小型磁懸浮列車液壓制動系統(tǒng)設(shè)計與仿真分析

張顯鋒 段姹莉 徐佳新 李浩 郭斌

摘? ?要： 液壓制動系統(tǒng)性能關(guān)乎磁懸浮列車的行車安全，是評價列車行駛質(zhì)量的重要指標(biāo)之一。開展小型磁懸浮列車液壓制動系統(tǒng)研究，以總體技術(shù)參數(shù)為基準(zhǔn)，結(jié)合Q/CRRC J 1060-2020等行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，圍繞制動系統(tǒng)設(shè)計目標(biāo)，確定制動系統(tǒng)的功能及配置，設(shè)計液壓制動系統(tǒng)原理圖，完成液壓制動系統(tǒng)功能規(guī)劃、關(guān)鍵制動參數(shù)理論計算。通過AMEsim對設(shè)計的液壓制動系統(tǒng)開展仿真分析。結(jié)果表明：1）蓄能器充液時間與理論計算誤差小于1%;2）緊急制動蓄能器儲液能夠?qū)嵤?次緊急制動，高于行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求的2次;3）當(dāng)緊急制動電磁閥節(jié)流孔直徑大于4 mm時，緊急制動響應(yīng)時間為0.5 s，低于業(yè)內(nèi)普遍要求的1s;4）當(dāng)常用制動電磁閥節(jié)流孔直徑大于1.6 mm時，在電控系統(tǒng)的干預(yù)下，既能滿足常用制動減速度要求，又能將常用制動沖擊率控制在合理的范圍內(nèi)。

關(guān)鍵詞： 磁懸浮列車;液壓制動系統(tǒng);仿真分析;響應(yīng)時間;蓄能器充液

引言

與傳統(tǒng)的輪軌列車相比，磁懸浮列車具有噪聲低、能耗小、安全舒適、造價成本低、爬坡能力強、轉(zhuǎn)彎半徑小、易實現(xiàn)高速行駛等優(yōu)點，受到國內(nèi)外的青睞[1-2]。目前，無論是高速磁懸浮列車，還是中低速磁懸浮列車，都在向小型化、定制化方向發(fā)展。同時，液壓制動系統(tǒng)性能也直接關(guān)乎磁懸浮列車的行車安全，是評價列車行駛質(zhì)量的重要指標(biāo)之一[3]。因此，依托小型磁懸浮列車平臺，對小型磁懸浮列車的液壓制動系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計與分析，顯得尤為迫切。

近年來，一批科研機構(gòu)和企事業(yè)單位對磁懸浮列車制動系統(tǒng)，尤其是液壓制動系統(tǒng)進(jìn)行了大量研究，取得了豐厚的成果。例如，劉泉等[2]、蔣廉華等[3]針對中低速磁懸浮列車制動控制系統(tǒng)進(jìn)行了較深入的研究;杜慧杰等[4]對磁懸浮列車液壓制動系統(tǒng)的響應(yīng)時間進(jìn)行了簡要的仿真分析。但是，以上文獻(xiàn)均未開展較為詳盡的理論設(shè)計與仿真分析。

在本文中，首先以小型磁懸浮列車的總體技術(shù)參數(shù)為基準(zhǔn)，從制動系統(tǒng)設(shè)計目標(biāo)入手，確定制動系統(tǒng)的功能及配置;然后，設(shè)計液壓制動系統(tǒng)原理圖，規(guī)劃系統(tǒng)各個部件實現(xiàn)的功能，從而對關(guān)鍵制動參數(shù)進(jìn)行理論計算;最后，通過仿真分析，對理論計算的準(zhǔn)確性、可靠性予以佐證。

1? 列車總體技術(shù)參數(shù)與制動系統(tǒng)設(shè)計目標(biāo)

1.1? 小型磁懸浮列車總體技術(shù)參數(shù)

（1）列車最高運行速度：80 km/h;

（2）線路最大風(fēng)速：25 m/s;

（3）線路最大坡度：70‰;

（4）編組形式：

其中，Mc1、Mc2—帶司機室的端車;M1、M2—不帶司機室的中間車;

（5）懸浮架配置：3臺/節(jié)車;

（6）列車載荷：詳見表1。

1.2? 制動系統(tǒng)設(shè)計目標(biāo)

在AW0及AW2載荷下，考慮小型磁懸浮列車在平直干燥軌道上，從80 km/h的最高運行速度到停車的情況。

（1）制動平均減速度需符合以下要求：

① 最大常用制動平均減速度：≥1.1 m/s2;

② 快速制動平均減速度：≥1.3 m/s2;

③ 緊急制動平均減速度：≥1.3 m/s2;

（2）停放制動對AW3載荷的列車安全停放坡度：70‰;

（3）常用制動沖擊極限（常用、快速）：≤0.75 m/s3;

（4）緊急制動響應(yīng)時間：t≤1 s;

（5）制動器數(shù)量：6臺/節(jié)車;

（6）制動系統(tǒng)數(shù)量：1套/節(jié)車;

（7）蓄能器儲液能力需求：蓄能器處于最小正常工作壓力，且液壓泵不再工作時，列車至少滿足實施2次緊急制動的需求;

（8）液壓泵將蓄能器充壓至規(guī)定最大工作壓力的時間：t≤1 min。

2? 制動系統(tǒng)功能、配置及液壓制動系統(tǒng)原理設(shè)計

2.1? 制動系統(tǒng)功能及配置

小型磁懸浮列車采用電制動、電液制動、滑撬制動相結(jié)合的方式實施制動。為了提高列車安全、乘車舒適度和列車停放要求，制動系統(tǒng)包括常用制動、快速制動、緊急制動、保持制動、停放制動等模式。同時，設(shè)置了載荷補償、沖動極限限制等功能。

三大制動方式原理如下：

（1）電制動：牽引電機在列車制動時作為發(fā)電機使用，將列車動能轉(zhuǎn)化為電能的制動方式。當(dāng)電能被反饋至電阻器時，稱為電阻制動;當(dāng)電能被反饋至供電電網(wǎng)時，稱為再生制動。

（2）電液制動：電氣控制的液壓制動。

（3）滑撬制動：列車處于非懸浮狀態(tài)下滑撬與F型導(dǎo)軌（一種承受磁懸浮列車懸浮力、導(dǎo)向力及牽引力的基礎(chǔ)構(gòu)件，由F型鋼和感應(yīng)板組成）上表面接觸產(chǎn)生摩擦力的制動方式。

采用上述制動方式的制動動作如下：

（1）常用制動：調(diào)節(jié)列車運行速度或使列車在預(yù)定地點停車的制動模式。常用制動采用電制動與電液制動混合的制動方式，并優(yōu)先發(fā)揮電制動能力;如果電制動能力不能滿足設(shè)計要求，則由電液制動補足。常用制動模式具有載荷補償功能。

（2）快速制動：使列車迅速減速的一種制動模式，除不具有載荷補償功能外，應(yīng)與常用制動采用相同控制方式。

（3）停放制動：對靜止?fàn)顟B(tài)下的列車防止發(fā)生溜逸所施加的制動模式，具有載荷補償功能。

（4）保持制動：對停車后和牽引啟動一定時間內(nèi)的列車防止發(fā)生溜逸所施加的制動模式，采用電液制動方式。

（5）緊急制動：使列車迅速減速并使其在最短距離內(nèi)緊急停車的制動模式，采用電液制動和滑撬制動方式。

總之，小型磁懸浮列車制動系統(tǒng)模式配置如表2所示。

2.2? 液壓制動系統(tǒng)原理及功能組成

液壓制動系統(tǒng)原理如圖1所示。

液壓制動系統(tǒng)包括8個功能：

（1）充液功能：驅(qū)動電機1驅(qū)動液壓齒輪泵2為系統(tǒng)提供液壓油源，液壓油流經(jīng)過濾器3、單向閥4.1向蓄能器9充入液壓油。當(dāng)壓力傳感器7.1檢測到蓄能器9壓力達(dá)到預(yù)設(shè)最大工作壓力15 MPa時，發(fā)出控制信號使驅(qū)動電機1停止工作;當(dāng)壓力傳感器7.1檢測到蓄能器9壓力達(dá)到預(yù)設(shè)最低壓力13 MPa時，發(fā)出控制信號使驅(qū)動電機1開啟工作。當(dāng)液壓齒輪泵2輸出液壓油高于安全溢流閥10設(shè)定值16 MPa時，安全溢流閥10開啟，對系統(tǒng)實施泄荷溢流。

（2）常用制動功能：當(dāng)需要施加制動時，對比例電磁閥12施加控制信號，蓄能器9中的液壓油通過比例電磁閥12、單向閥4.2向制動器14按比例施加液壓油。同時，壓力傳感器7.2實時監(jiān)測制動缸壓力值，反饋至制動控制單元重新計算需要的制動力，進(jìn)而輸出相應(yīng)的液壓油，以完成對制動系統(tǒng)的精準(zhǔn)控制。

（3）緊急制動功能：當(dāng)需要實施緊急制動時，制動控制單元同時對比例電磁閥12和二位三通電磁閥11發(fā)出控制信號，使二位三通電磁閥11也會開啟液壓油，通過減壓閥13后向制動器14輸出液壓油。如果二位三通電磁閥11故障，則比例電磁閥12按照緊急制動設(shè)定壓力8.5 MPa向制動器14輸出液壓油，實現(xiàn)液壓制動系統(tǒng)雙路控制的冗余設(shè)計功能。

（4）制動緩解功能：當(dāng)需要實施制動緩解時，制動控制單元對比例電磁閥12輸出壓力信號，制動器14油缸內(nèi)的液壓油依次通過單向閥4.2、比例電磁閥12釋放回液壓油箱。當(dāng)壓力傳感器7.2檢測到制動缸壓力值降低到緩解壓力設(shè)定上限時，向制動控制單元發(fā)送制動緩解完畢信號。單向閥4.2和4.3使得制動緩解狀態(tài)下的制動回路存在殘存壓力，避免了主管路排空油液，能減少制動用油量和縮短制動響應(yīng)時間[4]。

（5）蓄能器延時泄荷功能：當(dāng)列車實施停放制動對整車斷電時，延時電磁閥6延時90 s后得電，對蓄能器9中的液壓油進(jìn)行泄荷釋放，既能延長液壓零部件的使用壽命，又能保證檢修安全。

（6）應(yīng)急制動功能：當(dāng)驅(qū)動電機1或齒輪泵2出現(xiàn)故障無法工作時，蓄能器9儲存的液壓油可以向系統(tǒng)提供應(yīng)急液壓油源，保證液壓制動系統(tǒng)能夠提供至少滿足實施2次緊急制動的液壓油源。

（7）檢修保護(hù)功能：當(dāng)液壓制動系統(tǒng)需要檢修時，通過壓力測試口，即測壓接頭8.1監(jiān)測蓄能器9內(nèi)的液壓油是否釋放完畢，如果仍存在殘余液壓油，可以通過手動開啟延時電磁閥6，將蓄能器9中的液壓油釋放回液壓油箱，以確保維修的安全性。

（8）過濾器報警維護(hù)功能：當(dāng)過濾器3達(dá)到堵塞閾值時會向系統(tǒng)報警，提示需要對過濾器3進(jìn)行維護(hù)。若報警后仍然不能得到維護(hù)，過濾器3濾芯阻力大于旁通閥開啟壓力，將會開啟旁通閥，向系統(tǒng)輸送液壓油，避免發(fā)生濾芯壓潰事故。

3? 液壓制動系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)計算

3.1? 制動距離計算

3.2? 制動減速度計算

參照章節(jié)2.1的思路，正常情況下，列車在高速行駛時制動系統(tǒng)以電制動為主，制動力不足部分由液壓制動進(jìn)行補充;列車在低速行駛時，制動系統(tǒng)以液壓制動為主。電液混合制動控制過程如圖2所示，其中為電制動響應(yīng)時間;為電制動撤銷延時時間及液壓制動施加到壓力上升至10%的時間;為電制動壓力降低至0，同時液壓制動壓力上升至90%時間;為液壓制動壓力從90%上升至100%并直至列車減速至保持制動的施加時間;為保持制動施加時間。但是，當(dāng)電制動失效時，為保證制動系統(tǒng)具備足夠的制動能力將列車盡快地停下來，液壓制動系統(tǒng)設(shè)置緊急制動。緊急制動過程如圖3所示，其中為液壓制動的電氣響應(yīng)時間及緊急制動施加至壓力上升至10%的時間;為緊急制動壓力從10%上升至90%的時間;時刻以后，液壓制動壓力從90%上升至100%，直至列車減速至0 m/s。

為滿足制動減速度及制動沖擊率的要求，對系統(tǒng)響應(yīng)時間進(jìn)行設(shè)置，其中電制動響應(yīng)時間已由供應(yīng)商確認(rèn)為1.5 s，液壓制動的電氣響應(yīng)時間小于0.1 s。制動系統(tǒng)響應(yīng)時間及沖擊率設(shè)計目標(biāo)如表4所示。

從而，列車制動減速度變換為

將表4等的數(shù)據(jù)帶入式（2）中，得到如表5所示的列車制動減速度。

3.3? 制動力計算

制動力計算公式為

3.3.1? 常用制動液壓制動力計算

常用制動液壓制動力計算應(yīng)保證列車在不同載荷下保持恒定的制動減速度。在不同列車載荷下，常用制動液壓制動力如表6所示。

3.3.2? 緊急制動液壓制動力計算

緊急制動液壓制動力能保證列車在AW2載荷下的減速度不小于1.3 m/s2，此時液壓制動力不受載荷變化影響。代入相關(guān)數(shù)據(jù)得緊急制動液壓制動力為137 kN。當(dāng)然，由于列車載荷的變化，制動減速度也會發(fā)生變化。

3.3.3? 快速制動液壓制動力計算

快速制動液壓制動力計算應(yīng)保證車輛在不同載荷下保持恒定的制動減速度。在不同載荷下，快速制動液壓制動力如表7所示。

3.3.4? 保持制動的制動力計算

式（4）～（5）中，為風(fēng)阻，N;為空氣密度，取0.125 kg·m2/s4;為逆風(fēng)速度，取線路最大風(fēng)速25 m/s;為空氣阻力系數(shù)，取0.9;為風(fēng)的作用面積，取9 m2。

將相關(guān)數(shù)據(jù)代入式（4）～（5），可得到不同載荷下需要的液壓制動力。根據(jù)設(shè)計要求，保持制動提供的液壓制動力為最大常用制動液壓制動力的70%，即88 kN，進(jìn)而得出液壓制動實際提供制動力的安全系數(shù)，如表8所示。

3.3.5? 制動器制動力計算

其中，為每個制動器摩擦片的動摩擦系數(shù)，取0.25;為每個制動器摩擦片的數(shù)量，取2;為每個制動器油缸的數(shù)量，取2;為制動器的制動油缸直徑，取32 mm;為制動器機械效率，取90%。計算得出各制動工況下的制動缸壓力，如表9所示。

由表9可知，制動系統(tǒng)最小的制動壓力值應(yīng)不低于9.5 MPa，為保證適當(dāng)裕量，取10 MPa。根據(jù)Q/CRRC J 1060-2020標(biāo)準(zhǔn)[5]要求，電液制動系統(tǒng)最大正常工作壓力不宜大于16 MPa，故將制動系統(tǒng)安全溢流閥的閥壓力值定為16 MPa。同時，為保證適當(dāng)?shù)墓ぷ鞣秶瑢⒁簤罕玫膯訅毫Χ?3 MPa，關(guān)閉壓力定為15 MPa。

3.3.6? 蓄能器選型計算

Q/CRRC J 1060-2020標(biāo)準(zhǔn)對蓄能器儲液能力的要求是：當(dāng)蓄能器處于最小正常工作壓力，且液壓泵不再工作時，列車至少滿足實施2次緊急制動的需求。

其中，為蓄能器充氣壓力，取9 MPa（注意必須滿足，為盡量減小蓄能器容積，取0.9）;為蓄能器最低工作壓力，取10 MPa;為蓄能器最大工作壓力，取13 MPa（蓄能器處于最小正常工作壓力）;為蓄能器工況系數(shù)，取1.4（排油時間小于1 min，按照絕熱狀態(tài)工況）。代入相關(guān)數(shù)據(jù)，得=6.03 L。

根據(jù)供應(yīng)商提供的樣本資料，選用兩個3.5 L蓄能器。將數(shù)據(jù)代入式（9）得，當(dāng)蓄能器的壓力充至15 MPa時，充液總?cè)莘e為2.14 L，有效制動工作容積為1.63 L。

3.3.7? 液壓油源選型計算

其中，為泵的容積效率，取90%;為充液時間，取1 min（液壓泵將蓄能器充壓至規(guī)定最大工作壓力時間≤1 min）。代入相關(guān)數(shù)據(jù)，得泵流量應(yīng)不小于2.6 L/min。

考慮泵在工作過程中會出現(xiàn)容積效率的下降，并結(jié)合供應(yīng)商產(chǎn)品情況，將液壓泵排量定為1 mL/r，電動馬達(dá)的轉(zhuǎn)速定為3 000 r/min。代入相關(guān)數(shù)據(jù)，得液壓制動系統(tǒng)蓄能器充液時間為47.6 s，蓄能器壓力由13 MPa充至15 MPa的補液時間為11.6 s。

4? AMEsim仿真分析

液壓制動系統(tǒng)AMEsim仿真模型如圖4所示。系統(tǒng)利用減壓閥、可調(diào)節(jié)流閥、電磁閥來模擬比例電磁閥可變節(jié)流特性，利用電磁閥和可調(diào)節(jié)流閥模擬緊急制動電磁閥的節(jié)流特性。其他液壓制動系統(tǒng)零部件按照實際選型，在AMEsim液壓庫和機械庫中選擇對應(yīng)模型并設(shè)置參數(shù)。

4.1? 蓄能器充液時間仿真分析

蓄能器充液時間仿真分析如圖5所示。通過仿真分析可以看出，液壓蓄能器壓力由0上升到15 MPa的充液時間為47.47 s，與理論計算的47.6 s充液時間相差小于1%，驗證了理論計算的正確性。

4.2? 緊急制動時蓄能器儲液能力仿真分析

緊急制動時蓄能器儲液能力仿真分析如圖6所示。通過仿真分析可以看出，蓄能器處于最小正常工作壓力13 MPa，且液壓泵不再工作時，列車制動系統(tǒng)在實施3次緊急制動后，蓄能器的壓力為10.25 MPa，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求的2次緊急制動需求。

4.3? 緊急制動響應(yīng)時間仿真分析

緊急制動施加要求：制動壓力上升至10%最大壓力的時間小于0.2 s，液壓油從10%最大壓力上升至90%最大壓力的時間小于0.3 s。

如圖7所示，是緊急制動壓力設(shè)置為8 MPa時的仿真分析曲線。通過仿真分析可以得知，緊急制動節(jié)流孔開度不同，響應(yīng)時間也不同。緊急制動電磁閥不同節(jié)流孔對應(yīng)的響應(yīng)時間如表10所示，可得出節(jié)流孔直徑應(yīng)大于4 mm的結(jié)論。

4.4? 常用制動響應(yīng)時間仿真分析

常用制動施加要求：制動液壓油壓力上升至10%最大壓力的時間小于1.5 s，液壓油壓力從10%最大壓力上升至90%最大壓力的時間控制在1.5 s左右。

如圖8所示，是常用制動壓力設(shè)置為5.1 MPa時的仿真分析曲線。通過仿真分析可以得知，常用制動節(jié)流孔開度不同，響應(yīng)時間也不同，常用制動電磁閥不同節(jié)流孔對應(yīng)的響應(yīng)時間如表11所示。為滿足常用制動液壓油壓力上升至10%的時間小于1.5 s的要求，節(jié)流孔直徑應(yīng)不小于1.6 mm，此時若不采用電控方案對常用制動電磁閥加以控制，則液壓油壓力從10%最大壓力上升至90%最大壓力的時間將不大于0.02 s，因此在實施常用制動時，電控信號必須介入，以降低制動液壓油壓力上升的速率。

將常用制動電磁閥節(jié)流孔直徑選定為1.6 mm時，對列車不同載荷下的不同常用制動壓力進(jìn)行仿真分析，得出常用制動壓力與液壓制動響應(yīng)時間關(guān)系詳見表12。結(jié)合圖2電液混合制動控制過程，由于t0～t1這一電制動撤銷延時時間為確定值1.5 s，而根據(jù)分析，列車不同載荷所對應(yīng)不同液壓制動壓力所需的時間已經(jīng)是確定的，那么在整個制動過程中，液壓制動介入的時間點也就得以確定;t1～t2為電制動壓力降低至0，同時液壓制動壓力上升至90%的時間，為保證電制動壓力降低值與液壓制動壓力施加值相等，并且時間均控制在1.5 s左右，需要采用電控信號予以干預(yù)，例如采用PWM控制信號對比例制動電磁閥進(jìn)行控制，以滿足列車對制動力、制動沖擊率的要求。

5? 結(jié)論

本文根據(jù)小型磁懸浮列車制動系統(tǒng)設(shè)計目標(biāo)，確定了液壓制動系統(tǒng)功能，完成了原理圖設(shè)計和理論計算，最后利用AMEsim軟件進(jìn)行仿真分析，得出如下結(jié)論：

（1）蓄能器的充液時間與理論計算誤差小于1%;

（2）蓄能器處于最小正常工作壓力13 MPa且液壓泵不再工作時，列車制動系統(tǒng)蓄能器儲液能夠?qū)嵤?次緊急制動，大于標(biāo)準(zhǔn)要求的2次;

（3）緊急制動電磁閥節(jié)流孔直徑大于4 mm時，緊急制動響應(yīng)時間小于0.5 s，低于業(yè)內(nèi)普遍要求的1 s，緊急制動響應(yīng)速率更快;

（4）常用制動電磁閥節(jié)流孔直徑大于1.6 mm時，需要在電控信號干預(yù)下才能夠滿足常用制動減速度和沖擊率要求;否則，無法滿足要求。

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