AMESim軟件在軌道交通車(chē)輛制動(dòng)課程教學(xué)中的應(yīng)用

常 寧 黃尊地

五邑大學(xué)軌道交通學(xué)院 廣東江門(mén) 529020

軌道交通車(chē)輛制動(dòng)課程是軌道交通車(chē)輛工程專(zhuān)業(yè)本科學(xué)生必修的專(zhuān)業(yè)核心課之一，也是軌道交通行業(yè)工程人員需要具備的基礎(chǔ)知識(shí)。軌道交通車(chē)輛制動(dòng)課程存在虛擬性較強(qiáng)、所涉及的制動(dòng)裝置中閥類(lèi)零部件內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜等問(wèn)題，應(yīng)用傳統(tǒng)的教學(xué)模式，只是通過(guò)單純的PPT、二維的圖片及語(yǔ)言描述，學(xué)生很難清楚地理解其零部件結(jié)構(gòu)和工作原理，學(xué)習(xí)興趣不高，不利于開(kāi)展后續(xù)的學(xué)習(xí)任務(wù)。

本文從軌道交通車(chē)輛制動(dòng)課程體系的角度出發(fā)，借助AMESim仿真軟件作為教學(xué)工具，在教學(xué)過(guò)程中，通過(guò)軟件仿真與理論學(xué)習(xí)相結(jié)合的方法，利用AMESim軟件圖形化的建模方式和可視化的結(jié)果分析，使得抽象的概念形象化、靜態(tài)的內(nèi)容動(dòng)態(tài)化，加強(qiáng)了學(xué)生對(duì)制動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理和性能的理解，提高了學(xué)生軟件應(yīng)用能力和自主思考能力。

1 AMESim仿真軟件及其應(yīng)用

AMESim軟件(Advanced Modeling Environment for Performing Simulations of Engineering Systems)是由法國(guó)Imagine公司開(kāi)發(fā)的一種工程系統(tǒng)高級(jí)建模和仿真平臺(tái)軟件[1]。該軟件有很多不同類(lèi)型的元件庫(kù)，其中包括機(jī)械庫(kù)(Mechanical)、仿真庫(kù)(Simulation)和信號(hào)控制庫(kù)(Signal，Control)3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)，此外還有液壓庫(kù)(Hydraulic)和氣動(dòng)庫(kù)(pneumatic)等一些可選庫(kù)。這些元件庫(kù)里面的元件都是用簡(jiǎn)單而又標(biāo)準(zhǔn)的圖示來(lái)表示，用戶(hù)可以通過(guò)識(shí)別不同的元件來(lái)建立所需要的物理模型，無(wú)須編寫(xiě)任何程序代碼。在整個(gè)仿真過(guò)程中，仿真系統(tǒng)通過(guò)直觀的圖形界面展示出來(lái)，可以創(chuàng)建和運(yùn)行多物理場(chǎng)仿真模型，再進(jìn)行相對(duì)應(yīng)的參數(shù)設(shè)置，以分析復(fù)雜的系統(tǒng)特性，仿真結(jié)果可以顯示為動(dòng)畫(huà)或者曲線(xiàn)圖[2]。

目前，很多用戶(hù)都通過(guò)AMESim軟件來(lái)建模仿真，在機(jī)械類(lèi)、船舶、車(chē)輛和航空航天等復(fù)雜學(xué)科領(lǐng)域已經(jīng)得到了廣泛的使用[3]。現(xiàn)階段將AMESim軟件應(yīng)用于液壓傳動(dòng)教學(xué)方面已有實(shí)踐，但軌道交通方面的應(yīng)用還不多見(jiàn)。

2 具體教學(xué)案例分析

動(dòng)車(chē)組運(yùn)行速度提高對(duì)列車(chē)制動(dòng)能力、運(yùn)行平穩(wěn)性等有了更高的要求。所以，動(dòng)車(chē)組是一個(gè)能提供強(qiáng)大制動(dòng)能力并能更好利用黏著的復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)。因此，動(dòng)車(chē)組制動(dòng)系統(tǒng)是軌道交通車(chē)輛制動(dòng)課程教學(xué)中的一項(xiàng)重點(diǎn)內(nèi)容，也是學(xué)生反映較難理解的知識(shí)點(diǎn)之一。

目前，國(guó)產(chǎn)動(dòng)車(chē)組所采用的制動(dòng)系統(tǒng)是一種電氣指令微機(jī)控制的直通式電空制動(dòng)系統(tǒng)[4]。本節(jié)以KBGM制動(dòng)系統(tǒng)中的空氣制動(dòng)系統(tǒng)為例，對(duì)組成空氣制動(dòng)系統(tǒng)的各個(gè)閥類(lèi)零件進(jìn)行結(jié)構(gòu)原理分析，采用AMEsim仿真軟件，對(duì)各個(gè)閥進(jìn)行建模仿真；在此基礎(chǔ)上，建立單車(chē)純空氣制動(dòng)系統(tǒng)，進(jìn)而研究常用制動(dòng)和緊急制動(dòng)過(guò)程中空氣制動(dòng)力以及各個(gè)閥體的動(dòng)作變化情況。通過(guò)這一教學(xué)方式，學(xué)生在掌握AMESim軟件的基礎(chǔ)上，可以更加清楚各個(gè)閥的結(jié)構(gòu)、工作原理及輸出特性，對(duì)單車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)也有了更深刻的理解。

2.1 制動(dòng)系統(tǒng)主要結(jié)構(gòu)及工作原理

KBGM制動(dòng)系統(tǒng)采用電制動(dòng)優(yōu)先，“電+空”聯(lián)合的制動(dòng)方式，雖然電制動(dòng)具有諸多優(yōu)勢(shì)，但目前空氣制動(dòng)對(duì)于高速動(dòng)車(chē)組來(lái)說(shuō)仍然不可缺少[5]。

空氣制動(dòng)系統(tǒng)由制動(dòng)供風(fēng)系統(tǒng)、制動(dòng)控制系統(tǒng)和制動(dòng)執(zhí)行系統(tǒng)三部分組成。制動(dòng)控制系統(tǒng)由電氣制動(dòng)控制單元和空氣制動(dòng)控制單元組成。空氣制動(dòng)控制單元由EP閥、中繼閥、稱(chēng)重閥、緊急電磁閥和雙向閥等組成[6]，電氣指令微機(jī)控制的直通式空電復(fù)合制動(dòng)控制系統(tǒng)原理如圖1所示。

圖1　制動(dòng)系統(tǒng)原理圖

空氣制動(dòng)控制單元控制原理：EP閥接收制動(dòng)控制單元BCU的電信號(hào)，將其轉(zhuǎn)換為預(yù)控制壓力輸出，經(jīng)緊急電磁閥、雙向閥進(jìn)入稱(chēng)重閥，稱(chēng)重閥根據(jù)車(chē)輛負(fù)載輸出最大預(yù)控制壓力到達(dá)中繼閥，最后通過(guò)中繼閥將壓力空氣送至制動(dòng)缸，形成空氣制動(dòng)力。

2.2 閥類(lèi)元件的AMEsim建模

通過(guò)理論講解、圖片展示和視頻學(xué)習(xí)，學(xué)生對(duì)閥類(lèi)元件工作原理、特性有了初步的了解，但這種理解常常趨于表面。在教學(xué)過(guò)程中，利用AMEsim軟件引導(dǎo)學(xué)生對(duì)EP閥、限壓閥、稱(chēng)重閥、中繼閥、緊急閥進(jìn)行建模，模型如圖2所示。建模過(guò)程不是一蹴而就的，學(xué)生需要經(jīng)過(guò)反復(fù)修改，對(duì)閥類(lèi)元件的結(jié)構(gòu)、每部分結(jié)構(gòu)功能有清楚的認(rèn)識(shí)，才能建立準(zhǔn)確的AMEsim仿真模型。

圖2　閥類(lèi)元件仿真模型

在完成制動(dòng)系統(tǒng)上述各元件仿真模型的基礎(chǔ)上，利用軟件中的超級(jí)元件功能將其封裝，并和其他輔助元件連接起來(lái)，運(yùn)用空氣制動(dòng)控制單元控制原理，建立完整單車(chē)空氣制動(dòng)系統(tǒng)仿真模型，如圖3所示。

圖3　單車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)仿真模型

2.3 空氣制動(dòng)系統(tǒng)的AMEsim仿真分析

為了加深學(xué)生對(duì)閥類(lèi)元件及空氣制動(dòng)系統(tǒng)的工作特性的理解，利用AMEsim軟件對(duì)各個(gè)閥類(lèi)元件進(jìn)行仿真，如圖4所示。分析各閥類(lèi)元件的特性、不同參數(shù)對(duì)特性的影響。對(duì)單車(chē)空氣制動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行仿真，分析其在不同制動(dòng)模式下單車(chē)空氣制動(dòng)系統(tǒng)制動(dòng)力的變化情況。

圖4　閥類(lèi)元件特性曲線(xiàn)

當(dāng)該仿真測(cè)試模型建好之后，設(shè)置其基本參數(shù)，對(duì)每個(gè)閥類(lèi)元件進(jìn)行特性分析，確認(rèn)其仿真模型正確，并能夠滿(mǎn)足性能要求。

圖5　稱(chēng)重閥特性曲線(xiàn)

圖6　單車(chē)空氣制動(dòng)系統(tǒng)制動(dòng)缸輸出壓力曲線(xiàn)

以稱(chēng)重閥為例，當(dāng)預(yù)控制壓力1為900 KPa，空氣彈簧壓力為時(shí)600 KPa，預(yù)控制壓力能夠在0.1 s左右迅速上升并穩(wěn)定在滿(mǎn)足快速響應(yīng)、減壓的要求，如圖4a所示。設(shè)定預(yù)控制壓力1在100 KPa～900 KPa之間變化，模擬車(chē)輛載重變化，當(dāng)空氣彈簧壓力取300 KPa和600 KPa時(shí)，輸出壓力均隨著輸入的壓力的變化而變化，并且達(dá)到穩(wěn)定值后保持不變，且穩(wěn)定值隨著空氣彈簧壓力的變化而變化，如圖5所示。

對(duì)于單車(chē)空氣制動(dòng)系統(tǒng)而言，從制動(dòng)缸的輸出壓力曲線(xiàn)可以看出，制動(dòng)缸輸出壓力與中繼閥的輸出壓力基本同步，由于中繼閥具有快速穩(wěn)定的壓力空氣輸出，讓制動(dòng)缸同樣擁有快速穩(wěn)定的壓力輸出，圖6所示，此單車(chē)AMEsim仿真模型符合常用制動(dòng)要求。

以上，我們完成了模擬式微機(jī)控制直通電空制動(dòng)系統(tǒng)中空氣制動(dòng)系統(tǒng)各元件、單車(chē)空氣制動(dòng)系統(tǒng)的模擬仿真和特性分析。除此之外，在學(xué)生學(xué)習(xí)過(guò)程中，還可以對(duì)該制動(dòng)系統(tǒng)中的電控制單元、防滑系統(tǒng)、供氣系統(tǒng)等進(jìn)行相應(yīng)的仿真分析。舉一反三，鞏固學(xué)習(xí)效果的同時(shí)對(duì)相關(guān)的制動(dòng)系統(tǒng)有了整體的把握。

通過(guò)建模仿真分析，學(xué)生不僅能鞏固所學(xué)的原理知識(shí)，同時(shí)利用軟件建模，更加深了對(duì)工作原理的理解。在建模過(guò)程中，也可以發(fā)現(xiàn)學(xué)習(xí)中忽略的內(nèi)容，起到查漏補(bǔ)缺的作用。在仿真分析中，學(xué)生可以更加直觀地認(rèn)識(shí)到輸出壓力隨輸入壓力變化的變化過(guò)程。

在授課過(guò)程中應(yīng)用AMESim軟件輔助教學(xué)，具有以下優(yōu)勢(shì)。

(1)根據(jù)閥的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，構(gòu)建仿真模型—激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)工程意識(shí)，讓教學(xué)更直觀，幫助學(xué)生對(duì)閥的結(jié)構(gòu)有更加清晰的認(rèn)識(shí)。

(2)根據(jù)閥的工作原理，設(shè)定仿真參數(shù)—提高學(xué)生自學(xué)能力及創(chuàng)新能力，幫助學(xué)生對(duì)閥的性能有更加深入的理解。

(3)基于任務(wù)型的教學(xué)，學(xué)生自主完成模型的搭建、參數(shù)的選擇等工作，調(diào)動(dòng)了學(xué)生的積極性與探索欲，促進(jìn)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)，激發(fā)學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)。

將AMESim仿真軟件的應(yīng)用與實(shí)物結(jié)合，明白各類(lèi)閥元件的基本結(jié)構(gòu)、工作原理，進(jìn)一步了解制動(dòng)系統(tǒng)在實(shí)際使用過(guò)程中的動(dòng)態(tài)特性。達(dá)到促進(jìn)學(xué)生對(duì)抽象知識(shí)的理解和掌握、激發(fā)學(xué)習(xí)興趣的目的。將AMESim軟件利用在制動(dòng)課堂中，克服了傳統(tǒng)教學(xué)中理論和實(shí)踐脫節(jié)的問(wèn)題，讓課堂變得更生動(dòng)，加深了學(xué)生對(duì)制動(dòng)裝置的認(rèn)識(shí)，為后續(xù)整個(gè)制動(dòng)系統(tǒng)學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ)。

3 AMESim仿真軟件在軌道交通制動(dòng)課程教學(xué)中的優(yōu)勢(shì)

4 結(jié)語(yǔ)

本文討論了在軌道交通車(chē)輛制動(dòng)課程中引入AMESim仿真軟件輔助教學(xué)的優(yōu)勢(shì)、作用，并結(jié)合具體教學(xué)案例—KBGM制動(dòng)系統(tǒng)空氣制動(dòng)部分進(jìn)行了闡述。結(jié)果表明，通過(guò)AMESim軟件構(gòu)建閥類(lèi)模型，使閥類(lèi)的工作原理及閥的特性更直觀清楚地展現(xiàn)出來(lái)，在學(xué)生對(duì)閥性能的理解、對(duì)單車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)以及整車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)的理解及應(yīng)用上起到了很好的幫助作用，促進(jìn)學(xué)生積極主動(dòng)思考，提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，也更加符合學(xué)校培養(yǎng)應(yīng)用型人才的要求。