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。
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
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
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
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
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。
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