动力学模型如图2.1所示，以每节机车车辆作为一个分离体，整列车的自由度等于组成列车的机车车辆总数。其基本原理是根据该力学模型，考虑列车纵向运动的所有因素，包括机车的牵引和动力制动特性、列车空气制动系统和钩缓装置的特性及各种运行阻力，再对各个机车和车辆建立运动方程，详细求解列车中各节车辆的纵向运动状态。

18、图2.1列车纵向动力学模型为了更加清晰分析列车纵向动力学性能，在研究列车纵向动力学行为时，忽略车辆横向力和垂向力的影响，只考虑纵向自由度，将列车抽象为一个多质点的质量弹簧阻尼系统。取单一车辆为研究对象分析其受力情况如图2.2所示。图2.2 列车单个车辆受力分析列车中，每个车辆的额的受力平衡为： （2.1）车辆的质量、长度、运行速度等均隐含于上面的参数中，对n节车可以列出n个方程。2.2 列车制动特性分析制动特性是影响列车纵向动力学性能的关键因素之一，制动力不同步性是造成列车纵向冲动的根本原因，没有制动的不同步性，就没有纵向冲动，因此制动波的传播特性对列车纵向冲动影响极大。根据仿真结果发现，制动

19、波速与制动减压量有关、与制动工况有关。制动波速并不是等速传播，因此一般的计算采用等速传播的基本假定不合适。本文使用的制动系统特性是基于空气流动理论，通过模型化列车的制动系统，计算气体在管路和各缸室内气体瞬态压力获得制动系统特性，对制动波速和制动缸压力没有任何假定。在制动缸压力、闸瓦压强、列车运行速度和制动初速度相同的条件下，闸瓦摩擦系数是影响制动力的主要因素，摩擦系数越大，停车越快，纵向冲动也越大，摩擦系数如图2.3所示。图2.3 列车摩擦系数随速度变化曲线制动特性对于列车纵向动力学性能的好坏起着决定性的作用，是影响列车纵向冲动的最主要因素。本文制动特性是以气体流动理论为依据，采用制动系统仿真

20、的方法确定的。空气制动系统和纵向动力学系统仿真软件可以模拟不同编组、不同减压量、不同工况下列车的制动特性。图1.4是单编万吨列车，列车管定压600kPa，最大减压量170kPa常用制动时制动缸压力曲线，图1.5为常用制动工况制动波传递特性曲线。图2.4前、中、后车制动缸压力曲线图2.5制动缸仲出时刻沿车长分布由图2.4的制动缸压力曲线可以看出，第1车制动缸压力上升曲线的斜率明显比第50辆车和第100辆车的大，说明不同位置车辆的制动缸压力上升速度不同，这是因为制动缸充气速度受列车管减压速度的影响，列车管减压速度越快，制动缸升压速度越快。由于处于不同位置的车辆上的列车管减压速度不同，越靠近机车，减

21、压速度越快，所以，第1车制动缸压力上升速度最快，第100辆车制动缸升压速度最慢。图2.5为每个车辆制动缸压力开始上升的时间曲线，即制动波传播特性曲线。从图2.5中可以看出，制动缸伸出时刻曲线不是直线，而是曲线，说明制动波不是等速传播的;图中曲线的斜率随着车辆序号的增大不断减小，说明制动波的传播速度是先慢后快的。因此，在列车纵向动力学仿真系统中，如果假定制动波等速传播和所有车辆具有相同的制动波传播速度，将无法得到真实的制动特性，可能带来较大的纵向力计算误差。2.3 列车空气制动建模分析 制动作用是列车纵向运动中最为复杂也最为重要的非稳态作用过程。列车空气制动系统如图2.6所示: 图2.6列车空气

22、制动系统简图如果制动系统建模采用详细的空气动力学数值仿真模型，那么其时间步长将比列车纵向动力学方程计算更小，这种模型的计算代价很大，因此重载组合列车纵向动力学软件采用简化的制动系统模型。首先根据具有丰富实际经验的专家知识及大量可靠的试验数据建立各种制动机模型，然后按照列车制动作用顺序分为制动信号及传递 (制动波速)、空气制动压力变化(三通阀)和制动力的产生(基础制动)三个子程序进行逐步模拟。空气制动模型需要在机车控制输入子系统处与列车仿真模型相结合，以受到制动控制的输入。通过制动子程序计算可得出各车辆的列车管压力、制动缸压力并通过基础制动装置和闸瓦摩擦系数得到制动力。2.4 本章小结本章首先对

23、列车的纵向动力学建立数学模型，根据整列车和单独车辆的特点做了详细的分析，对列车的制动力学完成了机车动力制动力的分析，通过对其特点的研究，对空气制动做了重点分析。第三章 列车管减压系统的机理分析3.1 气动方程推导空气制动系统是一个典型的气动系统，气动系统一般由四部分组成：(1)供风装置:将机械能转化成气体压力能的装置，如空气压缩机、干燥器等；(2)执行装置:将气体压力能转化成机械能并完成设计的动作的元件。如制动缸、制动夹钳等；(3)控制装置:控制流体的压力、流量及运动方向的元件，如电磁阀，分配阀等；(4)辅助装置:确保气动系统工作条件，消除气动系统对周边环境的影响的一类部件，如远芯集尘器、排水

24、塞门、风缸、消音器等。对于整个气动系统，由热力学第一定律和能量守恒定律可以推出内部能量随时间变化方程的微分形式为： （3.1） （3.2） （3.3）式中代表的是气动系统之中气体流入系统的焓与气体流出系统的焓的加和，并规定流入方向为正，流出方向为负，单位是（）；是外界进入气动系统的热量随时间的变化率（）；是气动系统对外界做的功随时间的变化率（）；气动系统腔室的体积随时间的变化率（）；代表气体的热交换系数；元件的热交换面积；是外界温度；是管腔内气体温度；令单位质量气体的内能为。(J),气体质量为m(kg)则所有气体的内能为： （3.4）对于理想气体，单位质量的气体内能是温度的函数，故有： （3.

25、5）对式（3.1）、（3.4）和（3.5）进行全微分得到： （3.6）对上述式子联立并整理可以得到： （3.7）理想气体状态方程是 （3.8）对式（3.8）两边同时对t进行微分，可以得到压力的一阶微分方程为： （3.9）对于变体积的气动腔室来而言，单位气体的内能随气体温度变化，有： （3.10）两边同时对时间t积分，得到 （3.11） （3.12）由式(3.9)和式(3.11)可得变体积气动腔室温度变化的一阶微分方程为: （3.13） 上述推导出的流量、温度和压力方程在气动系统建模中具有普遍性。3.2 空气通过节流孔时的流动在气动系统中，一般需要计算的是通过节流孔的气体流量、压力、温度等参数，

26、但是由于气体具有压缩性，受此影响，气体通过节流孔的状态是很复杂的，节流孔前后的流道突然收缩和扩张，导致气体在节流孔的前后会形成涡流，产生强烈的摩擦效应。同时，由于气体运动的极不规则，同一界面上的各点参数具有不均匀性。如此一来难以用热力学方法进行系统地分析。在气动系统的计算中，一般只注意节流孔的外部效果，并不研究节流的内部过程。 一般认为，当理想气体通过整个节流口时，整个流动当作稳定的一维流动处理，其流动状态与收缩喷嘴相似，所以，通过节流孔的气体质量流量可以用收缩喷嘴的流量公式来计算。即: （3.14） 在式（3.14）中，节流口面积；上游气体温度；流量系数；质量流量参数，与气体流速有关。3.3

27、 摩擦系数及能量系数的计算 由于气体流流动的复杂性，目前还未能严格推导出摩擦系数的理论公式。在工程上一般采用两种方法来确定值：一是以气体流的半经验理论为基础，结合试验结果，整理成的半经验公式；二是直接根据试验结果，综合成兄的经验公式。一般认为前者具有普遍意义。主要介绍空气制动系统建模中流量系数几的计算。对于在实际工程中经常遇到的是一些小孔喷嘴，因为小孔喷嘴的流量系数不仅跟小孔的下游压力与上游的压力的比值有关，而且还与小孔的类型、开度及气流的流动方向等因素有关。流量系数实际上是一个不断发生变化的量，然而在应用中，通常将流量系数当作一个常数进行计算，这样就必定会给制动系统的仿真计算结果带来更大的误

28、差，选取尽量贴近实际情况的流量系数模型是十分必要的。3.4 本章小结本章首先介绍了气动方程的推导过程，对研究对象中的管压利用空气流通理论进行分析，确定系统的摩擦系数及能量系数。第四章 列车管减压制动性能仿真与分析4.1 列车管减压量对调速性能的影响不同列车管减压量条件下，列车完成一次循环制动所需的降速时间、降速距离、增速时间、增速距离等如表4.1所示。表4.1 列车管减压量对调速性能的影响列车管减压量降速时间增速时间降速距离增速距离50132.7192.7188218756096.7289134525207078370.510932868 由表4.1可知，列车管减压量越大，则列车一次循环制动所

29、需时间越长;当列车管减压量从50kPa增加70kPa时，一次循环制动用时从325.4s增大至448.5s,增幅为37.8%;列车减压量越大，则降速时间越短，同时列车升速时间越长。列车管减压量从50kPa增大至70kPa过程中，降速时间减小了41.2%，而升速时间增加了92.3%，由此可知列车管减压量对列车升速时间影响更大。从表4.1中还可以看出，列车降速距离随列车管减压量的减小而增大;列车增速距离则随列车管减压量的减小而减小。当列车管减压量为50kPa时，列车降速距离为1882m，增速距离为1875.4m；当列车管减压量为70kPa时，列车降速距离为1093m，减小了41.9%，而列车增速距离

30、为2868m，增大了52.9%。这是因为当列车管减压量较小时，列车空气制动力较小，因此降速时间及降速距离均较长，而当列车实施空气制动缓解时，列车管减压量越小，则列车缓解速度越快，因此列车增速时间及增速距离均较短。当列车管减压量为50kPa时，列车一次循环制动行驶过的距离为3757.4m，而当列车管减压量为70kPa时，列车一次循环制动行驶过的距离为3961m，仅增加了5.4%，由此可知减压量对列车一次循环制动所驶过的距离影响较小。4.2 列车管减压量对最大车钩力的影响 图4.1给出了列车管不同减压量条件下实施空电联合循环制动时每节车的最大车钩力。图4.1 不同减压量时每节车的最大车钩力从图4.

31、1中可以看出，列车最大压钩力均出现在列车前中部，而最大拉钩力则出现在列车尾部;列车管减压量对最大拉钩力影响较小，例如当列车管减压量从50kPa增加至70kPa时，列车最大拉钩力由409.2kN减至385.2kN，减幅仅为5.9%;列车最大压钩力随列车管减压量的增大而显著增大，例如当列车管减压量为50kPa时列车最大压钩力为505.2kN，而当列车管减压量增大至70kPa时列车最大压钩力为606.7kN，增加了20.1。由于在空电联合循环制动过程中，列车主要以承受压钩力为主，应尽量采用较小的列车管减压量以减小列车的压钩力。4.3 列车管减压量对最大加速度的影响图4.2给出了列车管不同减压量条件下

32、实施空电联合循环制动时每节车的最大加速度。图4.2不同减压量时每节车的最大加速度由图4.2可知，列车管减压量越大则列车最大负向加速度越大，如当列车管减压量为SOkPa时最大负向加速度为0.39g，而当列车管减压量增大至70kPa时，列车最大负向加速度为0.46g，增大了17.9%。因此，从优化列车加速度角度出发，列车管减压量为50kPa及60kPa时较优，当列车管减压量为70kPa时较差。4.4 结果分析列车管减压量越大，则列车一次循环制动所需时间越长，当列车管减压量从50kPa增加至70kPa时，一次循环制动用时增加了37.8%;列车减压量越大，则降速时间越短，同时列车升速时间越长;列车管减

33、压量对列车升速时间影响更大，当列车管减压量从5OkPa增大至70kPa过程中，降速时间减小了41.2%，而升速时间增加了92.3%。列车制动过程中，最大压钩力均出现在列车前中部，而最大拉钩力则出现在列车尾部;列车管减压量对列车拉钩力影响较小;列车最大压钩力随列车管减压量的增大而显著增大。由于列车在制动过程中以承受压钩力为主，因此应尽量采用较小的列车管减压量以减小列车压钩力。4.5 本章小结本章对列车管减压量对制动性能的影响进行了仿真实验，分别利用不同的减压量对列车的调速性能、最大钩力和最大加速度分别济宁了研究，并对获得的仿真结果进行了分析。21 第五章 总结与展望对列车减压对列车制动性能的影响

34、的研究中，对列车管压和制动理论进行了学习，深入研究了空气动力学何流体力学的知识。（1）对列车动力学建模分析时，影响因素很多，但是为了简化处理，本文对很多因素进行了理想化处理，建立的模型在实际应用中，精度还有待提升，可以通过更多数据凝合，考虑更多的影响因素进行建模分析，能够研究出比较准确可靠度高的模型；（2）可以利用计算机科学技术的分析方法，做更多的实验数据这样可以求得最优的制动管压量。参考文献1 魏伟, 胡杨, 赵旭宝, et al. 列车管定压对列车制动性能影响仿真研究J. 铁道机车车辆, 2017(02):22-28.2 陈浩, 魏伟. 重载列车制动特性的试验研究J. 大连交通大学学报,

35、2017, 38(2):11-14.3 涂旭. HXD 1型机车DK-2制动机电子制动控制器(EBV) 控制原理及故障判断分析J. 铁道机车车辆, 2017, 37(6):85-88.4 Zhang K J, Zhang W P, Yao Y. A Discussion on the Method for Testing the Capacitive Current of the 1035 kV Ungrounded SystemJ. Electrical Automation, 2014.5 Lin L, Yue H E, Wang J, et al. Mechanism of Potent

36、ial Transformer Damaged in Ungrounded Neutral Power SystemJ. High Voltage Engineering, 2013.6 Wang W, Yan L, Zeng X, et al. Control method of single-phase inverter based grounding system in distribution networksC/ Energy Conversion Congress & Exposition. 2017. 7 Thoresen C B, Hanke U. Numerical

37、Simulation of Mutual Capacitance Touch Screens for Ungrounded ObjectsJ. IEEE Sensors Journal, 2017, PP(99):1-1.8 袁德强, 朱迎春, 安鸿,等. 104型分配阀适应机车小减压制动研究C/ 和谐共赢创新发展旅客列车制动技术交流会论文集. 2017.9 应之丁, 高伟航, 顾灵燕. 基于气动系统流体方程的货车制动性能分析J. 铁道学报, 2017, 39(11):59-65.10 尹光哲. HX_D3B型机车列车管不跟随均衡风缸减压问题的研究J. 铁道机车与动车, 2018(6).11

38、王志伟, 尹艳松, 周立成, et al. 地铁列车再生制动对牵引网电压影响的研究J. 现代城市轨道交通, 2018(9):8-12.12 吴丹, 王福明, 程锦,等. 钒对高铁制动盘钢中碳化物析出及力学性能的影响J. 北京科技大学学报, 2018(1):68-75.13 陈方舟. 组合坡段参数对长大重载列车纵向动力性能的影响研究D. 西南交通大学, 2017.14 Smirnov P, Kharitonov S A, Preobrajensky E. Compensation of ground fault capacitive current in ungrounded distribution networks by static semiconductor con