张 雪，王俊勇

（西南交通大学机械工程学院，四川成都610031）

高速受电弓自动降弓阀研究分析

张 雪，王俊勇

（西南交通大学机械工程学院，四川成都610031）

介绍了CRH380CL型高速动车组受电弓自动降弓阀的功能、原理和结构，基于AMEsim软件进行模拟和仿真，从仿真结果分析得出影响高速受电弓升弓时间和自动降弓阀灵敏度和稳定性的相关因素。分析自动降弓阀设计参数和升降性能之间的关系，由此提出改进优化高速受电弓自动降弓阀结构的设计方法。

受电弓；自动降弓阀；AMEsim；建模仿真

受电弓是安装在车顶上的从接触网获取和传递电流的机械装置。CRH380CL型动车组是我国研制的新一代16辆编组的高速动车组，其选用的受电弓采用先导闭环主动控制技术，具有可靠的稳定性、适应性和良好的空气动力学性能，采用的自动降弓保护系统可以满足高速动车组速度300 km/h及以上的速度运营需求。以CRH380CL型高速动车组受电弓自动降弓阀为研究对象，对影响其灵敏度和稳定性的相关因素进行深入地分析讨论。

1 自动降弓阀结构及工作原理

CRH380CL型高速受电弓配有独特的自动降弓系统（Automatic Dropping Device：ADD）。ADD在受电弓碳滑板受外力损坏或磨耗到期，检测气路产生漏气（在规定范围之外）时实现受电弓自动快速的降弓。降弓之后，如果碳滑板气路未修复，它可以阻止受电弓进行升弓操作。该系统结构简单、可靠性高、反应灵敏，正常状态下可以使受电弓弓头在1 s内下降200 mm以上，从而保证受电弓、动车组电气部件和接触网线路的安全。

ADD系统安装在受电弓底架上，通过判断检测碳滑板内部气路是否漏泄，来实现快速降弓功能。ADD阀的结构原理如图1所示：

ADD阀体内部分为上下两个腔室，来自动车组空气压缩机的压缩空气经过精细调压阀后，分为两路，一路向受电弓气囊充气，另一路进入ADD阀下腔室，同时下腔室经过带有节流小孔的橡胶膜板向上腔体充风。上腔体输出分两路，一路通碳滑板检测气路，另一路和压力开关连接。正常状态下，ADD阀不动作，下腔通过节流小孔不断的给上腔和检测气路供气，保持压力平衡，并保证产生较小的压力波动和碳滑板少量泄露（允许范围内）时，不会引起受电弓自动降弓。如果泄漏量大于允许范围，由于节流孔径非常小，下腔向上腔补风不足，导致上腔气压迅速下降，上下腔体产生一定的压力差，推动膜板上移，排气口打开，气囊压缩空气排出，受电弓快速下降，使弓头1 s内快速脱离接触网200 mm以上。降弓的控制方式是随着气囊内的压力空气排空后，由重力作用实现的。ADD阀同时在正常的升降弓过程中也发挥着重要作用，受电弓控制单元压力开关通过检测上腔的压力值来进行高低电压的转换，TCMS通过检测压力开关的状态来监控受电弓的状态。该ADD阀满足了响应时间迅速、动作灵敏等特性，具有良好的灵敏度和稳定性要求。

2 模型建立

2.1 流量方程

为了研究气体的流量特性，一般认为气体通过节流孔时气体是相对稳定的一维流动，其流动情形与收缩喷嘴相似，用收缩喷嘴的流量特性来表示其流量特性。设气体是绝热流动，由理想气体伯努利方程可得，出口处的空气流速为：

空气流速：

式中k为比热比；P0、P1为节流孔下、上游压力；ρ0为下游空气密度。

体积流量：

式中α为流量系数；A为喷嘴出口面积。质量流量：

式中ρ1为上游空气密度。

对于膜板，则有：

式中d0为下腔膜板有效直径；d1为排风口直径；d2为上腔膜板有效直径；m为膜板质量；T0为膜板弹簧力。

对于排风缩堵，有：

式中T1为排风弹簧力。

2.2 AMEsim模型建立

AMEsim软件提供了一个系统工程设计的完整平台，可以在同一平台上建立多学科领域系统的模型，基于物理模型的图形化建模方法，可以从繁琐的数学建模中解脱出来，专注于物理系统本身的设计，从而便于工程技术人员的掌握和使用。根据ADD阀结构原理，以1 dm3风缸模拟碳滑板气路，5 dm3风缸模拟气囊，运用气动库建立的ADD阀仿真模型如图2所示。

进行模拟的参数设置按照ADD阀在高速动车组上的工况来设置，主要参数如表1所示。

3 仿真结果分析

通过对ADD阀部分相关参数进行调整，进行模拟分析，得出其仿真结果如下：

3.1 进气口缩孔大小与升弓时间的关系

将模型中进气口缩孔大小分别设为1.2，1.4，1.6，1.8 mm，其余保持默认设置，得出升弓时气囊的压力和ADD上腔压力曲线如图3所示。

受电弓压力开关的工作范围是250～300 k Pa，由图3、图4可以看出，受电弓升弓时间即从发出升弓命令到压力开关常开回路闭合的时间分别为11.6，9.1，8.1，7.5 s。增大进气口缩孔可以有效的加快气囊压力上升速率，从而缩短升弓时间。但是随着进气口缩孔的不断增大，空气的补风速度越来越快，气囊压力相对上升速率并不显著，从而其对升弓时间的影响也越来越小。根据动车组和受电弓之间的控制协议，司机发出升弓命令之后的20 s之内动车组控制系统必须收到压力开关常开回路的闭合信号，同时若受电弓的升弓时间过短会导致碳滑板和接触网、上臂等机械结构受到一定的机械冲击，缩短受电弓的使用寿命，所以进气口缩孔孔径一般根据情况选择1.4 mm或者1.6 mm。通过增大进气口缩孔的直径可以有效的缩短升弓时间，同时不会对ADD阀的稳定性和灵敏度等因素造成不良的影响，是高速动车组运营过程中调节升弓时间的一种可靠的方式。

3.2 节流孔直径与升弓时间的关系

进气口缩孔直径为1.6 mm，将膜板节流孔直径分别设置0.9，1.0，1.1，1.2 mm，得出ADD上腔压力曲线如图5所示。

受电弓的升弓时间分别为12.4，10.2，8.6，7.4 s。增大膜板节流孔直径可以有效的缩短ADD阀内部膜板上下压力平衡的时间，从而缩短受电弓升弓时间。随着节流孔直径的持续增大，其对升弓时间的影响越来越小。

3.3 节流孔直径与临界泄漏量之间的关系

节流孔直径的大小是ADD阀响应灵敏度和稳定性的重要因素，模型中以排大气的小孔直径大小来模拟泄漏量的大小，分别得出各节流孔达到临界时ADD上腔压力和泄漏量如图6所示。

由于膜板动作是由上下腔的压力控制的，由式（4）计算得出若使膜板动作，ADD上腔压力最小达到282.497 k Pa，由式（3）计算得出各节流孔的最小泄漏量，对比数据如表2所示：

由图7和表2可以看出，膜板节流孔的直径越大，则允许的临界最小泄漏量就会越大。在高速运行时由于受电弓机械结构的作用会导致气囊有一定的压力波动以及受电弓的管路连接处不可避免的会产生少量的泄漏情况，使得膜板上下要允许一定的压差范围，即节流孔直径不能太小，以免误动作发生降弓，保证ADD阀的稳定性。同时节流孔直径不能过大，若发生紧急情况，节流孔较大，ADD下腔的压力空气会迅速由节流孔补风到上腔，膜板上移量小，排风减少，灵敏度降低。所以选择适当的节流孔直径来同时保证灵敏度和稳定性的要求，根据上述仿真分析，选取1 mm为宜。

3.4 排风弹簧力大小与ADD响应时间的关系

由图3可以看出，受电弓在升弓的过程中气囊压力会有大概1 s的时间压力未上升，是由于升弓初期膜板上下压力差导致的ADD短暂排风的现象，由式（5）可计算出气囊压力需大于91 k Pa时排风缩堵才会打开，与图中数值基本一致，所以排风弹簧的刚度和初始力的大小对缩短升弓初期压力平衡的时间也有一定的影响。取节流孔直径1.0 mm，当由于泄漏原因触发自动降弓时，气囊的压力值变化如图8所示。

由图8可以看出，当ADD膜板开始动作，此时受电弓弓头立即脱离接触网，1 s内气囊压力迅速由335 k Pa下降到110 k Pa左右，弓头脱离接触网200 mm的时间大约是0.82 s。由于排风弹簧控制ADD的排风时间，使得弓头迅速脱离接触网的同时气囊内保留有一定的压力空气，使受电弓不会出现较大的机械冲击，对受电弓起到保护作用。

4 结 论

通过对CRH380CL型高速受电弓ADD阀的性能分析，可以得到以下结论：

（1）通过调节节流孔直径可以调节升弓时间，随着孔径的变大影响越来越小，而且会改变阀的灵敏度和稳定性。进气口缩孔对升弓时间的影响随着孔径的变大影响逐渐减小，但不会对ADD阀的性能产生影响，所以一般通过改变进气口缩孔大小来调节升弓时间。

（2）橡胶膜板节流孔直径的大小是影响ADD阀功能的重要参数。孔径增大，阀稳定性会增强，但会降低阀的灵敏度，反之则情况相反。所以应选择适当的孔径同时满足灵敏度和稳定性的要求，孔径一般选择1.0 mm为宜。

（3）排风弹簧的刚度和初始力影响受电弓紧急降弓的响应时间和排风速度，保证受电弓弓头可以在1 s内脱离接触网200 mm以上。

［1］ 徐炳辉.气动手册［M］.上海：上海科学技术出版社.2005.

［2］ 杨 璨.货车动车组制动系统的建模及仿真研究［D］.成都：西南交通大学，2010.

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［4］ 王 敏.主动控制受电弓机理解析及试验应用研究［D］.成都：西南交通大学，2013，（5）：13－16.

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Research and Analysis of High-speed Pantograph Automatic Dropping Valve

ZH ANG Xue，WANG Junyong
（School of Mechanical Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031 Sichuan，China）

The function，principle and structure of the pantograph automatic dropping valve used on CRH380CL EMU is introduced.The simulation is built based on AMEsim software.From the results of simulation，the related factors of the rising time of high-speed pantograph and the sensitivity and stability of automatic dropping valve are obtained.By analysis of the relationship between each parameter and the corresponding performance of the valve，the design method of improving optimization of high-speed pantograph automatic dropping valve＇s structure is presented.

pantograph；automatic dropping valve；AMEsim；simulation

U255.2

A

10.3969/j.issn.1008－7842.2014.05.28

1008－7842（2014）05－0103－04

�）男，研究生（

2014－03－19）