單軌車輛制動性能仿真研究

胡彪 謝雙

摘要：單軌車輛模型的構(gòu)建是單軌車輛制動性能仿真研究不可缺少的條件。單軌車輛模型的構(gòu)建與電氣模型國建存在較大的相似性，都需要借助相應(yīng)的設(shè)計(jì)軟件。本文在構(gòu)建單軌車輛模型的基礎(chǔ)上，對其制動性能進(jìn)行研究，詳細(xì)內(nèi)容如下。

關(guān)鍵詞：單軌車輛;制動性能;仿真研究

一、前言

機(jī)械模型和電氣模型聯(lián)合仿真，需要調(diào)整其相應(yīng)的參數(shù)，在反復(fù)調(diào)整的基礎(chǔ)上，將器件和系統(tǒng)的工作狀態(tài)維持在正常水平，之后再構(gòu)建物理樣機(jī)，驗(yàn)證模型正確性[1]。此種仿真模式可以將開發(fā)周期明顯縮短，并降低成本，對于系統(tǒng)性能的進(jìn)一步優(yōu)化具有重要作用。

二、單軌車輛聯(lián)合仿真模型的建立

（一）ADAMS機(jī)械模型和MATLAB/Simulink模型之間的轉(zhuǎn)化

本次研究中采用了ADAMS軟件和MATLAB/Simulink軟件，采用聯(lián)合仿真模式對單軌車輛制動性能進(jìn)行研究[2]。第一步需要構(gòu)建模型輸入輸出變量，整車模型采用ADAMS機(jī)械模型，對輸入和輸出變量進(jìn)行設(shè)定，確保再生系統(tǒng)模型和控制模型兩者之間的聯(lián)系性，輸入?yún)?shù)為單軌車輛的制動力，輸出參數(shù)為列車的運(yùn)行速度，隨后結(jié)合單軌車輛速度的變化情況，以空電聯(lián)合制動模型和再生制動模型為基礎(chǔ)，對制動力進(jìn)行計(jì)算。以制動力為輸出指令，仿真計(jì)算ADAMS機(jī)械模型，實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的機(jī)電聯(lián)合仿真。

（二）單軌車輛模型的進(jìn)一步整合

在整合單軌車輛模型時(shí)，需要在空電聯(lián)合制動控制模型中納入空氣制動模型、ADAMS機(jī)械模型、再生制動模型等，建立列車聯(lián)合制動模型，隨后研究列車制動性能。

1. 在空電聯(lián)合制動控制模型中引入ADAMS機(jī)械模型

需要在一個(gè)文件夾中放置ADAMS機(jī)械模型和空電聯(lián)合制動控制模型，確保順利進(jìn)行聯(lián)合仿真，隨后再按照相應(yīng)的程序，在計(jì)算機(jī)界面上輸入相應(yīng)的參數(shù)[3]。各個(gè)參數(shù)均輸入之后，將代表ADAMS機(jī)械模型的adams-sub模型向空電聯(lián)合制動控制仿真模塊中復(fù)制。

2. 在空電聯(lián)合制動控制模型中引入再生制動模型

再生制動模型在引入到空電聯(lián)合制動控制模型的過程中，數(shù)據(jù)在接口之間的傳遞需要尤為注意。比如列車制動力向電機(jī)制定轉(zhuǎn)矩的轉(zhuǎn)化，列車速度向電機(jī)轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)化，隨后計(jì)算電機(jī)再生制動仿真。

3. 在空電聯(lián)合制動控制模型中引入列車控制制動力和運(yùn)行中阻力

其中整合的具體方案見表1所示。

三、單軌車輛制動性能的研究

城市軌道交通中重要的組成部分就是單軌車輛。單軌車輛與大鐵路制動的異同之處主要表現(xiàn)如下：首先是國際中規(guī)定大鐵路緊急制動距離為800 m，單軌車輛的緊急制動距離為180 m;第二點(diǎn)是城市軌道交通的制動方式較為單一，空電聯(lián)合是經(jīng)常采用的制動方式[4];大鐵路的制動方式則較為多樣;第三點(diǎn)是城市軌道交通對于列車的減速度和加速度有較高的要求，其原因是交通站間距較短導(dǎo)致，而大鐵路的要求則相對較低;最后一點(diǎn)是城市軌道交通對到站停車的位置和時(shí)間點(diǎn)有明確的規(guī)定，誤差要保證在20 cm之內(nèi)，因此對列車司機(jī)和制動系統(tǒng)均要求較高，而大鐵路則要求較低。

（一）制動性能指標(biāo)

1. 制動距離

列車制動距離的計(jì)算是制動性能評價(jià)中非常重要的指標(biāo)。司機(jī)將制動手柄放置于制動位的瞬間直到列車停止瞬間所經(jīng)過的距離，該距離被稱為制定距離。制動距離可以對制動裝置的性能和實(shí)際制動效果進(jìn)行反應(yīng)[5]。單軌車輛制動距離的計(jì)算同樣也分為空走過程和制動過程。其中列車施行制動到閘片壓力突增的一瞬間為空走過程，時(shí)間、距離分別是空走tk、Sk，壓力在有效制動期間，突然增加到停止，時(shí)間是有效制動時(shí)間te、距離是有效制動距離Se。因此計(jì)算制動距離公式如下，Sh = Sk+Se。

2. 制動減速度

單軌列車制動性能評價(jià)指標(biāo)之一就是制動減速度，我國對列車的制動減速度有明確的規(guī)定，列車制動過程中的制定減速度要合適，不能太小也不能太大[6]。因?yàn)樵谥苿訙p速度較小的情況下會影響到單軌列車的制動力，降低制動力，對原有制動距離產(chǎn)生影響，使得列車停止難以在完全制動距離內(nèi)發(fā)生。制動穩(wěn)定性和列車、乘客安全性與制動減速度有直接的關(guān)系，制定減速度較大上述環(huán)節(jié)均得不到保障，此外列車在高制動位工況中可能出現(xiàn)抱死和滑行問題，增加車輪磨損程度，難以保證車輪的使用壽命。由此可見，列車的制動性與制動減速度有密切的關(guān)系[7]。

3. 列車再生制動產(chǎn)生電流對電網(wǎng)影響

1～2公里是軌道交通站常見間距，該間距下會增加列車啟動和制動頻率。據(jù)有關(guān)資料顯示列車在啟動和制動的一瞬間消耗的能力是較大的，可以達(dá)到牽引能力的30%，甚至更多。列車發(fā)車密度低時(shí)，直流電網(wǎng)中傳入的能量較大，電網(wǎng)穩(wěn)壓受影響[8]。期間影響最大的就是諧波波動，針對此種問題就需要在吸收電壓波動時(shí)采用電阻，將電網(wǎng)網(wǎng)壓受列車再生制動的影響降低。

（二）單軌車輛制動過程分析

運(yùn)行速度和計(jì)算機(jī)內(nèi)存會影響Simulink仿真。本文研究中的初始運(yùn)動時(shí)刻的列車，運(yùn)行速度為80 km/h，運(yùn)行狀態(tài)為平穩(wěn)運(yùn)行，隨后分析八個(gè)等級制動能力，且仿真分析的是列車在30 s內(nèi)的制動情況，探究單軌車輛制動減速度、制動距離、車輛運(yùn)行速度以及制動力之間的關(guān)系。

（三）單軌車輛制動要求

單軌車輛制動要求為：

1. 80 km/h為制動初速度。

2. 180 m左右為緊急制動距離。

3. > 1.25 m/s2為緊急制動減速度。

（四）制動性能仿真

對單軌車輛制動性能仿真研究中需要借助Simulink空電聯(lián)合制動模型，對其八個(gè)制動工況進(jìn)行分析，將得出的數(shù)據(jù)保存在To Workspace中，然后借助piot命令將制動減速度、制動距離以及制動力結(jié)果在一張圖中表示出來，方便分析。其中單軌車輛不同制動等級下的制動距離與時(shí)間的關(guān)系見圖1。

從上圖中可以看出，列車在初始狀態(tài)，0并不是曲線的開始，其原因與單軌車輛空走階段有關(guān)，因此為了便于計(jì)算，需要將列車空走距離加在制動距離基礎(chǔ)上。當(dāng)單軌車輛為AW3載重時(shí)，80 km/h為制動初始速度，在制動等級逐步加強(qiáng)的過程中，列車制動距離呈現(xiàn)出逐漸縮短的趨勢。

單軌車輛在八個(gè)制動等級下制定速度仿真圖如圖2所示。

分析上圖可見，計(jì)算機(jī)運(yùn)行速度和內(nèi)存會影響空電聯(lián)合制動仿真中的單軌車輛，當(dāng)為1為單軌車輛制動等級時(shí)，列車到了30 s的限制時(shí)間時(shí)的速度沒有達(dá)到0/s。分析曲線整體趨勢，可以發(fā)現(xiàn)制動等級為1時(shí)的速度曲線，對單軌車輛制動分析的影響不明顯[9]。制動單軌車輛，制動力的增加會在一瞬間，受橡膠輪胎的干擾，一開始的速度曲線存在一定抖動，但是變?yōu)槠椒€(wěn)狀態(tài)所用時(shí)間較短。逐步加強(qiáng)制動等級，單軌車輛的制動速度下降幅度不斷增加，最終車輛變?yōu)橥Ｖ範(fàn)顟B(tài)。

單軌車輛在八個(gè)制動等級下制動減速度仿真圖見圖3。

從上圖中可以看出，單軌車輛在空電聯(lián)合制動仿真中，受某種原因的影響，1為車輛制動等級，規(guī)定時(shí)間內(nèi)單軌車輛的速度難以滿足規(guī)定要求，因此減速度在制動時(shí)間內(nèi)均存在。其他制動等級，在30 s內(nèi)速度均下降到0 m/s，制定減速度也下降到0 m/s2。此外受走行輪輪胎和瞬間施加列車制動力的影響，制動減速度在單軌車輛制動初始狀態(tài)有一定的抖動，隨后在一段時(shí)間內(nèi)，列車的制動減速度逐漸平穩(wěn)。

單軌車輛在八個(gè)制動等級下制動力仿真圖見圖4。

從上圖中可以看出，單軌車輛在空電聯(lián)合制動仿真中，所施加的制動力是非常快的，加上走行輪受到橡膠輪胎的影響，不利于保障單軌車輛制動的穩(wěn)定性。但是過一段時(shí)間后，單軌車輛穩(wěn)定性在規(guī)定制動時(shí)間內(nèi)逐漸增強(qiáng)，最終停止。但是中間的曲線，空氣制動力的設(shè)置有待合理，期間制動力存在較小幅度的跳躍，增加了列車制動的不穩(wěn)定性。

四、結(jié)語

綜上所述，在軌道交通車輛中，列車能否及時(shí)準(zhǔn)確到達(dá)目的地與制動系統(tǒng)性能有關(guān)，并影響列車運(yùn)行安全性，關(guān)系乘客生命安全。在試驗(yàn)周期長且成本高是新造列車制動性能的試驗(yàn)驗(yàn)證的不足，于是虛擬系統(tǒng)的仿真應(yīng)運(yùn)而生，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)列車制動過程出現(xiàn)的問題，減少試驗(yàn)中問題發(fā)生概率，縮短試驗(yàn)驗(yàn)證時(shí)間，節(jié)約試驗(yàn)成本，保證列車運(yùn)行可靠性。人們在生活水平不斷提高的背景下逐漸接受能源節(jié)約的理念，且對能源高效利用更加關(guān)注。以上就是本文對單軌車輛制定性能仿真的研究情況，發(fā)現(xiàn)此種仿真模式可以將開發(fā)周期明顯縮短，并降低成本，對于系統(tǒng)性能的進(jìn)一步優(yōu)化具有重要作用。

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