城轨列车热容量软件开发研究

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摘要针对城轨列车运行中启停频繁的特点，基于传热学、动力学的基本理论，利用参数化、模块化的方法，将数据处理和有限元计算软件有机的结合在一起，形成了界面友好的制动热容量计算软件。将计算结果与试验结果进行对比，证明了计算结果的合理性。通过热容量计算软件的开发，还探讨了多学科、多软件协同仿真技术，有效促进了城轨车辆的设计和优化。

关键词热容量；有限元；数据处理；软件开发；协同仿真

针对城轨列车快速起停的特点，制动系统的热容量引起了特别的重视，即摩擦副的热容量设计分析，以提高运能并确保列车运行安全。然而在具体设计分析时，需要根据不同运行要求，考察列车制动工况，建立模型并仿真计算。需要深入的车辆专业理论学习，应用复杂的专业有限元计算软件和数据分析处理等［1－3］。仿真所使用大型有限元计算软件非常复杂，要掌握软件的应用需要专业知识和操作方法以及使用技巧，然而对于地铁公司和运用部门工程技术人员在繁重的现场技术管理工作中，要学习专业技术、建模并应用复杂的专业软件进行数据计算和分析处理、全面开展专项技术研究是非常困难的。文中探讨了基于参数化思想，使用参数化设计语言和可视化编程语言，分析计算轨道车辆在多种工况下，制动过程中车轮和制动盘的温度分布变化，以及摩擦副制动瞬态功率和极限功率，直接针对现场工程师需求，进行制动模式、数据输入、计算方法、人机对话、数据处理和调用、结果分析等方面技术研究，设计参数化建模及后处理程序，开发列车制动热容量计算应用软件。

1研究基础

1．1传热学理论

本文研究是基于经典的传热学理论，根据能量转化和能量守恒定律，从能量的角度分析列车制动过程［1－3］。

1．2列车运行理论

（1）线路运行仿真为了有效的组织列车的运营，实现低能耗的设计理念和保证必要的旅行速度，需要对列车线路运行进行仿真。图1是典型的热容量计算采用的线路运行图。（2）电空混合原则为了降低能耗和闸瓦的磨耗，新造的城轨列车均配备有电制动，电制动一般包括再生制动和电阻制动，再生制动可将制动过程中的动能转化为电能反馈给电网，以达到节约能耗的作用。然而电制动的能力是有限的，当载客量过大或特定速度下，需要补充一定量的空气制动，制动热容量所研究的就是这部分空气制动所产生热量问题。因此需对电空混合原则做深入的研究并体现在计算软件中。电空混合的首要原则是优先利用电制动，以节约能耗和减少闸瓦的磨耗，当电制动力不足以满足制动力需求时，空气制动会对不足部分进行补偿，根据补偿顺序的不同，可以分为以下两种类型：①动拖车同时补（见图2）即将需补偿的制动力平均补偿到每辆车上，这种方式可使所有车的闸瓦磨耗同步进行，制动热量平均到每个轴上，为运营和维护带来方便。一般应用于动拖比较小项目。②先补拖车（见图3）即将需补偿的制动力平均补偿到每辆拖车上，这种方式的优点是可以较大限度的利用拖车上未利用的粘着，另外同一根轴上电制动和气制动不易同时出现，方便各方的控制。一般应用于动拖比较大项目。

2技术路线

按照上面所介绍的基本理论，就可以具体进行制动热容量计算了，计算的主要过程是数据处理和有限元计算，一般需通过专用的软件来进行，这要求计算者一方面需具备较为全面的知识储备，另一方面又要掌握软件的应用需要专业知识和操作方法以及使用技巧。然而对于地铁公司和设计部门工程技术人员在繁重的现场技术管理工作中，要学习专业技术、建模并应用复杂的专业软件进行数据计算和分析处理、全面开展专项技术研究是非常困难的。所讨论的仿真软件采用了参数化、系列化、模块化先进设计理念，开发出一套界面友好、操作简单的热容量计算软件，供工程技术人员使用。图4为热容量计算软件的流程图。（1）模型系列化本制动热容量计算主要研究制动摩擦副的温升问题，其模型主要包括车辆和制动盘，制动盘根据安装位置和自身结构的不同，有分为轴装盘和轮装盘，如图5所示。由于车轮和制动盘均是按标准生产，有一定的产品系列，因此可将其做成模型库，在计算时根据需要调用。车轮主要按轮径以不同的磨耗进行分类，制动盘主要根据材料、盘径、厚度以及散热筋形式进行分类。具体的建模过程包括绘制几何模型、划分网格、制定材料参数等，并按要求进行编号，方便管理和软件读取。当进行新的制动盘产品开发时，也可采用此计算方法进行仿真分析，当产品开发完成后可纳入模型库。（2）数据处理利用大型数学软件MATLAB编制数据处理程序。该程序处理在已知包括列车性能、车辆参数、线路数据在内的各种基本数据后，计算出需要的热流密度与时间对应的数值关系和热对流系数与时间对应的数值关系，形成有限元计算所需的输入数据。另外，MATLAB还具有强大的图形处理功能，经其计算并输出的列车运行图参见图1。（3）有限元分析有限元计算采用ANSYS，其提供两种工作模式，即人机交互方式（GUI方式）和命令流输入方式。由于GUI方式操作繁复，本文采用的是命令流方式，具体来说就是采用ANSYS自带的APDL（ANSYSParamet－ricDesignLanguage）参数化设计语言编制计算程序，当计算工况改变时，只需改变个别参数，而不需要重新进行编程。（4）软件界面经过上述分析，通过模型系列化和程序参数化，已经将计算过程进行了一定程度的简化，但是仍需要手动进行软件操作和中间计算数据的存取，为了使计算过程更加简便，本文采用了基于Windows平台的可视化的程序设计语言VB（VisualBasic）编制了友好的操作界面，参见图6。图6软件界面软件界面的功能主要包括以下几个方面：①流程控制软件界面上简洁的显示了整个计算的流程，当上步未完成时不允许进行下一步的操作，这样就可以防止计算过程出现不必要的错误；②参数输入可以通过软件界面输入基本的计算数据，包括线路参数、列车性能参数以及特定的计算参数，参数包括单点数据与系列数据两种，单点数据直接填写在界面上，而系列数据可以以表格形式生成、填写并存储，如电机的特性曲线和线路参数；③软件管理可以通过软件界面管理计算软件，将数据处理软件MATLAB和有限元计算软件ANSYS与操作界面做了有机的融合，实现了在已安装计算软件的前提下，利用本界面根本无需打开软件即可利用软件进行后台的计算；④结果显示软件界面可以显示计算过程及最终得到的计算结果，通过图形和数值直接反映在界面上。界面上可显示数据处理后的线路运行图和旅行速度、最终得到的温度曲线以及最高温度。

3对比验证

为了验证软件计算结果的可靠性，将其与试验台试验和线路试验数据进行了对比，参见图7和图8。由计算温度曲线与试验温度曲线对比分析可知，无论曲线走向、数值大小分布的一致性都达到非常高程度，说明所开发的制动热容量计算软件能满足实际现场对制动热容量分析、制动性能考察的要求，可以作为在设计车辆运能的制动功率核算基本分析工具。另外，还将软件计算结果和目前项目实际运用的计算报告进行了对比分析，参见图9和图10，从图中可以看出，两者的一致性也非常的高。

4结论与展望

综上所述，制动热容量计算软件的开发经过了基础理论研究、技术路线探索、试验验证一系列的过程，最终得到了技术方法先进、操作界面简洁、计算结果合理的一整套热容量计算软件，为工程技术人员计算列车性能带来了极大的方便。通过热容量软件的计算，可以对列车的运行提供参考，如在电制动故障条件下列车的限速值，充分的保障乘客的安全。另外，此软件还具有兼容性，可以用于制动系统新产品的开发，并可将开发成功的产品纳入模型库。值得一提的是，本次制动热容量软件的开发对于多学科、多软件协同仿真技术是一次成功的探索，本文所采用的技术路线，即建立产品模型库、参数化编程、界面化管理，可以拓宽的列车设计的各个专业，甚至整个仿真计算领域。

参考文献

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［2］应之丁，朱建安，林建平．快速重载货物列车踏面制动试验与分析［J］．同济大学学报（自然科学版），2010，38（9）：1363－1366，1396．

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［4］张天孙．传热学［M］（第二版）．北京：中国电力出版社，2006．

［5］虞丽娟．机车车轮瞬态温度场的有限元研究［J］．铁道学报，1993，15（3）：11－16．

［6］MTirovic．Convectiveheatdissipationfromawheel－hub－mountedrailwaybrakedisc［J］．RailandRapidTransit，2008，222：355－365．

作者：朱建安 蒋红果 单位：中车南京浦镇车辆有限公司