CRH380A防滑模型搭建及仿真

鄭憶陵，梁 軻，蘇 超

（南京鐵道職業技術學院機車車輛學院1、2 學生 3 工程師 江蘇 南京 210031）

1 緒論

動車組運行速度快，所需的制動力大，而輪軌間的黏著系數又隨著列車速度的提高而降低，所以，動車組在實施制動的過程中極易達到黏著的上限。為了有效利用輪軌間的黏著，防止車輪發生滑行，防滑系統是必不可少的。

防滑控制一直是動車組的核心技術，由于車輛滑行具有較大的危險性，因此防滑研究一般都是基于理論計算和分析。本文根據CRH380A 動車組制動系統的特性，基于Matlab/Simulink平臺，搭建整個防滑系統的仿真模型。在該模型中可以進行防滑控制邏輯的驗證及分析，方便防滑控制方式的深入研究。這樣可以極大地降低安全風險和成本風險。

2 防滑系統模型的搭建

根據CRH380A防滑系統的構成，整個仿真模型分為5 個模塊，即參考速度計算模型、滑行判定模型、氣動模型、車輛模型、軸速度計算模型。仿真模型的基本拓撲如圖1所示。

圖1 防滑系統仿真模型框圖

參考速度模型用于根據車輛各軸速度計算出參考速度，然后將參考速度輸出至滑行判定模型；滑行判定模型根據列車參考速度和各軸速度，判定單軸是否發生滑行，并將該判定結果輸出至各軸的氣動模型；氣動模型會根據各軸的滑行情況等參數，計算出該軸制動系統應該輸出的BC壓力，并將該值反饋給各軸的軸速度計算模型；軸速度計算模型會根據該軸的BC壓力計算出該軸減速度，再根據上一時刻該軸的速度，計算出該軸的軸速度，輸出至參考速度計算模型。這樣整個系統就可以根據預設的軌面條件以及制動級位，實現循環的仿真計算。下面將對單個模型的搭建進行詳細的介紹。

2.1 參考速度計算模型 該模型主要用于計算列車的參考速度，輸入為4 個軸的速度以及列車的制動級位，輸出為列車參考速度。simulate_speed模塊用于計算模擬參考速度，采用M語言編寫。整個邏輯參照CRH380A 參考速度計算邏輯。參考速度計算模型如圖2所示。

圖2 參考速度計算模型

2.2 滑行判定模型 該模塊用于根據輸入的各信息，判定車輛各軸是否產生滑行。輸入為4 個軸速度、列車參考速度，輸出為1軸到4軸的HV和RV動作指令。該模塊為防滑控制的核心模型，其內部結構如圖3所示。

圖3 滑行判定模型

Slide_judgement 模塊用于進行單軸防滑控制，根據參考速度和當前軸速度，控制HV和RV的信號輸出，其內部結構如圖4所示。

圖4中左側兩個模塊分別為速度差和減速度判定模式的模型。由于A、B、C點和HV、RV的狀態是組合成相互對應的關系，而因為HV、RV可能的組合狀態卻只有3種，因此設置3個中間變量X、Y、Z，因此，用于代表這3種組合狀態，最后輸出至HV和RV的狀態。

整個控制邏輯同CRH380A保持一致。

圖 4 Slide_judgement模塊內部結構

2.3 氣動模型 氣動模型用于實現制動力計算以及空氣制動輸出的仿真。輸入為制動指令、車輛參考速度、HV、RV，輸出為BC壓力。

2.3.1 氣動模型內部計算流程 該模型會根據制動力計算的整個過程，計算出所需的BC 壓力，同時還需要判定當前情況下HV和RV的動作情況，如果該軸出現防滑排氣，則需要根據排氣時間計算排氣量，從而得到最終的BC 壓力并輸出。氣動模型內部計算流程見圖5。

圖5 氣動模型內部計算流程

2.3.2 氣動模型模塊功能 啟動模型示意見圖6。圖6中brake_caculate模塊用于進行常規的制動力計算，根據列車參考速度和制動級位計算出此時該軸需施加的BC壓力。

pressure_caculate 模塊用于根據該軸HV、RV 信號，對BC壓力進行相應的修正，得到符合實際的BC壓力并輸出。

由于排氣時間與排氣量的關系受各相關因素的影響較大，較為復雜，本模型中按照試驗數據測量的單次排氣20%的當前壓力來進行計算，而在每次排氣過程中，氣壓近似為線性下降。

另外，由于電氣指令輸出至最終的空氣壓力輸出存在一定的延時，因此在BC壓力的輸出端設置一個傳輸延時模塊。

圖6 氣動模型

2.4 車輛模型 車輛模型可以根據單軸的BC 壓力，計算出單軸減速度。針對每一個輪對，以BC 壓力作為輸入，可以計算出本軸的制動力。此時需要注意，理論的制動力計算完成后，需要與黏著極限進行比較，判定單軸是否超黏著，如果超黏著，則判定此軸滑行，此時該軸制動力按照最大黏著制動力來計算，如果未超黏著，則按照該軸計算的制動力來計算。

4 個軸的制動力計算完成后，就可以得到車輛受到的總的制動力以及車輛的減速度。

對于非滑行軸，車輛的減速度就是單軸的減速度，而對于滑行軸，需要根據該軸受到的制動力計算出該軸的減速度。車輛仿真模型如圖7所示。

圖7 車輛仿真模型

2.5 軸速度計算模型 軸速度計算模型則根據當前軸速度以及減速度，按照采用周期時間為計算時間（仿真時默認為10ms），計算出下一刻的軸速度，具體模型可參見圖8。

圖8 軸速度計算模型

3 仿真模型的驗證

基于上述仿真模型，可進行如下仿真驗證。

圖9為模擬1軸滑行仿真圖。在正常情況下，設置列車初始速度為90 km/h，制動級位設置為快速，1軸黏著限制為0.5，其他軸黏著限制為1.5，模擬1 軸滑行，仿真結果如圖10所示，圖中曲線分別為BC壓力、速度、HV和RV。從圖中可以看出，BC壓力經過6 次階梯下降，RV 動作6 次，經過6 次排氣，將制動缸中壓縮空氣排空，每次排氣量大概為20%，與理論計算一致。

圖9 模擬1軸滑行仿真圖

4 結束語

通過搭建仿真模型并在此基礎上，設置相關參數，進行防滑驗證，證明此模型可以較為準確的模擬防滑閥控制的制動缸排氣過程，而對于防滑控制的邏輯，則可以根據需要進行相應的調整，從而對防滑控制邏輯進行改進和優化。