軌道交通車輛用防滑閥特性仿真研究

賀 成， 熊文誠， 張鵬飛

（南京中車浦鎮(zhèn)海泰制動(dòng)設(shè)備有限公司， 江蘇 南京 211800）

0 引言

動(dòng)車組及地鐵等軌道交通車輛要求制動(dòng)安全、可靠、舒適，制動(dòng)力過大易導(dǎo)致車輪滑行甚至抱死，輪對(duì)與軌道之間發(fā)生滑動(dòng)摩擦， 嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致輪對(duì)和軌道的嚴(yán)重擦傷或磨損，直接影響運(yùn)營安全。軌道交通車輛中設(shè)置防滑閥來控制滑行時(shí)的壓力調(diào)節(jié)[1]。防滑閥在制動(dòng)系統(tǒng)中的主要功能是根據(jù)制動(dòng)系統(tǒng)電子控制單元的電信號(hào)， 對(duì)制動(dòng)壓力進(jìn)行充排氣調(diào)節(jié)，以解除車輛輪對(duì)的滑行狀態(tài)。對(duì)防滑閥特性的深入掌握是設(shè)計(jì)有效滑行策略的必要條件。因此對(duì)防滑閥的特性的研究具有重要的工程意義。

本文對(duì)某種適用地鐵及動(dòng)車組的軌道交通用防滑閥工作原理進(jìn)行分析介紹， 采用AMESim 軟件建立防滑閥的仿真模型，對(duì)其工作特性進(jìn)行仿真分析，重點(diǎn)研究了防滑閥內(nèi)關(guān)鍵的結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)動(dòng)作性能的影響， 為防滑閥的優(yōu)化設(shè)計(jì)及故障分析提供指導(dǎo)。

1 防滑閥結(jié)構(gòu)及原理

防滑閥的結(jié)構(gòu)示意圖見圖1 所示。

圖1 防滑閥結(jié)構(gòu)及原理示意圖Fig.1 Structure and schematic diagram of antiskid valve

防滑閥主要由保壓閥HV 和排氣閥RV 兩部分組成，每個(gè)閥分別由電磁控制部分（MHV、MRV）和主閥體部分（HV、RV）組成。 電磁控制部分主要包括線圈、鐵芯組成，主閥體部分主要包括膜板、閥座、膜板彈簧等。 通過控制電磁部分實(shí)現(xiàn)對(duì)膜片閥口的開閉控制。

防滑閥進(jìn)氣口IN 與制動(dòng)系統(tǒng)中繼閥出口連接，出氣口OUT 與制動(dòng)缸連接， 排氣口EX 通向大氣。 正常制動(dòng)時(shí)，先導(dǎo)電磁閥MHV 和MRV 均不得電，壓縮空氣經(jīng)由進(jìn)氣口IN 進(jìn)入，推動(dòng)保持閥（HV）膜片，制動(dòng)壓力經(jīng)打開的閥口輸出到制動(dòng)缸，此時(shí)防滑閥處于供給位。當(dāng)列車發(fā)生滑行時(shí)，制動(dòng)力需減少，先導(dǎo)電磁閥MHV 和MRV 同時(shí)得電，先導(dǎo)氣進(jìn)入腔室V2，保持閥（HV）閥口關(guān)閉，切斷前端進(jìn)氣，同時(shí)排氣膜片腔室V1 的先導(dǎo)氣排空，排氣閥（RV）閥口打開，制動(dòng)缸壓力經(jīng)由排氣閥口排出，壓力降低。 當(dāng)需要保持制動(dòng)力不變時(shí)，先導(dǎo)電磁閥MHV 得電，MRV 失電，此時(shí)保持閥（HV）閥口關(guān)閉，切斷制動(dòng)力供給，同時(shí)排氣閥（RV）閥口也關(guān)閉，不進(jìn)行排氣，壓力處于保持狀態(tài)。

2 仿真模型建立

AMESIM 軟件是基于物理模型的圖形化建模平臺(tái)，已在汽車、 工程機(jī)械等領(lǐng)域得到廣泛夠用， 并已得到驗(yàn)證。 氣動(dòng)模塊包含各種氣壓元件、管路元件、電磁閥元件等，能夠考慮線性和非線性仿真[2]。

防滑閥中電磁先導(dǎo)閥為兩個(gè)二位三通的電磁閥，采用AMESIM 模塊中的電磁閥模型模擬。先導(dǎo)電磁閥通徑、主閥體部分閥口通徑、先導(dǎo)閥通徑、膜片直徑、彈簧力值等參數(shù)根據(jù)實(shí)際物理參數(shù)進(jìn)行賦值。

試驗(yàn)中防滑閥前端輸入壓力為685kPa， 前端容積負(fù)載41L，后端負(fù)載容積容量試驗(yàn)時(shí)13L，仿真模型中參數(shù)按照實(shí)際試驗(yàn)負(fù)載設(shè)置，模型如圖2 所示。

圖2 防滑閥AMESim 仿真模型Fig.2 AMESim simulation model of antiskid valve

3 仿真結(jié)果分析

3.1 階段充氣、 階段排氣特性

圖3 階段充氣和階段排氣特性Fig.3 Stage charge and stage exhaust characteristics

試驗(yàn)要求防滑閥階段充氣和階段排氣能夠正常動(dòng)作、階段動(dòng)作過程中壓力能夠正常保持，仿真計(jì)算結(jié)果如圖3 所示。

仿真曲線較好的體現(xiàn)了防滑閥階段充氣特性 （3 個(gè) 循 環(huán) 的 充 風(fēng)0.2s+保壓0.9s，充風(fēng)0.2s+保壓4s+4.5 充氣，共歷時(shí)12s）、階段排氣特性 （3 個(gè)循環(huán)的排氣0.2s+保壓0.9s， 排氣0.2s+保壓4s+4.5 排氣，共歷時(shí)12s），過程中壓力保持功能正常可靠。

3.2 制動(dòng)緩解特性

試驗(yàn)時(shí)防滑閥不通電，排空防滑閥前端的壓縮空氣，要求防滑閥后端的負(fù)載壓力小于5kPa。仿真結(jié)果見圖4，排空前端壓力后， 防滑閥負(fù)載壓力為3.4kPa，符合技術(shù)要求。

圖4 制動(dòng)緩解特性曲線Fig.4 Brake release characteristic

3.3 容量特性

容量特性仿真結(jié)果見圖5 所示。 試驗(yàn)中通常采用充罐法對(duì)防滑閥容量特性進(jìn)行檢驗(yàn)，負(fù)載為13L。 充氣時(shí)防滑閥MRV 和MHV 均 不得電， 排氣時(shí)MHV和MHV 同時(shí)得電。容量特性仿真結(jié)果見圖5 所示。 結(jié)果顯示：13L 風(fēng)缸壓力由685kPa 降至255kPa所用時(shí)間t1=1.04s，實(shí)測(cè) 值 為1.1s；13L 風(fēng)缸壓力由0 上升至430kPa 所用時(shí)間t2= 1.23s， 實(shí)測(cè)值為1.3s。考慮到實(shí)際測(cè)試中氣源壓力的穩(wěn)定性、測(cè)量誤差等因素，仿真結(jié)果能夠正確反映防滑閥容量特性。

通過上述分析可以看出，仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果相近，能夠正確反映防滑閥的性能， 上述仿真模型是正確有效的。 下面的分析基于上述模型開展。

圖5 容量特性仿真曲線Fig.5 Capacity characteristic simulation curve

4 結(jié)構(gòu)參數(shù)影響分析

防滑閥結(jié)構(gòu)上由充氣閥和排氣閥組成，兩組閥功能上分別控制充氣和排氣，結(jié)構(gòu)原理上相似，且滑行控制時(shí)更多關(guān)注防滑閥的排氣性能， 故本文主要對(duì)防滑閥排氣閥（HV）部分的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行分析，主要包括圖1 所示的排氣閥口通徑D1、排氣閥膜片彈簧初始?jí)毫Γ╢rv）、排氣先導(dǎo)電磁閥充氣通徑（d1）、排氣先導(dǎo)電磁閥排氣通徑（d2）。

4.1 排氣閥口通徑D1 影響分析

由圖6 所示，隨著排氣閥口通徑的增大，階段排氣量變大，排氣效率變高。防滑閥排氣通徑大小直接影響滑行時(shí)控制參數(shù)， 實(shí)際應(yīng)用中可以根據(jù)需要選擇設(shè)置合適的防滑閥排氣口通徑。

圖6 不同排氣閥口通徑D1 特性曲線Fig. 6 Characteristic curve of different exhaust valve port diameter

4.2 排氣閥膜片彈簧初始?jí)毫Γ╢rv）影響分析

從圖7 和圖8 仿真曲線可以看出，排氣膜片彈簧的初始?jí)毫χ祵?duì)排氣效率無明顯的影響，但對(duì)負(fù)載的最終穩(wěn)定壓力值（簡稱殘壓值）有明顯的影響。 初始預(yù)緊力為1N、3.4N、7N、12N 時(shí) 對(duì) 應(yīng) 的 殘 壓 值 分 別 為1.8kPa、3.7kPa、7.3kPa、12.5kPa，預(yù)緊力越大，負(fù)載殘壓值越高。 殘壓值過高對(duì)于制動(dòng)系統(tǒng)是不可接受的， 設(shè)計(jì)中應(yīng)控制彈簧的初始預(yù)緊力。

圖7 不同排氣彈簧初始力動(dòng)作曲線Fig.7 Initial force action curve of different exhaust springs

4.3 排氣先導(dǎo)電磁閥充氣通徑d1影響分析

從圖9 可以看出，排氣先導(dǎo)閥的充氣通徑d1對(duì)防滑閥的階段排氣有明顯的影響，充氣通徑越小，初始階段排氣負(fù)載壓力下降的越多，負(fù)載壓力由排氣向保壓轉(zhuǎn)換的時(shí)刻越往后，保壓的時(shí)間越短。結(jié)合圖1 結(jié)構(gòu)分析，充氣通徑越小，作用于排氣膜片上腔的控制壓力建立的越慢，排氣閥口關(guān)閉也變慢，所以實(shí)際排氣時(shí)間會(huì)變長，壓力下降的更多。

圖8 負(fù)載排氣殘壓局部放大曲線Fig.8 Local amplification curve of residual pressure of load

圖9 不同排氣先導(dǎo)閥充氣通徑動(dòng)作曲線Fig.9 Action curve of inflation diameter of different exhaust pilot valves

當(dāng)充氣通徑d1下降到0.2mm 時(shí)，防滑閥充氣過程出現(xiàn)異常，負(fù)載壓力上升變慢。 圖10 所示，d1=0.2mm 時(shí)，充氣初始階段排氣膜片被打開1.5mm 左右，然后又關(guān)閉，從結(jié)構(gòu)上分析，這會(huì)導(dǎo)致充氣時(shí)排氣口在排氣，故防滑閥負(fù)載壓力上升變慢。 這種現(xiàn)象會(huì)導(dǎo)致制動(dòng)距離變長，是不允許的。

圖10 排氣膜片動(dòng)作位移曲線Fig.10 Displacement curve of exhaust diaphragm

綜上分析，先導(dǎo)排氣電磁閥充氣通徑d1越小，防滑閥由排氣切換到保壓的動(dòng)作越慢， 當(dāng)d1過小時(shí)易導(dǎo)致防滑閥充氣動(dòng)作故障。 設(shè)計(jì)中需進(jìn)行控制。

4.4 排氣先導(dǎo)電磁閥排氣通徑d2 影響分析

由圖11 可以看出，排氣先導(dǎo)閥（MRV）的排氣通徑d2對(duì)排氣效率影響明顯，對(duì)充氣階段無明顯影響。d2越小，階段排氣量越小；當(dāng)d2降低至0.4mm 時(shí)，防滑閥無法實(shí)現(xiàn)階段排氣功能，原因?yàn)檫^小的排氣通徑d2會(huì)導(dǎo)致控制腔室V1的控制壓力無法及時(shí)排除，排氣膜片無法動(dòng)作所致。

圖11 不同排氣口先導(dǎo)閥排氣通徑特性曲線Fig.11 Characteristic curve of pilot valve at different exhaust ports

5 結(jié)論

采用AMESim 軟件建立軌道交通車輛用防滑閥的仿真模型，仿真結(jié)果能夠很好反映防滑閥的特性，與試驗(yàn)結(jié)果符合性好。

基于仿真模型，研究了防滑閥中排氣閥（HV）部分的排氣閥口通徑、排氣閥膜片彈簧初始?jí)毫Α⑴艢庀葘?dǎo)電磁閥充氣通徑、 排氣先導(dǎo)電磁閥排氣通徑等關(guān)鍵參數(shù)變化對(duì)防滑閥動(dòng)作性能的影響， 對(duì)防滑閥的設(shè)計(jì)及優(yōu)化具有重要的指導(dǎo)作用。

通過對(duì)防滑閥結(jié)構(gòu)參數(shù)變化的影響分析， 對(duì)于防滑閥的應(yīng)用和故障問題處理具有很好的指導(dǎo)意義。