基于AMESim的地鐵風源系統建模與仿真

王保紅 矯朋濤

(鄭州市軌道交通有限公司運營分公司,河南鄭州 450000)

基于AMESim的地鐵風源系統建模與仿真

王保紅 矯朋濤

(鄭州市軌道交通有限公司運營分公司,河南鄭州 450000)

本文以地鐵車輛風源系統為研究對象,利用AMESim軟件進行建模和仿真。通過建立設備和風源系統的仿真模型,并對供風特性進行仿真,得到主供風單元的充風時間曲線及整車充風特性。

地鐵 風源系統 仿真

1 風源系統仿真的目的和意義

風源系統作為地鐵車輛的重要源部件，為地鐵車輛制動、轉向架空氣彈簧、受電弓提供壓縮空氣，是保證車輛正常運行的十分重要的系統，因此對地鐵風源系統進行深入研究是十分有必要的[1]。

圖1 主供風單元供風模型

圖2 輔助供風單元模型

圖3 整車建模

傳統風源系統設計通常采用成熟的風源模塊，通過以往的設計經驗進行改型，這樣需對樣機進行反復試驗、修改。計算機虛擬仿真技術的出現，為風源系統設計過程引入了數值模擬思想，采用AMESim軟件進行氣壓元件建模，進而搭建模型，對其設備特性進行仿真，同時也為研究地鐵車輛的供風特性提供平臺。

2 風源系統工作原理

風源系統一般由主供風單元和輔助供風單元組成。主供風單元對整車供風。輔助供風單元為受電弓進行緊急供風。

主供風單元由空氣壓縮機組、干燥器以及控制裝置等組成。空氣壓縮機組采用活塞式結構，包括壓縮機頭及其驅動電機，壓縮機頭通過電機驅動帶動內部的活塞運動產生壓縮空氣。過濾器采用雙塔式干燥器，通過兩個干燥塔的切換實現壓縮空氣的干燥。控制裝置對主供風單元的壓力進行控制，通過檢測總風管壓力變化，控制主供風單元的啟停，使總風管壓力保持在工作范圍內。

輔助供風單元設置在裝有受電弓的車上，通常為腳踏泵或電動泵。腳踏泵結構簡單，空間占用小，無需電路供電，但勞動強度大。電動泵成本高，操作方便，需供電。因此在其配置選擇上要根據實際情況合理選取[2]。

3 風源系統建模與仿真分析

3.1 系統建模分析

AMESim在航天、汽車等領域廣泛應用，因其含有整套、可靠的模型庫，在系統建模和多學科耦合分析中廣受歡迎[3]。

圖4 腳踏泵充風與壓力曲線

圖5 雙供風充風仿真曲線

圖6 單供風單元充風仿真曲線

地鐵列車一般為6編組，每節車均有3個100L風缸：總風缸、制動風缸、空簧風缸[4]。總風缸儲存來自主供風單元向總風管輸出的壓縮空氣。制動風缸是保證總風缸或總風管漏風時為制動系統供風。空簧風缸為空簧供風，保證大客流時空簧頻繁排氣、充氣過程的用風，空簧風缸與主風缸之間裝有670kPa順序閥。

主壓縮機組為氣源部件，是仿真的主要對象，主要是兩個低壓缸進行預壓縮，將第一次壓縮的氣體進行兩次降溫后輸出。

輔助供風單元采用單活塞腳踏泵進行仿真。利用腳踏產生動力，氣缸壓縮做功，輸出氣體。

3.2 部件建模

根據對風源系統分析，對主供風單元建模如圖1。通過對大氣兩次加壓，使其達到工作壓力后輸出。

輔助供風單元模型如圖2，通過低速曲軸模擬腳踏運動，帶動壓縮缸進行伸縮運動，從而達到加壓過程。

對整車進行建模，主供風單元安裝在01/06車，如圖3。

圖7 頭尾車充風響應曲線

3.3 部件仿真

輔助供風單元：假定人力踩壓周期為3s，其充風特性如圖4，5min達到升弓要求，因腳踏泵為活塞式，其壓力變化呈階梯狀。由于壓縮空氣有容積效應，在充風周期中，出現尖角。

根據主供風單元的供風特性和地鐵風缸配置情況選取整車典型工況進行研究。其工況為：兩臺同時供風、一臺單獨供風。兩臺同時供風如圖5，充風時，主風缸和制動風缸優先充風，其壓力上升，當充風310s時空氣管路壓力達到順序閥開啟壓力，主風管向空簧風缸充風，375s時空簧風缸充風至670kPa，三風缸同時充風，主風管壓力達到1000kPa，空壓機停止充風。

采用單臺供風時，設定只有01車主供風單元工作，其充風如圖6，626s時順序閥達到工作壓力開啟，空簧風缸開始充風，700s時空簧風缸與主風缸壓力一致，三風缸同時充風，1324s時充風完成。01、06車主風缸300s內的壓力變化如圖7，01車主風缸壓力高于06車，說明充風時壓縮空氣波速隨時間的增加趨于一致。

4 結語

本文對某型地鐵車輛風源系統進行了研究，分析了風源系統組成，建立主供風單元與輔助供風單元的充風模型以及整車充風模型，在此基礎上完成充風性能研究和兩種工況下整車充風的仿真，仿真試驗結果符合車輛運營要求，驗證了AMESim軟件對于制動系統風源研究的正確性、合理性。為供風研究提供了新的方法，縮短設計周期。

[1]李培曙.關于國產地鐵制動幾個問題的探討[J].鐵道車輛,2000,38 (z1):68-71.

[2]蔣廉華,陽靖,王少偉,等.地鐵車輛升弓腳踏泵應用探討[J].電力機車與城軌車輛,2009,32(3):11-13.

[3]付永領,齊海濤.LMS Imagine.Lab AMESim系統建模和仿真實例教程[M].北京:北京航空航天大學出版社,2011.

[4]劉安.城軌車輛供風系統用風量計算及驗證試驗[J].機車電傳動, 2010,(5):62-66.

王保紅(1986—),女,河南新鄉人,助理工程師,學位:碩士研究生,研究方向:車輛運用工程。