軌道車輛液壓盤式制動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性研究*

董 麗，孫海燕，馬玉華

0 引言

隨著制動(dòng)技術(shù)的發(fā)展，防抱死盤式制動(dòng)器在軌道運(yùn)輸裝備中得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用[1]。一般地，液壓盤式制動(dòng)器主要包括鉗盤式制動(dòng)器和全盤式制動(dòng)器兩種。其中，鉗盤式制動(dòng)器的摩擦面積僅占制動(dòng)盤的一小部分，其輪缸成對(duì)布置，可避免中心軸受彎矩。當(dāng)有較大的制動(dòng)力矩時(shí)，可以利用多組輪缸組合使用，當(dāng)制動(dòng)盤溫升較高時(shí)可設(shè)置通風(fēng)孔。本文針對(duì)具有防抱死[2]功能的液壓滑動(dòng)鉗盤式制動(dòng)器的制動(dòng)特性進(jìn)行研究，基于液壓工作原理，計(jì)算和分析不同液壓管路條件下的制動(dòng)特性。該種制動(dòng)器僅在制動(dòng)盤的內(nèi)側(cè)設(shè)有輪缸，制動(dòng)輪缸冷卻條件好，制動(dòng)液不易受熱汽化，具有重要的研究意義。

1 液壓盤式制動(dòng)仿真模型的建立

1.1 制動(dòng)器安裝與布局

一般地，制動(dòng)系統(tǒng)按照制動(dòng)形式可分為粘著制動(dòng)[3]和非粘著制動(dòng)兩種類型。粘著制動(dòng)原理為將制動(dòng)力矩施加至輪軸，從而限制輪軸轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)制動(dòng)降速，理想條件下要求制動(dòng)過(guò)程中車輪與軌道之間無(wú)滑動(dòng)摩擦，即通過(guò)粘著力的方式實(shí)現(xiàn)制動(dòng)效果；非粘著制動(dòng)的原理為將制動(dòng)力矩施加至軌道，即制動(dòng)過(guò)程中，閘片與軌道之間是始終接觸的，屬于滑動(dòng)摩擦。

圖1 制動(dòng)盤安裝示意圖

盤式制動(dòng)器包括兩套制動(dòng)鉗總成，設(shè)計(jì)為對(duì)稱布置，如圖1所示。在執(zhí)行制動(dòng)操作時(shí)，制動(dòng)鉗上的閘片在液壓推力的作用下與制動(dòng)盤之間將產(chǎn)生摩擦制動(dòng)力矩，其制動(dòng)力矩的線性度良好。制動(dòng)力矩在減速器的作用下，將傳遞至車輪軸，從而通過(guò)輪軌之間的粘著摩擦使得運(yùn)輸裝備減速或者停車。在兩套制動(dòng)鉗總成的作用下，輪軸只會(huì)受到制動(dòng)扭矩，有利于提高各個(gè)零部件的使用壽命。

1.2 仿真模型的定義

為了研究不同液壓條件下，制動(dòng)器的動(dòng)態(tài)特性，本文基于防抱死制動(dòng)系統(tǒng)工作原理，利用AMESim[4]搭建仿真模型。在該仿真模型中，主要使用了積分、微分，以及函數(shù)模塊等。在該模型底部右側(cè)的兩條虛線分別用來(lái)接收來(lái)自制動(dòng)盤的制動(dòng)扭矩信號(hào)和向控制器發(fā)送蠕滑率信號(hào)。在該系統(tǒng)中，還有兩個(gè)模塊的輸出信號(hào)被封死，即積分和微分模塊，積分模塊的功能是對(duì)車速進(jìn)行積分，求得機(jī)車的行駛距離，微分模塊的功能是對(duì)車輪轉(zhuǎn)速進(jìn)行微分，以求得車輪的角加速度，這兩個(gè)數(shù)據(jù)的求取便于后期的分析。

（1）壓力調(diào)節(jié)單元模型

AMESim系統(tǒng)為液壓系統(tǒng)的建模提供了非常豐富的模型，可直接在液壓庫(kù)中選取所需模塊搭建仿真模型，非常方便實(shí)用。此處，在搭建防抱死制動(dòng)系統(tǒng)的壓力調(diào)節(jié)單元仿真模型如圖2所示，忽略油液、溫度等干擾問(wèn)題。在壓力調(diào)節(jié)單元中，核心部件是制動(dòng)主缸、輪缸、高速開(kāi)關(guān)閥、油泵和低壓蓄能器。在建立仿真模型時(shí)，使用分段式信號(hào)源來(lái)提供制動(dòng)主缸所受的踏板力。制動(dòng)輪缸由液壓缸模塊、彈簧模塊、接觸式彈簧-阻尼模塊等組成，彈簧模塊表示復(fù)位彈簧，彈簧-阻尼接觸模塊表示制動(dòng)時(shí)閘片與制動(dòng)盤間的接觸作用；常開(kāi)式電磁閥和常閉式電磁閥由兩個(gè)開(kāi)關(guān)閥模塊來(lái)表示；制動(dòng)時(shí)，主缸內(nèi)的高壓油液經(jīng)常開(kāi)式高速開(kāi)關(guān)電磁閥進(jìn)入輪缸內(nèi)，輪缸活塞左移，使接觸式彈簧-阻尼模塊間產(chǎn)生接觸力，即制動(dòng)盤所受壓力，該接觸力經(jīng)增益模塊轉(zhuǎn)換為制動(dòng)扭矩信號(hào)，送達(dá)單輪車輛模型中，此處，為簡(jiǎn)化仿真，將制動(dòng)盤與閘片間的摩擦系數(shù)設(shè)置為一常數(shù)。電動(dòng)馬達(dá)、常開(kāi)式高速開(kāi)關(guān)電磁閥和常閉式高速開(kāi)關(guān)電磁閥上的三條虛線連接至控制器模塊，受控制器模塊所發(fā)出的指令控制，達(dá)到調(diào)節(jié)制動(dòng)力矩的目的。

圖2 壓力調(diào)節(jié)單元模型

（2）控制器模型

因?yàn)榉辣老到y(tǒng)最為理想的控制方式便是通過(guò)調(diào)節(jié)車輪蠕滑率[5]來(lái)提高輪軌粘著系數(shù)利用率，所以，在建立控制器模型時(shí)，只考慮蠕滑率的影響。當(dāng)蠕滑率處于設(shè)定的蠕滑率范圍內(nèi)時(shí)，控制器發(fā)出控制指令，輪缸實(shí)現(xiàn)保壓；當(dāng)蠕滑率超出設(shè)定的蠕滑率范圍時(shí)，控制器發(fā)出控制指令，使得常開(kāi)式高速開(kāi)關(guān)電磁閥關(guān)閉，常閉式電磁閥打開(kāi)，電動(dòng)馬達(dá)啟動(dòng)，輪缸內(nèi)的油液被排入主缸內(nèi)，實(shí)現(xiàn)輪缸的減壓；當(dāng)蠕滑率在設(shè)定的蠕滑率范圍之下時(shí)，執(zhí)行增壓操作[6]。在建立控制器仿真模型時(shí)，使用信號(hào)庫(kù)中的FCT函數(shù)模塊，并由DMUX模塊發(fā)送至兩個(gè)高速開(kāi)關(guān)電磁閥和電動(dòng)馬達(dá)，實(shí)現(xiàn)制動(dòng)輪缸的壓力調(diào)節(jié)。在各個(gè)模型基礎(chǔ)上，得出整體的模型如圖3所示。防抱死系統(tǒng)的壓力調(diào)節(jié)單元工作頻率很高，后輪制動(dòng)器的制動(dòng)管路距離壓力調(diào)節(jié)單元比較遠(yuǎn)，管路因素對(duì)系統(tǒng)響應(yīng)有著重要的影響。

圖3 防抱死制動(dòng)系統(tǒng)整體仿真模型

2 不同管路條件下制動(dòng)特性分析

2.1 管路模型的定義

制動(dòng)鉗輪缸與壓力調(diào)節(jié)單元的常開(kāi)式電磁閥和常閉式電磁閥相連，ABS控制系統(tǒng)發(fā)出高頻控制指令控制兩電磁閥的開(kāi)閉，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)制動(dòng)輪缸的充、放油操作，以達(dá)到制動(dòng)輪缸內(nèi)壓力的調(diào)節(jié)。由于制動(dòng)鉗距離防抱死系統(tǒng)的壓力調(diào)節(jié)單元較遠(yuǎn)，必須使用較長(zhǎng)的管路進(jìn)行連接，而制動(dòng)油液并非理想液體，它具有可壓縮性，而且在傳輸中會(huì)有管道阻力的存在，這些因素都會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)的響應(yīng)延遲。采用一個(gè)三位三通電磁閥模塊代替壓力調(diào)節(jié)單元中的常開(kāi)式電磁閥和常閉式電磁閥；使用一恒壓源模塊作為動(dòng)力源；使用階段信號(hào)控制高速開(kāi)關(guān)閥的啟閉；右側(cè)液壓缸代表制動(dòng)輪缸，彈簧和彈簧阻尼接觸模塊代表閘片與制動(dòng)盤間的接觸。該系統(tǒng)制動(dòng)油液屬性由油滴模塊來(lái)指定。

2.2 結(jié)果分析

通常情況下，系統(tǒng)對(duì)單位階躍輸入信號(hào)的響應(yīng)可表示出其工作性能，主要是由于階躍信號(hào)比較易于獲取。在工程實(shí)際中，許多輸入信號(hào)與階躍輸入信號(hào)相類似，況且，階躍輸入信號(hào)往往是最不利的情況。所以，在該模型中，使用階躍信號(hào)來(lái)控制電磁閥的動(dòng)作，階躍信號(hào)由階躍信號(hào)源模塊產(chǎn)生，該信號(hào)源產(chǎn)生的階躍信號(hào)可以在0.001s內(nèi)由0升到給定值。

設(shè)定信號(hào)在0～0.1 s內(nèi)輸出0，表示電磁閥保持關(guān)閉，輪缸保壓；在0.1～0.2 s內(nèi)輸出1，表示電磁閥P-A路導(dǎo)通，輪缸增壓；在0.2～0.3 s內(nèi)輸出-1，表示電磁閥A-T路導(dǎo)通，使輪缸壓強(qiáng)降低。仿真模型中假設(shè)閘片與制動(dòng)盤接觸，在管路長(zhǎng)度分別為0 m、1 m、2 m、3 m條件下進(jìn)行分析，忽略自身的彈性影響以及電磁閥內(nèi)油液的彈性作用，在0.3 s內(nèi)求解出管道長(zhǎng)度對(duì)輪缸壓力響應(yīng)的影響如圖4所示。

由圖4可以看出，當(dāng)管道長(zhǎng)度的變長(zhǎng)時(shí)，輪缸的壓力響應(yīng)時(shí)間也會(huì)延長(zhǎng)；當(dāng)管道長(zhǎng)度為0 m（理想情況）時(shí)，由于不考慮電磁閥內(nèi)油液的彈性作用，輪缸壓力變化情況與控制信號(hào)一致。這是因?yàn)椋?.1 s階躍信號(hào)控制電磁閥P-A路導(dǎo)通，高壓油液瞬間排入輪缸，導(dǎo)致輪缸的壓力響應(yīng)變慢；對(duì)于0.2 s的卸荷過(guò)程來(lái)說(shuō)，由于電磁閥有一定的節(jié)流作用，在卸荷時(shí)，管道中也會(huì)存在油壓，對(duì)于較長(zhǎng)的管道來(lái)說(shuō)，相同壓力下，其內(nèi)油液的壓縮變形較大[7]，系統(tǒng)響應(yīng)也就越慢。

圖4 管道長(zhǎng)度對(duì)輪缸壓力響應(yīng)的影響

相同壁厚情況下，不同彈性模量的材料對(duì)液壓系統(tǒng)的響應(yīng)所產(chǎn)生的影響有較大差異。此處，選擇四種不同材料的管道進(jìn)行仿真。控制信號(hào)在0～0.1 s和0.2～0.3 s內(nèi)輸出0，表示電磁閥處于關(guān)閉狀態(tài)，輪缸保壓；在0.1～0.2 s內(nèi)輸出1，表示電磁閥P-A路導(dǎo)通，輪缸增壓；在0.3～0.5 s內(nèi)輸出-1，表示電磁閥A-T路導(dǎo)通，輪缸減壓。設(shè)置仿真時(shí)間0.5 s進(jìn)行計(jì)算，管道材料對(duì)輪缸壓力響應(yīng)的影響如圖5所示。

圖5 管道材料對(duì)輪缸壓力響應(yīng)的影響

圖5 中可以看出，在0.1 s階躍信號(hào)控制電磁閥P-A路導(dǎo)通，高壓油液瞬間排入輪缸，對(duì)于剛度較大的管道來(lái)說(shuō)，其產(chǎn)生的彈性變形較小，管道存儲(chǔ)的油液少，輪缸壓力響應(yīng)也就越迅速；而對(duì)于剛度較小的管道來(lái)說(shuō)，其產(chǎn)生的彈性變形比較大，管道存儲(chǔ)的油液多，輪缸壓力響應(yīng)也就越遲緩。對(duì)于0.3 s的卸荷過(guò)程來(lái)說(shuō)，由于電磁閥有一定的節(jié)流作用，在卸荷時(shí)，管道中也會(huì)存在油壓。在該圖中還應(yīng)注意，對(duì)于彈性模量在104MPa以上的管道，其響應(yīng)速度基本相同。

2.3 制動(dòng)系統(tǒng)布局優(yōu)化

根據(jù)以上分析結(jié)果可知，管路越長(zhǎng)、材料剛度越小，輪缸壓力響應(yīng)也就越慢。所以，為提高防抱死系統(tǒng)的控制精度，在布置防抱死系統(tǒng)的壓力調(diào)節(jié)單元時(shí)，應(yīng)盡可能地靠近制動(dòng)鉗，以減少管道內(nèi)油液的影響；對(duì)于管道材料來(lái)說(shuō)，可以選用鋼制管道，或增強(qiáng)型的橡膠管道。如圖6所示，表示的是改進(jìn)后的制動(dòng)系統(tǒng)布置方案。

改進(jìn)后，將防抱死制動(dòng)系統(tǒng)布置在兩制動(dòng)盤中間，壓力調(diào)節(jié)單元距制動(dòng)鉗的距離在0.5m內(nèi)，電磁閥與輪缸間的制動(dòng)管路比改進(jìn)前縮短近兩米，這有助于提高輪缸壓力的響應(yīng)速度，縮短了壓力調(diào)節(jié)單元與制動(dòng)鉗之間的制動(dòng)管路，而制動(dòng)主缸與壓力調(diào)節(jié)單元之間的管路卻增長(zhǎng)了。在防抱死系統(tǒng)中，制動(dòng)主缸相當(dāng)于恒壓源（假設(shè)司機(jī)所施加的踏板力恒定），其主要負(fù)責(zé)對(duì)該系統(tǒng)提供一個(gè)壓力，并不參與制動(dòng)輪缸的壓力調(diào)節(jié)，制動(dòng)管路對(duì)其影響較小。

圖6 制動(dòng)系統(tǒng)安裝布置優(yōu)化方案圖

3 結(jié)論

液壓盤式制動(dòng)器具有安裝、維護(hù)方便、制動(dòng)力矩可靠、散熱性能良好等優(yōu)點(diǎn)，在軌道車輛中有著良好的應(yīng)用效果。文中通過(guò)AMESim系統(tǒng)建立液壓盤式制動(dòng)器的液壓仿真模型，得出液壓管路的不同對(duì)缸壓力響應(yīng)的影響。研究結(jié)果表明，在液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，可通過(guò)降低管路長(zhǎng)度、增大材料剛度的方法提升制動(dòng)壓力響應(yīng)速度。同時(shí)，采用結(jié)構(gòu)布局優(yōu)化方法，將防抱死制動(dòng)系統(tǒng)設(shè)置于制動(dòng)盤中間，更利于液壓回路的流動(dòng)效率的提升。