地鐵車輛液壓制動系統試驗研究

徐廣增 羅超群

摘 要：針對地鐵車輛液壓制動系統，設計了基于PLC架構的液壓制動系統試驗裝置。在車輛通電前即可對液壓制動系統各部件進行控制及狀態檢測，不僅滿足制動系統注油排氣需求，還可單獨對制動系統進行試驗。在車輛通電后對制動系統電磁閥狀態、制動壓力等參數進行在線檢測，可方便的查找系統故障。

關鍵詞：液壓制動 在線檢測

0.引言

隨著我國軌道交通的迅猛發展，各類車型的推陳出新同時也加速了各類測試設備的更新換代。目前我國采用液壓制動系統主要為低地板列車，其他類型列車均采用空氣制動系統[1-2]，而各低地板列車液壓制動系統試驗檢測設備均由各系統供應商提供，無法通用。

現對地鐵車輛液壓制動系統試驗內容進行研究，開發一套通用的液壓制動系統試驗裝置，通過制動系統中液壓泵、比例閥、電磁閥以及壓力傳感器等信號的控制及反饋信號采集，結合車輛制動系統試驗，進一步完善車輛制動系統調試方法。

1.液壓制動系統原理介紹

液壓制動系統主要由微機制動控制單元、液壓控制單元、蓄能器、基礎制動單元、輔助緩解裝置、液壓管路、液壓油、磁軌制動等組成。液壓制動系統與空氣制動系統施加緩解過程相反，制動缸壓力升高時制動緩解，壓力下降時通過彈簧作用制動施加。

液壓控制單元為制動系統主要的執行單元，圖1為其典型原理。液壓泵提供制動系統壓力油，比例閥控制其輸出壓力以施加或緩解制動，通過壓力傳感器提供反饋信號進行調節，當系統壓力過載時，安全閥打開泄壓限制系統最高壓力，起到安全保護的作用。S口接蓄能器，液壓油充入蓄能器，當蓄能器的壓力達到標準后，液壓泵停止工作，制動緩解時通過蓄能器供給壓力，當蓄能器壓力下降，液壓泵再次工作。也有部分車型未設置蓄能器，液壓泵在通電后一直工作，通過比例閥旁路液壓油來調整輸出壓力，但各種車型液壓制動主要工作原理相類似。

2.液壓制動系統試驗裝置結構

基于對液壓控制單元原理的研究，開發液壓制動試驗裝置，按照各項試驗流程，采集壓力傳感器信號及電磁閥狀態，控制液壓制動單元動作，同時檢測判斷試驗結果。

液壓制動系統試驗裝置分為下位機硬件控制單元及上位機人機界面。采用西門子SMART 200 PLC作為控制模塊完成設備的邏輯和運動控制以及液壓制動系統各部件運行時電壓、電流、壓力以及壓力開關狀態等電參數的采集[4]。通過基于Microsoft Visual 2008開發的液壓制動系統試驗軟件[5]實時顯示液壓制動系統各部件的運行狀態，同時下發控制指令至PLC，對液壓制動系統進行控制。

系統拓撲如圖2所示，上位機為通用筆記本電腦，安裝自行研發的液壓制動系統試驗軟件，下位機控制單元包括電源模塊、PLC主機及相應輸入輸出模塊，分別控制繼電器、接觸器、PWM等信號輸出以及傳感器信號采集等，通過連接器與液壓制動單元相連。

3.液壓制動系統試驗

通過上述試驗裝置對車輛液壓制動系統進行試驗，下面以車輛試驗中的液壓泵電機試驗、保壓試驗以及電液比例閥的控制試驗為例闡述試驗方法。

3.1液壓泵電機試驗

試驗流程見圖3，通過試驗裝置控制液壓泵電機啟動，同時不斷檢測蓄能器壓力變化[6]，使用外接傳感器采集蓄能器端壓力，若蓄能器壓力低于設定值，則控制液壓泵啟動泵油，直至系統壓力滿足設定值。液壓泵電機電源采用可編程電源供電，同時設有分流器對電機電流進行檢測，過流過壓時自動保護。

3.2保壓試驗

為了檢查制動單元的壓力保持性能，在上述液壓泵啟動試驗后，通過傳感器檢測系統壓力，一般要求30min內壓力下降程度不足以觸發液壓泵啟動。使用液壓制動試驗裝置可自動記錄壓力曲線及保壓時間，無需調試人員值守，自動判斷試驗結果。

3.3電液比例閥控制

液壓制動力的大小是通過液壓單元內部比例閥控制的，通過控制電液比例閥將蓄能器內部壓力釋放至制動缸或將制動缸內壓力釋放值油箱中，實現制動施加或緩解。

依據電液比例閥機構控制器特點[7]其控制方式設計2種方式：電流控制、PWM控制。由于電液比例閥閥芯的移動時間存在滯后，需對滯后時間進行補償。因此在對比例閥控制時需對其進行PID調節以補償液壓系統中閥的實際滯后時間的影響[8]。

比例閥PID調節程序如下：

經過參數調整，某車型比例閥控制電流以及輸出壓力曲線結果如圖4所示，首先逐漸增大比例閥電流使得使制動缸壓力（圖中A口壓力）上升，然后在逐漸減小比例閥電流使得制動缸壓力下降，比例閥電流與比例閥輸出壓力線性關系良好，證明本試驗裝置可滿足液壓制動試驗需求。

3.4制動系統在線監測

除進行液壓制動試驗外，還可在車輛動態試驗過程中在線監測液壓制動單元。如圖5所示，車輛正常運行過程中通過車輛端控制制動系統，液壓制動控制裝置采集制動單元內液壓泵、電磁閥等狀態信息，可快速查找處理動調過程中出現的制動系統故障。

4.結語

通過對液壓制動系統研究，設計了通用的地鐵液壓制動系統試驗裝置，實現車輛液壓制動系統控制與執行單元的在線監測，優化了試驗流程及試驗方法，提高了調試自動化水平及試驗質量，結合現車驗證效果良好。

參考文獻：

[1] 李紅軍. 長春輕軌車輛液壓制動設計原理[J]. 城市軌道交通研究，2008.5：57-59

[2] 應之丁，張鍔，姜敏. 低地板輕軌車輛制動技術分析[J]. 城市軌道交通研究，2006.6：64-67

[3] 曹國利，曾憲華，劉睿. 國產低地板輕軌車輛制動系統方案[J]. 中國城市軌道交通關鍵技術論壇暨中國，2012：111-114.

[4] 張燕. 電氣控制與PLC[M]. 北京：科學出版社，2005.7：123-124.

[5] John Sharp. MicrosoftVisualC#2008從入門到精通[M]. 北京：清華大學出版社，2009.1.

[6] 張增猛. 基于壓差控制的蓄能器壓力調節方法及其AMESim仿真[J]. 機床與液壓，2007.6：99-101

[7] 李光彬，張雪梅，趙光. 基于PWM控制技術的電液比例閥特性的研究[A]. 北京：中國設備工程，2007.6：22-23.

[8] 劉國平，齊大偉，夏五星，胡瑢華. 電液比例閥不完全微分PID控制算法設計[B]. 儀表技術與傳感器，20013.6：105-107.