基于AMESim的地铁风源系统建模与仿真

王保红 矫朋涛

(郑州市轨道交通有限公司运营分公司,河南郑州 450000)

基于AMESim的地铁风源系统建模与仿真

王保红 矫朋涛

(郑州市轨道交通有限公司运营分公司,河南郑州 450000)

本文以地铁车辆风源系统为研究对象,利用AMESim软件进行建模和仿真。通过建立设备和风源系统的仿真模型,并对供风特性进行仿真,得到主供风单元的充风时间曲线及整车充风特性。

地铁 风源系统 仿真

1 风源系统仿真的目的和意义

风源系统作为地铁车辆的重要源部件，为地铁车辆制动、转向架空气弹簧、受电弓提供压缩空气，是保证车辆正常运行的十分重要的系统，因此对地铁风源系统进行深入研究是十分有必要的[1]。

图1 主供风单元供风模型

图2 辅助供风单元模型

图3 整车建模

传统风源系统设计通常采用成熟的风源模块，通过以往的设计经验进行改型，这样需对样机进行反复试验、修改。计算机虚拟仿真技术的出现，为风源系统设计过程引入了数值模拟思想，采用AMESim软件进行气压元件建模，进而搭建模型，对其设备特性进行仿真，同时也为研究地铁车辆的供风特性提供平台。

2 风源系统工作原理

风源系统一般由主供风单元和辅助供风单元组成。主供风单元对整车供风。辅助供风单元为受电弓进行紧急供风。

主供风单元由空气压缩机组、干燥器以及控制装置等组成。空气压缩机组采用活塞式结构，包括压缩机头及其驱动电机，压缩机头通过电机驱动带动内部的活塞运动产生压缩空气。过滤器采用双塔式干燥器，通过两个干燥塔的切换实现压缩空气的干燥。控制装置对主供风单元的压力进行控制，通过检测总风管压力变化，控制主供风单元的启停，使总风管压力保持在工作范围内。

辅助供风单元设置在装有受电弓的车上，通常为脚踏泵或电动泵。脚踏泵结构简单，空间占用小，无需电路供电，但劳动强度大。电动泵成本高，操作方便，需供电。因此在其配置选择上要根据实际情况合理选取[2]。

3 风源系统建模与仿真分析

3.1 系统建模分析

AMESim在航天、汽车等领域广泛应用，因其含有整套、可靠的模型库，在系统建模和多学科耦合分析中广受欢迎[3]。

图4 脚踏泵充风与压力曲线

图5 双供风充风仿真曲线

图6 单供风单元充风仿真曲线

地铁列车一般为6编组，每节车均有3个100L风缸：总风缸、制动风缸、空簧风缸[4]。总风缸储存来自主供风单元向总风管输出的压缩空气。制动风缸是保证总风缸或总风管漏风时为制动系统供风。空簧风缸为空簧供风，保证大客流时空簧频繁排气、充气过程的用风，空簧风缸与主风缸之间装有670kPa顺序阀。

主压缩机组为气源部件，是仿真的主要对象，主要是两个低压缸进行预压缩，将第一次压缩的气体进行两次降温后输出。

辅助供风单元采用单活塞脚踏泵进行仿真。利用脚踏产生动力，气缸压缩做功，输出气体。

3.2 部件建模

根据对风源系统分析，对主供风单元建模如图1。通过对大气两次加压，使其达到工作压力后输出。

辅助供风单元模型如图2，通过低速曲轴模拟脚踏运动，带动压缩缸进行伸缩运动，从而达到加压过程。

对整车进行建模，主供风单元安装在01/06车，如图3。

图7 头尾车充风响应曲线

3.3 部件仿真

辅助供风单元：假定人力踩压周期为3s，其充风特性如图4，5min达到升弓要求，因脚踏泵为活塞式，其压力变化呈阶梯状。由于压缩空气有容积效应，在充风周期中，出现尖角。

根据主供风单元的供风特性和地铁风缸配置情况选取整车典型工况进行研究。其工况为：两台同时供风、一台单独供风。两台同时供风如图5，充风时，主风缸和制动风缸优先充风，其压力上升，当充风310s时空气管路压力达到顺序阀开启压力，主风管向空簧风缸充风，375s时空簧风缸充风至670kPa，三风缸同时充风，主风管压力达到1000kPa，空压机停止充风。

采用单台供风时，设定只有01车主供风单元工作，其充风如图6，626s时顺序阀达到工作压力开启，空簧风缸开始充风，700s时空簧风缸与主风缸压力一致，三风缸同时充风，1324s时充风完成。01、06车主风缸300s内的压力变化如图7，01车主风缸压力高于06车，说明充风时压缩空气波速随时间的增加趋于一致。

4 结语

本文对某型地铁车辆风源系统进行了研究，分析了风源系统组成，建立主供风单元与辅助供风单元的充风模型以及整车充风模型，在此基础上完成充风性能研究和两种工况下整车充风的仿真，仿真试验结果符合车辆运营要求，验证了AMESim软件对于制动系统风源研究的正确性、合理性。为供风研究提供了新的方法，缩短设计周期。

[1]李培曙.关于国产地铁制动几个问题的探讨[J].铁道车辆,2000,38 (z1):68-71.

[2]蒋廉华,阳靖,王少伟,等.地铁车辆升弓脚踏泵应用探讨[J].电力机车与城轨车辆,2009,32(3):11-13.

[3]付永领,齐海涛.LMS Imagine.Lab AMESim系统建模和仿真实例教程[M].北京:北京航空航天大学出版社,2011.

[4]刘安.城轨车辆供风系统用风量计算及验证试验[J].机车电传动, 2010,(5):62-66.

王保红(1986—),女,河南新乡人,助理工程师,学位:硕士研究生,研究方向:车辆运用工程。