氣壓制動(dòng)系統(tǒng)框架下的建模及其穩(wěn)健性設(shè)計(jì)思路構(gòu)建

摘 要：氣壓制動(dòng)系統(tǒng)作為車輛中比較常見的一種系統(tǒng)裝置，由于在實(shí)際工作運(yùn)行的環(huán)境結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，因此，進(jìn)行該系統(tǒng)的建模設(shè)計(jì)過程中，如果只進(jìn)行靜態(tài)特性的設(shè)計(jì)考慮，將會(huì)與實(shí)際的工作運(yùn)行情況之間產(chǎn)生較大的偏差，影響氣壓制動(dòng)系統(tǒng)在實(shí)際工作運(yùn)行中的穩(wěn)健性。本文將通過對(duì)于氣壓制定系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理分析基礎(chǔ)上，對(duì)其系統(tǒng)建模以及穩(wěn)健性設(shè)計(jì)進(jìn)行分析研究，以促進(jìn)在實(shí)際中的設(shè)計(jì)應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：氣壓制動(dòng)系統(tǒng)；設(shè)計(jì)建模；結(jié)構(gòu)原理；穩(wěn)健性；分析研究

氣壓制動(dòng)系統(tǒng)作為車輛運(yùn)行中比較常見一種的系統(tǒng)裝置，由于在實(shí)際工作運(yùn)行中受到很多不確定因素的作用和影響，因此，進(jìn)行不確定參數(shù)狀態(tài)下的氣壓制動(dòng)系統(tǒng)模型的設(shè)計(jì)構(gòu)建，需要對(duì)其穩(wěn)健性進(jìn)行分析研究。這也是氣壓制動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究較為關(guān)注的一個(gè)重要問題。下文在進(jìn)行氣壓制動(dòng)系統(tǒng)模型的設(shè)計(jì)構(gòu)建，主要結(jié)合系統(tǒng)的物理結(jié)構(gòu)原理以及系統(tǒng)的工作運(yùn)行環(huán)境，對(duì)其動(dòng)態(tài)特征分析基礎(chǔ)上，結(jié)合仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)論，實(shí)現(xiàn)其系統(tǒng)模型以及穩(wěn)健性的設(shè)計(jì)研究，這在氣壓制動(dòng)系統(tǒng)的實(shí)際設(shè)計(jì)與研究中具有較為突出的價(jià)值作用和意義。

1 氣壓制動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理分析

氣壓制動(dòng)系統(tǒng)作為車輛中使用較多的一種系統(tǒng)形式，與液壓制動(dòng)系統(tǒng)相比，在車輛工作運(yùn)行中氣壓制動(dòng)系統(tǒng)能夠在汽車踏板作用力不過大，同時(shí)踏板行程又不很長(zhǎng)的情況下產(chǎn)生相對(duì)較大的制動(dòng)力，對(duì)于車輛的工作運(yùn)行進(jìn)行保障；此外，在進(jìn)行主車以及被拖掛車或者是列車之間連接時(shí)連接實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)裝置相對(duì)簡(jiǎn)單，并且連接與斷開設(shè)置比較方便。但同時(shí)，氣壓制動(dòng)系統(tǒng)在保證車輛工作運(yùn)行時(shí)由于工作壓力相對(duì)較低，因此也需要空氣壓縮機(jī)以及儲(chǔ)氣罐等元件結(jié)構(gòu)作為輔助，配合系統(tǒng)的工作運(yùn)行，所以，從整體結(jié)構(gòu)以及性能作用上來講，氣壓制動(dòng)系統(tǒng)與液壓制動(dòng)系統(tǒng)作為實(shí)現(xiàn)車輛運(yùn)行的兩大系統(tǒng)類型，氣壓制動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)性能要相對(duì)復(fù)雜。

氣壓制動(dòng)系統(tǒng)主要由空氣壓縮機(jī)以及濕儲(chǔ)氣筒、四回路保護(hù)閥、雙腔制動(dòng)閥、前后儲(chǔ)氣筒、制動(dòng)氣室、繼動(dòng)閥以及進(jìn)行各部件連接的氣壓管路等結(jié)構(gòu)元件組成。在車輛工作運(yùn)行中，空氣壓縮機(jī)作為氣壓制動(dòng)系統(tǒng)的壓力源，主要為系統(tǒng)工作運(yùn)行進(jìn)行高壓氣體提供支持；而濕儲(chǔ)氣筒則是用來進(jìn)行空氣的壓縮冷卻，同時(shí)將空氣中的油水進(jìn)行分離實(shí)現(xiàn)，并將清潔空氣通過回路保護(hù)閥向系統(tǒng)的前后儲(chǔ)氣筒進(jìn)行充氣；四回路保護(hù)閥作為實(shí)現(xiàn)空氣壓縮機(jī)和儲(chǔ)氣筒連接的元件，通過將整個(gè)車輛的氣路分成四個(gè)相互連接又各自獨(dú)立的回路結(jié)構(gòu)，在車輛工作運(yùn)行中以保證其中一個(gè)回路故障的情況下，通過其他回路實(shí)現(xiàn)壓力水平的保持，從而對(duì)于車輛的正常工作運(yùn)行進(jìn)行保障；在整個(gè)氣壓制動(dòng)系統(tǒng)中一般設(shè)置有前后兩個(gè)儲(chǔ)氣筒，以進(jìn)行空氣壓力的儲(chǔ)存，實(shí)現(xiàn)車輛運(yùn)行動(dòng)力支持；串聯(lián)雙腔制動(dòng)閥則是進(jìn)行主制動(dòng)系統(tǒng)工作運(yùn)行的控制實(shí)現(xiàn)。

串聯(lián)雙腔制動(dòng)閥主要由上下兩個(gè)腔室組成，在制動(dòng)控制運(yùn)行中，通過后儲(chǔ)氣筒與11口相接、前儲(chǔ)氣筒與12口相接，并通過上腔出氣口21為后制動(dòng)回路進(jìn)行制動(dòng)信號(hào)氣壓的提供，然后由22向前制動(dòng)回路進(jìn)行連通，實(shí)現(xiàn)制動(dòng)系統(tǒng)的制動(dòng)控制。在制動(dòng)工作中，由制動(dòng)踏板通過連接杠桿控制制動(dòng)閥頂桿a向下進(jìn)行移動(dòng)，然后通過橡膠彈簧b控制活塞C在回位彈簧的彈力作用下產(chǎn)生向下移動(dòng)的作用力，并在活塞與閥桿e接觸后再次借助彈簧彈力進(jìn)行向下移動(dòng)，并在活塞與閥桿接觸同時(shí)將排氣口d進(jìn)行關(guān)閉，通過閥桿的下移打開進(jìn)氣口i，再由后儲(chǔ)氣筒中的高壓氣體通過21連接口輸出到后制動(dòng)回路中。此外，在雙腔制動(dòng)閥的上腔動(dòng)作運(yùn)行中，由回路氣壓通過小孔D向B腔作用，作用力到達(dá)活塞f，使活塞f下移關(guān)閉排氣口h同時(shí)打開進(jìn)氣口g，并將由前儲(chǔ)氣筒傳來的高壓氣體通過12以及進(jìn)氣口g再由出氣口22傳遞到前制動(dòng)回路在充氣作用下產(chǎn)生前制動(dòng)作用，保證制動(dòng)系統(tǒng)的制動(dòng)工作。最后，在制動(dòng)完成后，通過將作用在頂桿上作用力進(jìn)行消除，實(shí)現(xiàn)橡膠彈簧壓力作用的解除，進(jìn)而使活塞在回路彈簧以及回路氣壓的作用下向上移動(dòng)，并關(guān)閉進(jìn)氣口、打開排氣口，由前后制動(dòng)回路氣壓經(jīng)過兩個(gè)出口以及排氣口放空，實(shí)現(xiàn)制動(dòng)作用的解除。此外，在氣壓制動(dòng)系統(tǒng)中繼動(dòng)閥主要是進(jìn)行制動(dòng)反應(yīng)時(shí)間縮減實(shí)現(xiàn)的結(jié)構(gòu)裝置，制動(dòng)氣室則是實(shí)現(xiàn)氣壓作用向機(jī)械作用轉(zhuǎn)換的結(jié)構(gòu)裝置，氣壓管路是實(shí)現(xiàn)制動(dòng)系統(tǒng)中各部件連接的管路元件。

2 氣壓制動(dòng)系統(tǒng)建模以及穩(wěn)健性設(shè)計(jì)分析

本文在進(jìn)行氣壓制動(dòng)系統(tǒng)模型構(gòu)建中主要是通過AMESim軟件實(shí)現(xiàn)的，結(jié)合氣壓制動(dòng)系統(tǒng)的工作運(yùn)行情況，在不考慮泄露并且假設(shè)前后儲(chǔ)氣筒為一個(gè)恒壓源的情況下，通過對(duì)于氣壓制動(dòng)系統(tǒng)中串聯(lián)雙腔制動(dòng)閥以及繼動(dòng)閥、制動(dòng)氣室、氣壓管路等結(jié)構(gòu)部件對(duì)于系統(tǒng)工作運(yùn)行的作用影響分析，在完成上述部件的建模設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)建模。

根據(jù)上述不進(jìn)行穩(wěn)健性考慮設(shè)計(jì)構(gòu)建的氣壓制動(dòng)系統(tǒng)模型，在仿真試驗(yàn)中，結(jié)合給定的輸入信號(hào)，進(jìn)行制動(dòng)工作運(yùn)行后可以得出該氣壓制動(dòng)系統(tǒng)中制動(dòng)氣室內(nèi)的壓力大小是通過踏板行程進(jìn)行控制的，但是存在有壓力響應(yīng)線和輸入信號(hào)不同步的問題，這也是進(jìn)行氣壓制動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中穩(wěn)健性設(shè)計(jì)的關(guān)鍵要點(diǎn)，經(jīng)Taguchi方法在對(duì)于氣壓制動(dòng)系統(tǒng)工作運(yùn)行穩(wěn)健性分析基礎(chǔ)上，通過仿真實(shí)驗(yàn)在選取穩(wěn)健性因子基礎(chǔ)上，通過響應(yīng)回歸以及優(yōu)化設(shè)計(jì)，結(jié)合區(qū)間算法對(duì)于氣壓制動(dòng)系統(tǒng)工作運(yùn)行的穩(wěn)健性因數(shù)計(jì)算，最終實(shí)現(xiàn)氣壓制動(dòng)系統(tǒng)及其穩(wěn)健性的設(shè)計(jì)，為實(shí)際設(shè)計(jì)提供了相關(guān)經(jīng)驗(yàn)和參考。

3 結(jié)束語

總之，氣壓制動(dòng)系統(tǒng)作為車輛工作運(yùn)行系統(tǒng)的一個(gè)重要類型，具有一定的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)和適用性，進(jìn)行氣壓制動(dòng)系統(tǒng)模型構(gòu)建以及穩(wěn)健性設(shè)計(jì)的分析，有利于提升系統(tǒng)設(shè)計(jì)水平，促進(jìn)在實(shí)際中的推廣應(yīng)用，具有積極作用和價(jià)值意義。

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