高速動車組制動系統建模與仿真分析

張新永，尹 方，曲秋芬，楊永勤，謝春杰，孟慶棟

（唐山軌道客車有限責任公司 產品研發中心，河北唐山063035）

鐵路制動系統有著悠久的發展歷程，早期的制動系統設計一直采用試驗的方法對其結構、控制和性能等方面進行研究和改進。但是在現代列車高速及重載運輸的發展趨勢下，空氣制動系統也越來越復雜，傳統的試驗方式已經不能滿足現狀要求，同時也會耗費大量的人力和物力。此外，試驗獲得的制動性能結果也存在離散性，于是人們開始尋求更好的方法來模擬研究，作為部分取代試驗或作為試驗的補充。計算機技術的快速發展，氣體流動理論的日趨成熟，為鐵路制動系統數值模擬研究創造了良好的條件。數值模擬研究不僅能模擬試驗工作，還能從整個空氣制動系統的角度來研究參數對制動性能的影響，同時還可以進行空氣制動性能預測。

1 制動系統工作原理

高速動車組制動系統主要由基礎制動裝置、空氣懸掛控制裝置、司機控制裝置、制動控制系統（即控制單元BCU）、風源系統、風缸、列車管路等部分組成。對于制動系統而言，列車分兩個相同制動單元，每個制動單元有4節車，因此以一個制動單元為例，如圖1所示。

圖1 高速列車制動系統組成部分

動車組制動系統采用減速度控制，對于不同質量的車輛，制動時需要的制動力不同。車重判定通過檢測轉向架上的空氣彈簧壓力實現。由中繼閥產生的制動壓縮空氣經過管路和防滑排風閥最終作用在制動缸活塞上，同時推動缸筒和活塞向相反的方向運動，經過杠桿的傳遞，并最終通過閘片和制動盤夾緊摩擦產生所需的制動力，完成制動作用。

緊急制動時，預控制壓力不受常用制動閥控制，來自總風管的壓縮空氣直接經緊急電磁閥到達空重車閥，預控制壓力只受空重車調整閥控制，使之與空氣彈簧的壓力即載荷情況相適合。

當救援和回送時，需要啟動備用制動。備用制動時，通過司機室中的備用制動手柄控制列車管的充排風，控制分配閥產生制動預控壓力經過雙向閥到達中繼閥，產生制動缸壓力。

依據制動系統工作原理可對制動部件分別進行建模，再將其連接最終形成制動系統模型，進行仿真計算。

2 高速動車組制動系統建模與仿真分析

2.1 仿真計算原理分析

計算采用軟件LMS Imagine.Lab AMESim，基于基本元素的建模理念，將制動系統中制動控制單元、單元制動器等復雜的氣動部件分解為各種不同的基本結構單元，如節流孔、活塞、容腔、質量塊等，再按照一定的邏輯關系將對應的模塊組合在一起，即可構建對應的部件子模型，將以上子模型綜合起來，即可得到完整的制動系統仿真模型。

本文通過選取一些典型的工況，如常用制動的施加和緩解、緊急制動的施加和緩解等進行分析，對高速動車組制動系統的性能特征進行仿真分析，如控制靈敏度、制動缸壓力精確度、制動輸出力、響應時間等。

2.2 整列車制動系統建模分析

將搭建的制動系統重要元件封裝后連接在一起，組成了頭車制動系統模型，如圖2所示。

圖2 頭車制動系統

搭建完成單節列車制動系統的前提下，根據整列車的原理圖，搭建整列車（8節）制動系統。

（1）整列常用制動分析

常用制動時，7級常用制動持續用到了4級，分別是200，300，400，700kPa，持續時間分別為6，7，5，7s。經過中繼閥計算，得到相對應的壓力分別為160，230，310和420kPa。制動缸的壓力和制動力如圖3和圖4所示。由于動車和拖車的制動缸活塞面積不同，產生的制動力不同。

圖3 常用制動時Cv控制壓力和制動壓力

（2）整列緊急制動分析

緊急制動時，只需要將空電轉換閥上面的電磁閥打開，使得列車管壓力之間通往空重車閥。此時無論空電轉換閥是否起作用，制動系統先導控制壓力完全由空重車閥調定。動車制動力達到了53kN，拖車制動力達到了33kN，如圖5所示。

圖4 常用制動時拖車制動力和動車制動力

（3）整列備用制動分析

當空電轉換閥和緊急制動都有故障時，這時需要采用備用制動。備用制動工作時，列車管需要迅速排風，列車管壓力迅速下降，這時DV閥迅速開啟，風缸R和風缸Cv連通，控制閥將現有風缸的壓力轉化為制動先導壓力。這時先導壓力由控制閥和連接在控制閥兩端的風缸來控制。得到相應的控制壓力480kPa，制動壓力為370kPa，動車制動力和拖車制動力分別為45kN和27kN，如圖6和圖7所示。

圖5 緊急制動時拖車制動力和動車制動力

圖6 備用制動時Cv控制壓力和制動壓力

3 結束語

圖7 備用制動時動車制動力和拖車制動力

本文對高速動車組型高速列車制動系統，基于LMS Imagine.Lab AMESim建模過程進行了詳細的介紹。

按照高速動車組高速列車制動系統的原理圖搭建了列車的制動系統，分別進行了常用制動、緊急制動和備用制動3種工況進行了仿真分析。仿真結果與制動系統的現車試驗數據基本吻合，可用于指導今后對于類似高速動車組的制動系統，或者是高速動車組的制動系統中功能相似的元件開展仿真分析，提高列車制動系統的接口性能研究。大大縮短車輛產品的開發周期，降低制造成本。

［1］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.

［2］付永領，祁曉野.LMS Imagine.Lab AMESim系統建模和仿真參考手冊［M］.北京：北京航空航天大學出版社，2011.

［3］張 莢，龔禮華.現代計算機仿真技術［J］.達縣師范高等專科學校學報，2000，10（2）：64-66.