基于AMESim的軌道交通車輛架控制動(dòng)系統(tǒng)建模與仿真＊

胡 薇 朱皓青 王宗明 左建勇

（1.同濟(jì)大學(xué)鐵道與城市軌道交通研究院，201804，上海；2.上海地鐵維護(hù)保障有限公司車輛分公司，200233，上海∥第一作者，碩士研究生）

城市軌道交通車輛架控制動(dòng)系統(tǒng)采用分散式的控制方式，將電制動(dòng)控制單元、氣制動(dòng)控制單元及防滑閥進(jìn)行集成，在保證控制精度與靈敏的響應(yīng)速度的同時(shí)，滿足車輛制動(dòng)設(shè)備的冗余性。在架控制動(dòng)系統(tǒng)逐步取代車控制動(dòng)系統(tǒng)的趨勢(shì)下，參考用于上海軌道交通1號(hào)線6 改8 工程增購(gòu)列車的克諾爾EP2002架控氣制動(dòng)系統(tǒng)，通過(guò)AMESim 軟件中豐富的模型庫(kù)進(jìn)行建模，仿真分析其三種制動(dòng)模式，并與設(shè)計(jì)指標(biāo)進(jìn)行對(duì)比。

1 架控制動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與制動(dòng)模式

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

架控制動(dòng)系統(tǒng)保持了車輛制動(dòng)設(shè)備的冗余性。通常情況下，僅一個(gè)轉(zhuǎn)向架上的制動(dòng)系統(tǒng)工作，當(dāng)其出現(xiàn)故障時(shí)，另一個(gè)設(shè)備及時(shí)采取動(dòng)作，施行制動(dòng)。架控制動(dòng)系統(tǒng)中包括風(fēng)源系統(tǒng)、輔助控制模塊、制動(dòng)控制單元、踏面制動(dòng)單元以及空氣彈簧等。

上海軌道交通1號(hào)線6改8工程增購(gòu)列車的制動(dòng)系統(tǒng)包括制動(dòng)控制模塊和制動(dòng)控制單元。每車配有一套制動(dòng)控制模塊，實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)存風(fēng)源、施加和緩解停放制動(dòng)。制動(dòng)控制模塊集成了溢流閥、減壓閥、塞門(mén)以及風(fēng)缸等部件，主要用來(lái)對(duì)制動(dòng)裝置及空氣懸掛裝置供風(fēng)，并裝有截?cái)嗳T(mén)，供維修人員進(jìn)行操作。

制動(dòng)控制模塊B00內(nèi)的部件包括總風(fēng)缸A06、空氣過(guò)濾器B01、截?cái)嗳T(mén)B02、單向閥B03、制動(dòng)儲(chǔ)風(fēng)缸B04、截?cái)嗳T(mén)B05、節(jié)流閥B10、脈沖電磁閥B19、三通閥B20、停放制動(dòng)壓力開(kāi)關(guān)B21、測(cè)試接口B22、溢流閥L01、截?cái)嗳T(mén)L02、減壓閥L03、懸掛風(fēng)缸L04、測(cè)試接口L06。其氣動(dòng)原理圖如圖1所示。

圖1 制動(dòng)控制模塊內(nèi)部氣動(dòng)原理圖

1.2 制動(dòng)模式

圖2為EP 2002 閥內(nèi)部氣路示意圖，其中A7為連通電磁閥，用于連通或切斷本轉(zhuǎn)向架的兩根軸的氣動(dòng)輸出壓力：在常用制動(dòng)和緊急制動(dòng)作用期間，允許按架控方式將兩根軸上的制動(dòng)缸壓力輸出連通；當(dāng)產(chǎn)生防滑保護(hù)時(shí)，將兩根軸之間的制動(dòng)缸壓力輸出切斷（相當(dāng)于軸控式制動(dòng)方式），使每根軸根據(jù)實(shí)際運(yùn)行情況單獨(dú)控制其制動(dòng)缸壓力。

常用制動(dòng)時(shí)，EP 2002稱重部根據(jù)空氣懸掛系統(tǒng)輸出實(shí)際制動(dòng)壓力，在無(wú)滑行的情況下，A7 失電，起到連通作用，使同一轉(zhuǎn)向架兩根軸上的制動(dòng)缸氣路有相同的壓力。在調(diào)節(jié)制動(dòng)缸壓力時(shí)，由其中任一軸的保壓／排風(fēng)電磁閥（A3／A4或A5／A6）進(jìn)行控制，另一個(gè)軸的保壓／排風(fēng)電磁閥始終在保壓狀態(tài)。緊急制動(dòng)采用空氣制動(dòng)：當(dāng)制動(dòng)系統(tǒng)得到緊急制動(dòng)信號(hào)時(shí)，制動(dòng)控制單元會(huì)控制兩根軸上的制動(dòng)缸壓力控制電磁閥，使之處于失電狀態(tài)，制動(dòng)缸壓力達(dá)到稱重的緊急制動(dòng)壓力水平。緊急制動(dòng)功能是獨(dú)立地按各自轉(zhuǎn)向架的不同載荷來(lái)調(diào)節(jié)制動(dòng)缸壓力。緊急制動(dòng)時(shí)，因緊急沖動(dòng)限制電磁閥A2失電，使制動(dòng)充風(fēng)速率受到限制，實(shí)現(xiàn)緊急沖動(dòng)限制?？焖僦苿?dòng)的制動(dòng)減速度與緊急制動(dòng)時(shí)相同，具有防滑控制功能和沖擊極限限制，但可隨時(shí)施行制動(dòng)緩解。快速制動(dòng)時(shí)，EP 2002制動(dòng)控制系統(tǒng)的工作原理基本與常用制動(dòng)相同。為了滿足列車在AW3（超載）載荷下較長(zhǎng)時(shí)間停放的要求，停放制動(dòng)采用彈簧制動(dòng)和壓縮空氣緩解制動(dòng)，EP 2002閥將實(shí)時(shí)監(jiān)控停放制動(dòng)缸的空氣壓力。在無(wú)電無(wú)氣時(shí)，可通過(guò)手動(dòng)緩解機(jī)構(gòu)進(jìn)行人工緩解制動(dòng)。列車速度低于1 km／h，EP2002閥會(huì)施加保壓制動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)停車。

圖2 制動(dòng)控制單元?dú)鈩?dòng)原理圖

2 架控制動(dòng)系統(tǒng)的建模和仿真

2.1 系統(tǒng)建模

將系統(tǒng)分模塊建模仿真，在達(dá)到各自功能要求后，按其氣路原理圖搭建完整的架控制動(dòng)系統(tǒng)。為滿足整體仿真效果及速度，模型中省略部分非必要部件，如干燥器、單向閥、塞門(mén)等。每根車軸有兩個(gè)制動(dòng)缸和一個(gè)停放制動(dòng)缸，停放制動(dòng)時(shí)，停放制動(dòng)缸只依靠彈簧力向踏面施加制動(dòng)力，且制動(dòng)缸無(wú)制動(dòng)壓力輸入。根據(jù)制動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，采用以下模型：由一個(gè)制動(dòng)缸模型來(lái)檢測(cè)和反映制動(dòng)缸或停放制動(dòng)缸的動(dòng)作。系統(tǒng)模型如圖3所示。具體部件可對(duì)照?qǐng)D2。

圖3 架控制動(dòng)系統(tǒng)模型

本次仿真試驗(yàn)中，以上海軌道交通1號(hào)線6改8工程增購(gòu)列車的一節(jié)動(dòng)車為例，制動(dòng)工況均以重車AW3模式進(jìn)行驗(yàn)證。總風(fēng)缸最大壓力1 MPa，正常工作壓力范圍0.75～0.9 MPa。空壓機(jī)壓力在0.75 MPa以下時(shí)開(kāi)始運(yùn)轉(zhuǎn)，壓力達(dá)到0.9 MPa時(shí)切斷，保證壓縮空氣供給系統(tǒng)不過(guò)壓。經(jīng)溢流閥作用降為0.85 MPa，保證總風(fēng)缸壓力處于正常工作范圍，繼而輸入總風(fēng)缸、制動(dòng)風(fēng)缸。懸掛風(fēng)缸是給空簧供風(fēng)，在AW3車況下，總風(fēng)壓力通過(guò)減壓閥，使得進(jìn)入空簧的壓力穩(wěn)定在0.6 MPa左右。系統(tǒng)先對(duì)總風(fēng)缸、制動(dòng)風(fēng)缸和懸掛風(fēng)缸進(jìn)行充氣，當(dāng)各風(fēng)缸達(dá)到額定氣壓后，再對(duì)各種制動(dòng)工況進(jìn)行仿真。圖4為穩(wěn)定時(shí)的風(fēng)缸壓力情況（總風(fēng)缸壓力與制動(dòng)風(fēng)缸壓力接近）。可以看出，總風(fēng)缸和制動(dòng)風(fēng)缸風(fēng)壓最終穩(wěn)定在0.83 MPa，懸掛風(fēng)缸壓力為0.63 MPa。

圖4 穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)的風(fēng)缸壓力

2.2 制動(dòng)模式仿真

常用制動(dòng)、緊急制動(dòng)和停放制動(dòng)輸入三階段信號(hào)，實(shí)現(xiàn)制動(dòng)、保壓、緩解三個(gè)過(guò)程。其中，停放制動(dòng)在施加時(shí)僅靠彈簧作用力；緩解時(shí)為充氣狀態(tài)。

2.2.1 常用全制動(dòng)和緊急制動(dòng)

空氣制動(dòng)單元制動(dòng)能力滿足AW3的列車。常用制動(dòng)時(shí)，輔助制動(dòng)模塊中控制停車制動(dòng)的雙向電磁閥得電，使氣路切斷，制動(dòng)風(fēng)缸的壓力空氣通入架控制動(dòng)模塊的稱重部，當(dāng)輸入壓力處于主調(diào)解器壓力和副調(diào)節(jié)器壓力之間時(shí)，按實(shí)際制動(dòng)氣壓輸出進(jìn)入制動(dòng)控制模塊。實(shí)際制動(dòng)氣壓與空氣懸掛裝置的氣壓成比例。常用制動(dòng)時(shí)，其對(duì)應(yīng)的電磁閥信號(hào)為失電，進(jìn)行充氣制動(dòng)。連通閥在常用制動(dòng)時(shí)為常開(kāi)狀態(tài)，兩軸的制動(dòng)缸壓力一致。

緊急制動(dòng)與常用制動(dòng)的區(qū)別，在于緊急制動(dòng)時(shí)無(wú)電制動(dòng)，僅靠空氣制動(dòng)完成。以緩解－制動(dòng)－緩解來(lái)模擬制動(dòng)系統(tǒng)的常用制動(dòng)和緊急制動(dòng)。常用全制動(dòng)和緊急制動(dòng)下的制動(dòng)缸壓力曲線如圖5所示?？梢钥闯觯o急制動(dòng)時(shí)制動(dòng)缸壓力更大，且制動(dòng)時(shí)間更短。當(dāng)車輛處于制動(dòng)工況時(shí)，常用制動(dòng)建立時(shí)間（制動(dòng)缸壓力上升到90%）為1.5 s，緊急制動(dòng)建立時(shí)間為1.3 s。

2.2.2 停放制動(dòng)

停放制動(dòng)時(shí)，列車為空車狀態(tài)，且設(shè)計(jì)中需滿足38‰的坡度要求。停放制動(dòng)由輔助制動(dòng)模塊中的雙向電磁閥控制實(shí)現(xiàn)。停車制動(dòng)緩解時(shí)，通往架控制動(dòng)模塊的氣路被截?cái)嗳T(mén)關(guān)斷，由制動(dòng)風(fēng)缸直接向兩軸的停放制動(dòng)缸充氣，因此該模塊中的電磁閥不動(dòng)作。根據(jù)氣路圖壓力開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)的停放制動(dòng)缸的完全緩解壓力為0.45 MPa。仿真得到的一、二軸停放制動(dòng)缸（BCP1 和 BCP2）壓力曲線如圖 6所示（BCP1與BCP2曲線基本重疊）。停放制動(dòng)缸在停放制動(dòng)緩解后壓力上升至所需的0.43 MPa，符合制動(dòng)設(shè)計(jì)結(jié)果。

圖5 制動(dòng)系統(tǒng)常用全制動(dòng)和緊急制動(dòng)的制動(dòng)缸壓力

圖6 停放制動(dòng)的停放制動(dòng)缸壓力

3 結(jié)語(yǔ)

本文運(yùn)用AMESim 仿真軟件，基于模型驅(qū)動(dòng)的仿真方法，完成了架控制動(dòng)系統(tǒng)各組成單元的建模，主要包括供風(fēng)模塊、停放制動(dòng)單元、緊急沖動(dòng)限制功能、制動(dòng)功能、連通模塊等。仿真信號(hào)的輸入采用模擬邏輯控制法，通過(guò)對(duì)電磁閥控制信號(hào)進(jìn)行設(shè)定，實(shí)現(xiàn)了階段制動(dòng)、階段緩解等控制邏輯的快速仿真。結(jié)合架控氣制動(dòng)系統(tǒng)的工作原理，仿真分析了階段常用制動(dòng)、緊急制動(dòng)和停放制動(dòng)等功能，并根據(jù)上海軌道交通1號(hào)線6改8工程增購(gòu)列車的制動(dòng)參數(shù)進(jìn)行了對(duì)比驗(yàn)證。仿真結(jié)果表明，架控氣制動(dòng)系統(tǒng)具有良好的控制精度和響應(yīng)速度，采用AMESim 軟件基于模型驅(qū)動(dòng)仿真方法研究制動(dòng)系統(tǒng)的特點(diǎn)是可行的。

［1］程暢棟，任得鵬，段繼超.地鐵車輛國(guó)產(chǎn)化架控制動(dòng)系統(tǒng)的應(yīng)用［J］.技術(shù)與市場(chǎng)，2011，18（7）：22.

［2］馬喜成，龍倩倩.地鐵車輛用EP 2002制動(dòng)控制系統(tǒng)［J］.機(jī)車電傳動(dòng)，2007（4）：38.

［3］張?zhí)燔?國(guó)產(chǎn)架控制動(dòng)系統(tǒng)在北京地鐵15號(hào)線的應(yīng)用［J］.鐵道機(jī)車車輛，2012，32（3）：88.

［4］呂曉輝.我國(guó)城軌車輛制動(dòng)系統(tǒng)介紹及選型［J］.城市軌道交通研究，2009（6）：56.

［5］王群偉，林祜亭，王新海，等.架控制動(dòng)系統(tǒng)及其在城軌車輛上的應(yīng)用［J］.鐵道機(jī)車車輛，2011，31（2）：31.

［6］馬喜成.上海軌道交通4號(hào)線地鐵車輛緊急制動(dòng)功能分析與計(jì)算［J］.電力機(jī)車與城軌車輛，2007，30（3）：27.

［7］陳飛，孫仁云，王波，等.基于AMESim 的CNG 發(fā)動(dòng)機(jī)高壓減壓閥建模與分析［J］.機(jī)床與液壓，2007，35（9）：195.

［8］趙飛.基于AMESim 的氣動(dòng)系統(tǒng)建模與仿真技術(shù)研究［D］.秦皇島：燕山大學(xué)，2010.

［9］左健民.液壓與氣壓傳動(dòng)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2012：209.