“复兴号”动车组供风系统及设备匹配研究

包殿英

摘要：对不同线路、不同作业阶段，轨道车辆的用风工况各不相同，若供风量与用风设备的用风量不匹配，就会造成供风量过低或供风量不足而造成车辆运行异常，根据理想气体状态方程和各种用风设备的工作原理，建立了“复兴号”动车组供风系统的数学模型，并对影响供风量与用风设备之间平衡的关键因素进行了分析，探讨了优化供风与用风匹配关系的方法，为“复兴号”动车组供风与用风设备进行探讨。对此，本文针对复兴号动车组等相关内容进行一系列分析。

关键词：复兴号；动车组；分析

1. 引言

复兴号动车组是拥有自主知识产权的中国标准动车组，与其它轨道车辆相比，其供风系统和用风设备的配置有很大不同。当前，国内轨道车辆设计中对供风量与用风量的匹配研究较少，大多数是凭经验来设计供风量与用风量，因此，轨道车辆在投入运行后，供风量过低或供风量不足面影响车辆运行的现象时有发生。轨道车辆在不同线路、不同运行阶段的用风情况各不相同。当动车出库前，当动车的总风压不足时，供风系统必须迅速将充满风压，使动车能按时投入运行，这表明风压系统的风压越大，风压缸容量越小越好。

二、供风系统与用风设备的构成与原理

复兴号动车组的用风设备包括制动系统，空气悬挂系统，空调系统，卫生系统，撒砂控制系统，踏面清扫器，受电弓系统等等。当车辆风压不足时，启动主供风系统，并通过总风管向总风缸，制动风缸，辅助风缸充气。因为制动系统和空气悬挂系统与车辆的安全性密切相关，所以制动系统和空气悬挂系统都配有独立的储风缸，即制动风缸和辅助风缸。在制动风缸和辅助风缸内，使用单向阀分别防止压缩空气逆流，优先保证制动系统和空气悬挂系统的用风需求。

在总风压超过溢流阀开度的情况下，总风缸向辅助风缸和空气悬挂系统供风。为防止异常情况下的空气弹簧压力过高，在空气悬挂系统的上游安装一个减压阀。在车辆运行或乘客上下进站时，由于车体的载荷分布或载荷的变化而改变车体高度。这时，高度阀将打开阀口向空气弹簧和附加气室充气或排空，使车体保持高度上的平衡。除制动系统和空气悬挂系统外，卫生系统、空调系统等用风设备均直接采用风管供给压缩空气。

三 建立数学模型

（一）供风风系统

供风系统是由空压机、干燥器、过滤器等部分组成，空压机产生的压缩空气经干燥器、过滤器后供给用风系统。因泄漏、机器效率等因素会损失局部地供风量。

（二）制动系统

制动缸的最终用风装置是制动缸和制动缸之间的管路。制动缸是一种执行机构，它由一定体积的活塞和来回运动的活塞构成。通常情况下，在车辆行驶过程中，会多次施加和缓解常用制动，有时也会施加紧急制动。在制动过程中，制动控制系统将把制动风缸和管路中的压缩空气排出。

（三）高度阀

高度阀是气动部件，它根据空气悬挂系统上部的质量变化来调节空气弹簧的内部压力。如重量变化迅速，则高度阀阀口全部打开，压缩空气通过阀口进入总风口，节流孔进入空气弹簧口。当车辆重量缓慢改变时，高度阀慢慢打开阀口，阀口处形成环缝腺，向空气弹簧缓慢充气。供风系统排量使这两个指标达到最佳值。当不同动车组的的供风系统在进行选择时，供风率和补充风量的模拟计算结果可以看出，当风量由700 dm/min增加到900dm'/min时，动态工作率和初始风量分别减少28.5%和29.5%；当风量由1300dm'/min增加到1500dm'/min时，风量由1300dm'/min减少到15.8%。结果表明：小排量供风系统比大排量供风系统对动态工作率和初充风时间的影响要大得多，并且供风量对初充风时间的影响要大得多。

四、供风系统排放对静态风耗的影响

空气簧压力是制动力分配的重要依据，是制动系统获得车辆重量的唯一信号源。当乘客量急剧增加时，如果空气弹簧压力不能及时上升到与乘客质量相当的压力，就会产生制动力分配错误，从而导致严重的行车安全问题。分析结果显示，不同风量供给系统对空气弹簧压力上升速度的影响均为蓝色系为总风压曲线，其余为空气弹簧压力曲线。在48 s时，空气弹簧从450 kPa的最低气压上升到512 kPa，而总气压从800 kPa下降到600 kPa。主、辅供风系统均已启动，但空气弹簧升压速度较慢。当空气弹簧压力从最小值上升到最大值650 kPa时，空气弹簧压力上升速度每增加200dm'/min，上升时间减少9.5%左右，空气弹簧压力上升速度随静态风耗增加而减小。

(一)对静态风耗的影响

在客急剧增加的情况下，不同体积的总风缸对空气弹簧上升时间的模拟结果。总风缸容积每增加250dm'，总风压降低到600 kPa的时间延长5 s左右，但空气弹簧压力从最小到最高650 kPa的过程中，空气弹簧压力上升时间最多可减少19%，对静态风耗的影响十分明显。模拟结果表明，附加气室容积的变化量与空气反弹时间有关。在复活号动车组的附加气室总容量小于3270dm'时，每增加250dm'的附加气室，空气弹簧压力上升时间最大可缩短3.7%，但小于3520。

（二）容量效应对空气动力消耗的影响

除供风的容积之外，风缸容积也是“复兴号”动车组的主要设计参数之一。动车配有不同容量的总风缸，制动风缸及附加气室。当总风缸或制动风缸的容量每增加250 dm’时，供风系统的最大工作容量和初充风时间分别为0.8%和4.4%.与此相比，额外的气室容量对供风系统工作容量的影响要小得多，但最大工作容量也仅为1.5%和2.8%，可见储风系统容量对动力用风的影响很小。

（三）动态用风装置的效果

在“复兴号”动车组运行过程中，有许多用风量较大的设备在使用，但“复兴号”动车组的用风量及漏气产生的用风量比例最高，各占20%、8%，其次是撒砂系统和空气弹簧静态/动态用风量，各占18.8%、13.8%。基础制动器、受电弓、车门和其他风耗设备所占比例较小。

五、供风用风设备匹配的研究

首先，动车组供风系统对动力用风的影响，动力供风率与“复兴号”动车组的初始风量既是矛盾的，又是非常重要的设计指标。利用组供风对运行速率和补充风时间的影响分析方法，可以求出供风系中使两个指标达到最佳值的组供供风。动态用风装置的效果，在“复兴号”动车组运行过程中，有许多用风量较大的设备在使用，但总体用风量申各用风量设备的占比各不相同，仿真结果显示，“复兴号”动车组的用风量及漏气产生的用风量比例最高，各占20%、8%。

结语：以上就是针对复兴号动车组等相关内容进行的一系列论述。简而言之，对于动车组供风系统来说，通过对供风量和用风设备的匹配研究，发现当供风量为10~1300dm'/min时，供风量对系统动态工作速率和初始风量的灵敏度较低，既能充分发挥供风量的作用，又能满足初始风量的要求和静态用风量的急变情况下的供风需求；第二，总风缸、制动风缸及附件气室容积对供风系统的动力工作率及初充风时间影响不大，但总风缸及附加气室容积对空气弹簧压强上升时间影响较大，故总风缸容积应大于1500dm'，附加气室容积应小于3270dm'，制动风缸容积可根据车辆的安装空间面确定。最终，“复兴号”动车组在运行过程中，漏风占到了总风耗的68%左右，而漏风占到了20.8%，因此，应该提高动车的气密性，改善动车的各个部件的气密性，尽量减少漏风带来的能耗。

参考文献：

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