基于AMESim的軌道交通車輛架控制動系統建模與仿真＊

胡 薇 朱皓青 王宗明 左建勇

（1.同濟大學鐵道與城市軌道交通研究院，201804，上海；2.上海地鐵維護保障有限公司車輛分公司，200233，上海∥第一作者，碩士研究生）

城市軌道交通車輛架控制動系統采用分散式的控制方式，將電制動控制單元、氣制動控制單元及防滑閥進行集成，在保證控制精度與靈敏的響應速度的同時，滿足車輛制動設備的冗余性。在架控制動系統逐步取代車控制動系統的趨勢下，參考用于上海軌道交通1號線6 改8 工程增購列車的克諾爾EP2002架控氣制動系統，通過AMESim 軟件中豐富的模型庫進行建模，仿真分析其三種制動模式，并與設計指標進行對比。

1 架控制動系統結構與制動模式

1.1 系統結構

架控制動系統保持了車輛制動設備的冗余性。通常情況下，僅一個轉向架上的制動系統工作，當其出現故障時，另一個設備及時采取動作，施行制動。架控制動系統中包括風源系統、輔助控制模塊、制動控制單元、踏面制動單元以及空氣彈簧等。

上海軌道交通1號線6改8工程增購列車的制動系統包括制動控制模塊和制動控制單元。每車配有一套制動控制模塊，實現儲存風源、施加和緩解停放制動。制動控制模塊集成了溢流閥、減壓閥、塞門以及風缸等部件，主要用來對制動裝置及空氣懸掛裝置供風，并裝有截斷塞門，供維修人員進行操作。

制動控制模塊B00內的部件包括總風缸A06、空氣過濾器B01、截斷塞門B02、單向閥B03、制動儲風缸B04、截斷塞門B05、節流閥B10、脈沖電磁閥B19、三通閥B20、停放制動壓力開關B21、測試接口B22、溢流閥L01、截斷塞門L02、減壓閥L03、懸掛風缸L04、測試接口L06。其氣動原理圖如圖1所示。

圖1 制動控制模塊內部氣動原理圖

1.2 制動模式

圖2為EP 2002 閥內部氣路示意圖，其中A7為連通電磁閥，用于連通或切斷本轉向架的兩根軸的氣動輸出壓力：在常用制動和緊急制動作用期間，允許按架控方式將兩根軸上的制動缸壓力輸出連通；當產生防滑保護時，將兩根軸之間的制動缸壓力輸出切斷（相當于軸控式制動方式），使每根軸根據實際運行情況單獨控制其制動缸壓力。

常用制動時，EP 2002稱重部根據空氣懸掛系統輸出實際制動壓力，在無滑行的情況下，A7 失電，起到連通作用，使同一轉向架兩根軸上的制動缸氣路有相同的壓力。在調節制動缸壓力時，由其中任一軸的保壓／排風電磁閥（A3／A4或A5／A6）進行控制，另一個軸的保壓／排風電磁閥始終在保壓狀態。緊急制動采用空氣制動：當制動系統得到緊急制動信號時，制動控制單元會控制兩根軸上的制動缸壓力控制電磁閥，使之處于失電狀態，制動缸壓力達到稱重的緊急制動壓力水平。緊急制動功能是獨立地按各自轉向架的不同載荷來調節制動缸壓力。緊急制動時，因緊急沖動限制電磁閥A2失電，使制動充風速率受到限制，實現緊急沖動限制。快速制動的制動減速度與緊急制動時相同，具有防滑控制功能和沖擊極限限制，但可隨時施行制動緩解。快速制動時，EP 2002制動控制系統的工作原理基本與常用制動相同。為了滿足列車在AW3（超載）載荷下較長時間停放的要求，停放制動采用彈簧制動和壓縮空氣緩解制動，EP 2002閥將實時監控停放制動缸的空氣壓力。在無電無氣時，可通過手動緩解機構進行人工緩解制動。列車速度低于1 km／h，EP2002閥會施加保壓制動，以實現平穩停車。

圖2 制動控制單元氣動原理圖

2 架控制動系統的建模和仿真

2.1 系統建模

將系統分模塊建模仿真，在達到各自功能要求后，按其氣路原理圖搭建完整的架控制動系統。為滿足整體仿真效果及速度，模型中省略部分非必要部件，如干燥器、單向閥、塞門等。每根車軸有兩個制動缸和一個停放制動缸，停放制動時，停放制動缸只依靠彈簧力向踏面施加制動力，且制動缸無制動壓力輸入。根據制動系統的結構特點，采用以下模型：由一個制動缸模型來檢測和反映制動缸或停放制動缸的動作。系統模型如圖3所示。具體部件可對照圖2。

圖3 架控制動系統模型

本次仿真試驗中，以上海軌道交通1號線6改8工程增購列車的一節動車為例，制動工況均以重車AW3模式進行驗證。總風缸最大壓力1 MPa，正常工作壓力范圍0.75～0.9 MPa。空壓機壓力在0.75 MPa以下時開始運轉，壓力達到0.9 MPa時切斷，保證壓縮空氣供給系統不過壓。經溢流閥作用降為0.85 MPa，保證總風缸壓力處于正常工作范圍，繼而輸入總風缸、制動風缸。懸掛風缸是給空簧供風，在AW3車況下，總風壓力通過減壓閥，使得進入空簧的壓力穩定在0.6 MPa左右。系統先對總風缸、制動風缸和懸掛風缸進行充氣，當各風缸達到額定氣壓后，再對各種制動工況進行仿真。圖4為穩定時的風缸壓力情況（總風缸壓力與制動風缸壓力接近）。可以看出，總風缸和制動風缸風壓最終穩定在0.83 MPa，懸掛風缸壓力為0.63 MPa。

圖4 穩定狀態時的風缸壓力

2.2 制動模式仿真

常用制動、緊急制動和停放制動輸入三階段信號，實現制動、保壓、緩解三個過程。其中，停放制動在施加時僅靠彈簧作用力；緩解時為充氣狀態。

2.2.1 常用全制動和緊急制動

空氣制動單元制動能力滿足AW3的列車。常用制動時，輔助制動模塊中控制停車制動的雙向電磁閥得電，使氣路切斷，制動風缸的壓力空氣通入架控制動模塊的稱重部，當輸入壓力處于主調解器壓力和副調節器壓力之間時，按實際制動氣壓輸出進入制動控制模塊。實際制動氣壓與空氣懸掛裝置的氣壓成比例。常用制動時，其對應的電磁閥信號為失電，進行充氣制動。連通閥在常用制動時為常開狀態，兩軸的制動缸壓力一致。

緊急制動與常用制動的區別，在于緊急制動時無電制動，僅靠空氣制動完成。以緩解－制動－緩解來模擬制動系統的常用制動和緊急制動。常用全制動和緊急制動下的制動缸壓力曲線如圖5所示。可以看出，緊急制動時制動缸壓力更大，且制動時間更短。當車輛處于制動工況時，常用制動建立時間（制動缸壓力上升到90%）為1.5 s，緊急制動建立時間為1.3 s。

2.2.2 停放制動

停放制動時，列車為空車狀態，且設計中需滿足38‰的坡度要求。停放制動由輔助制動模塊中的雙向電磁閥控制實現。停車制動緩解時，通往架控制動模塊的氣路被截斷塞門關斷，由制動風缸直接向兩軸的停放制動缸充氣，因此該模塊中的電磁閥不動作。根據氣路圖壓力開關設計的停放制動缸的完全緩解壓力為0.45 MPa。仿真得到的一、二軸停放制動缸（BCP1 和 BCP2）壓力曲線如圖 6所示（BCP1與BCP2曲線基本重疊）。停放制動缸在停放制動緩解后壓力上升至所需的0.43 MPa，符合制動設計結果。

圖5 制動系統常用全制動和緊急制動的制動缸壓力

圖6 停放制動的停放制動缸壓力

3 結語

本文運用AMESim 仿真軟件，基于模型驅動的仿真方法，完成了架控制動系統各組成單元的建模，主要包括供風模塊、停放制動單元、緊急沖動限制功能、制動功能、連通模塊等。仿真信號的輸入采用模擬邏輯控制法，通過對電磁閥控制信號進行設定，實現了階段制動、階段緩解等控制邏輯的快速仿真。結合架控氣制動系統的工作原理，仿真分析了階段常用制動、緊急制動和停放制動等功能，并根據上海軌道交通1號線6改8工程增購列車的制動參數進行了對比驗證。仿真結果表明，架控氣制動系統具有良好的控制精度和響應速度，采用AMESim 軟件基于模型驅動仿真方法研究制動系統的特點是可行的。

［1］程暢棟，任得鵬，段繼超.地鐵車輛國產化架控制動系統的應用［J］.技術與市場，2011，18（7）：22.

［2］馬喜成，龍倩倩.地鐵車輛用EP 2002制動控制系統［J］.機車電傳動，2007（4）：38.

［3］張天軍.國產架控制動系統在北京地鐵15號線的應用［J］.鐵道機車車輛，2012，32（3）：88.

［4］呂曉輝.我國城軌車輛制動系統介紹及選型［J］.城市軌道交通研究，2009（6）：56.

［5］王群偉，林祜亭，王新海，等.架控制動系統及其在城軌車輛上的應用［J］.鐵道機車車輛，2011，31（2）：31.

［6］馬喜成.上海軌道交通4號線地鐵車輛緊急制動功能分析與計算［J］.電力機車與城軌車輛，2007，30（3）：27.

［7］陳飛，孫仁云，王波，等.基于AMESim 的CNG 發動機高壓減壓閥建模與分析［J］.機床與液壓，2007，35（9）：195.

［8］趙飛.基于AMESim 的氣動系統建模與仿真技術研究［D］.秦皇島：燕山大學，2010.

［9］左健民.液壓與氣壓傳動［M］.北京：機械工業出版社，2012：209.