試析地鐵列車空氣制動(dòng)系統(tǒng)仿真模型

張瑋

摘 要：對(duì)于地鐵列車來說，制動(dòng)系統(tǒng)是其最重要的組成部分之一，該系統(tǒng)的質(zhì)量好壞將直接決定地鐵列車的制動(dòng)性能。根據(jù)專家學(xué)者的專項(xiàng)研究，發(fā)現(xiàn)我們可以參考?xì)怏w流動(dòng)理論，采用計(jì)算機(jī)軟件設(shè)計(jì)地鐵列車的制動(dòng)系統(tǒng)仿真模型，用以模擬列車的常用、緊急、階段制動(dòng)特點(diǎn)，計(jì)算出對(duì)應(yīng)的各部分空氣壓力，并進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。

關(guān)鍵詞：地鐵列車；空氣制動(dòng)；仿真模型；AMESim軟件

地鐵列車中使用的制動(dòng)系統(tǒng)是空氣制動(dòng)系統(tǒng)，該系統(tǒng)通常采用微機(jī)控制，通過直通電進(jìn)行空氣制動(dòng)。地鐵制動(dòng)系統(tǒng)中包括下列幾個(gè)主要的組成部分：制動(dòng)指令發(fā)出與傳輸單元、BCU（制動(dòng)控制）單元、基礎(chǔ)單元以及供風(fēng)單元。傳統(tǒng)的列車空氣制動(dòng)系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)行制動(dòng)特性檢驗(yàn)時(shí)，往往采用的是實(shí)際試驗(yàn)方法。近年來，仿真模擬技術(shù)受到了更多的歡迎。國內(nèi)外的專家學(xué)者們利用MATLAB軟件和數(shù)值分析方法構(gòu)建出了具體的數(shù)學(xué)模型，發(fā)明了全新的針對(duì)性氣路仿真軟件AMESim。下面我們對(duì)典型的制動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行AMESim仿真模擬，并進(jìn)行相應(yīng)的試驗(yàn)驗(yàn)證。

1.空氣制動(dòng)系統(tǒng)

地鐵列車采用的制動(dòng)系統(tǒng)通常為電空直通系統(tǒng)，是一種典型系統(tǒng)的的原理模型。整個(gè)系統(tǒng)中包括控制氣路以及動(dòng)力氣路兩大部分，其中，控制氣路中有制動(dòng)、緩解、緊急電磁閥以及空重車閥組成，通過控制各個(gè)電磁閥完成在中繼閥上方預(yù)控不同壓力的任務(wù)；動(dòng)力氣路中包括中繼閥、副風(fēng)缸、管道以及制動(dòng)缸，中繼閥可以通過打開和關(guān)閉制動(dòng)缸控制氣路，進(jìn)而達(dá)到緩解和制動(dòng)的基本作用。

當(dāng)?shù)罔F列車收到司機(jī)室傳來的常用制動(dòng)指令時(shí)，BCU就可以根據(jù)具體的制動(dòng)要求以及氣壓實(shí)時(shí)調(diào)整具體的壓力輸出，空氣進(jìn)入到制動(dòng)缸以后制動(dòng)缸中的活塞開始作用于閘片，進(jìn)一步對(duì)踏面進(jìn)行制動(dòng)作用，通常這種制動(dòng)發(fā)生在車速小于12km/h的低速過程中，整個(gè)制動(dòng)過程中會(huì)有拖車動(dòng)作。若是地鐵列車收到緊急停車指令，那么BCU將會(huì)輸出最大壓力，進(jìn)行摩擦制動(dòng)。另外，停放制動(dòng)通常用在防止遛坡事故中。所以，分析地鐵列車的空氣制動(dòng)系統(tǒng)，主要分析重點(diǎn)應(yīng)該是氣制動(dòng)回路。

2.仿真模型的構(gòu)建

2.1基本原理

AMESim軟件中有多個(gè)元件庫，包括電子、液壓、氣動(dòng)、控制、機(jī)械等等，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)氣動(dòng)元件的組合搭配，可以建立起相應(yīng)的列車空氣制動(dòng)系統(tǒng)模型，并不需要相對(duì)復(fù)雜的數(shù)學(xué)方程。

模型構(gòu)建的基本原理基于三個(gè)基本單元，包括容性、阻性以及感性單元。其中，容性單元中有著氣體的容腔，模型傳熱期間其內(nèi)部氣體便會(huì)發(fā)生相應(yīng)的動(dòng)態(tài)變化，所以，容性單元的模擬模型是瞬時(shí)的。具體的壓力變化如式（1）所示：

（1）

式中，p表示的是容腔中的氣體產(chǎn)生的壓力， 分別表示有氣體質(zhì)量、溫度、體積變化導(dǎo)致的容腔氣體產(chǎn)生壓力。

阻性單元中不包含容腔，那么不涉及傳熱效應(yīng)，氣體壓強(qiáng)和溫度瞬間表示如式（2）所示：

（2）

式中，qm表示阻性單元的質(zhì)量流量， 表示元件兩端的壓差，兩者呈非線性關(guān)系。

感性單元?jiǎng)t主要用于描述氣體具體的宏觀運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和慣性，管道中的氣體運(yùn)動(dòng)特性可以通過伯努利方程表達(dá)。但是，通常情況下，氣體具有的質(zhì)量以及黏性都很低，慣性效應(yīng)并不予以考慮。

2.2模型構(gòu)建

空氣制動(dòng)系統(tǒng)比較復(fù)雜，系統(tǒng)中涉及到的緊急、制動(dòng)、緩解電磁閥可以統(tǒng)一采用通用型電磁閥代替，但是中繼閥以及空重車閥仍然需要進(jìn)行二次開發(fā)模擬。采用AMESim軟件，依據(jù)上文中的基本原理，可以構(gòu)建出空氣制動(dòng)系統(tǒng)的基本模型。模型中包含了系統(tǒng)中涉及到的所有元件裝置，信息流有氣動(dòng)和控制信息，氣動(dòng)信息由管路相連接，控制信息可以通過電磁閥控制。另外，f（x）表示的是空重車閥的輸出信號(hào)，其變化與空氣彈簧的壓力值有關(guān)。

EP單元為控制閥，可以根據(jù)制動(dòng)指令調(diào)節(jié)中繼閥中的CV；空重車閥則表現(xiàn)出受到車輛載重的影響，CV壓力的具體變化；中繼閥的作用是將壓縮空氣的具體流量進(jìn)行放大，可以等效為活塞缸，兩邊分別是制動(dòng)缸產(chǎn)生壓力以及CV壓力。另外，對(duì)于該系統(tǒng)中的管路、風(fēng)閥、防滑閥等元件，由于其容積變化相對(duì)較小，可以采用固定容積進(jìn)行模擬。

3.結(jié)果驗(yàn)證分析

構(gòu)建出仿真模型以后，便可以進(jìn)行實(shí)際工況模擬，常見的工況包括常用制動(dòng)、緊急制動(dòng)以及階段制動(dòng)。設(shè)計(jì)常用制動(dòng)壓力CV為250kPa，時(shí)間為10s，將0-2s規(guī)定為緩解，2-6s規(guī)定為常用制動(dòng)，6s以后則規(guī)定為再次緩解直到仿真結(jié)束，根據(jù)常用制動(dòng)模擬仿真結(jié)果可以看出，CV壓力的變化要快于制動(dòng)缸壓力響應(yīng)速度。出現(xiàn)這種現(xiàn)象，是因?yàn)橹欣^閥會(huì)受到結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生的背壓，同時(shí)，在制動(dòng)緩解時(shí)CV壓力同樣下降速度要快于制動(dòng)缸的壓力，二者之間出現(xiàn)的最大延時(shí)不大于0.5s。

緊急制動(dòng)模擬時(shí)，將CV壓力設(shè)計(jì)為500kPa，根據(jù)仿真結(jié)果發(fā)現(xiàn)CV壓力變化與常用制動(dòng)的變化趨勢是相同的，但是制動(dòng)缸的壓力上升速度要大于常用制動(dòng)工況。

階段制動(dòng)工況下，設(shè)計(jì)仿真時(shí)間為20s，發(fā)現(xiàn)0-2s為緩解，2-12s表示階段制動(dòng)，12s以后則是再次緩解直到仿真結(jié)束，結(jié)果顯示該過程中，制動(dòng)缸壓力反應(yīng)慢于CV壓力。經(jīng)對(duì)比分析，該結(jié)果和常用制動(dòng)以及緊急制動(dòng)的結(jié)果是相同的。

4.結(jié)語

地鐵列車空氣制動(dòng)系統(tǒng)經(jīng)過仿真模擬后，經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)常用制動(dòng)以及緊急制動(dòng)的制動(dòng)缸壓力變化時(shí)間比仿真時(shí)間長1/10，滿足系統(tǒng)的功能條件。制動(dòng)結(jié)束以后，中繼閥內(nèi)部元件可以起到有效的阻尼租用，進(jìn)而誤差并不影響列車的正常使用。

參考文獻(xiàn)：

[1]左建勇，王宗明，吳萌嶺.地鐵列車空氣制動(dòng)系統(tǒng)仿真模型[J].交通運(yùn)輸工程學(xué)報(bào)，2013（02）.

[2]伍智敏，任利惠，裴玉春，吳萌嶺.地鐵列車制動(dòng)系統(tǒng)的中繼閥性能仿真[J].城市軌道交通研究，2011（09）.

[3]許桂紅.地鐵制動(dòng)系統(tǒng)的研究與仿真[D].西南交通大學(xué)，2014.