DK-2型制動機建模與試驗分析*

齊洪峰，黃曉旭，倪文波

(1 中車工業(yè)研究院有限公司，北京 100070；2 西南交通大學 機械工程學院，四川成都 610031)

DK-2型電力機車電空制動機(簡稱DK-2型制動機)，是在DK-1型電空制動機的基礎上，中國中車研究的新型機車制動機技術，吸收國外先進制動技術所研發(fā)的具備完善的微機模擬控制和網(wǎng)絡通信功能的新一代自動式電空制動機。可實現(xiàn)列車自動制動和機車單獨制動、緊急制動、后備空氣制動、停放制動控制以及電空聯(lián)合制動、斷鉤保護、列車充風流量檢測、無動力回送、制動機重聯(lián)、列車速度監(jiān)控配合等制動功能，具備單機自檢、故障診斷、數(shù)據(jù)記錄與存儲智能化、信息化功能，具備MVB、CAN等網(wǎng)絡通信功能，適應現(xiàn)代機車制動系統(tǒng)信息化以及網(wǎng)絡控制的發(fā)展要求[1]。

目前，DK-2型制動機已經(jīng)廣泛運用于HXD1、HXD3系列電力機車中，成為我國主型電力機車采用的制動機。在CJ200動力集中動車組上也得到了運用。充分了解DK-2型制動機性能對開展列車編組制動系統(tǒng)性能研究及制動機運用有重要意義。通過讀取DK-2型制動機制動控制單元BCU經(jīng)CAN總線發(fā)出的信息，得到在各工況下制動機的試驗數(shù)據(jù)。結(jié)合使用AMESim軟件建立的DK-2型制動機仿真模型，開展DK-2型制動機制動特性分析研究。

1 DK-2型制動機組成與原理[1-2]

DK-2型制動機系統(tǒng)各主要部件的控制框圖如圖1所示。系統(tǒng)主要包括制動控制器、制動系統(tǒng)顯示屏、制動控制單元BCU、空氣制動單元PBCU，以及多個反饋信息的壓力傳感器及壓力開關，共同完成對機車制動缸管和列車管的壓力控制。其中，制動控制器具有兩個操縱手柄：自動制動閥控制手柄(俗稱大閘)和單獨制動閥控制手柄(俗稱小閘)。均衡風缸控制模塊和預控風缸控制模塊包括：閉環(huán)模擬控制部件(調(diào)壓閥、高速電空閥、壓力傳感器)、流量計、塞門及氣路板。列車管控制模塊包括：中繼閥、中立模塊(中立閥、總風遮斷閥)、電動放風閥、緊急放風閥。

常用制動時，BCU接收自動制動閥指令，通過均衡風缸控制模塊和列車管控制模塊實現(xiàn)對列車管壓力控制。緊急制動時，BCU接收單獨制動閥指令，直接通過列車管控制模塊對列車管壓力進行控制。

BCU根據(jù)列車管減壓量(常用制動)或單獨制動閥指令(單獨制動)計算出預控風缸目標壓力，通過預控風缸控制模塊和分配閥均衡部控制制動缸管壓力。緊急制動時，為保證制動的可靠，列車管減壓直接控制分配閥動作，從而實現(xiàn)對機車制動缸管壓力的控制。

2 DK-2型制動機建模

根據(jù)各部件的工作原理，利用AMESim軟件建立均衡風缸控制模塊、列車管控制模塊(中繼閥、中立模塊、緊急放風閥、電動放風閥)、預控風缸控制模塊和分配閥模型。其中，分配閥直接控制制動缸的壓力升降，其工作性能直接關系到制動缸壓力控制的準確性。由于篇幅有限，在此僅介紹分配閥模型的建立過程。其余各閥結(jié)構相對簡單，采用同樣的方法即可建模。將所有部件制成超級元件后進行管路連接，得到完整的DK-2型制動機模型。

2.1 分配閥建模

分配閥模型如圖2所示，為109型分配閥，由主閥、均衡部和限壓閥組成。充風緩解時，列車管壓力增加使主活塞產(chǎn)生向下的作用力，主活塞桿下移至下端，連通兩條氣路：列車管→l2→l5→g1→g2→工作風缸，容積室下側(cè)→d1→r2→大氣。局部減壓時，主活塞桿上移，關閉g1→g2通路，同時連通另一條氣路：列車管→l3→l6→l10→l7→ju1→局減室/φ0.8 mm縮孔排向大氣。常用或緊急制動時，列車管壓力下降，主閥活塞上移至制動位。工作風缸通過→g2→r1→r2向容積室充風。緊急制動時，緊急增壓閥上方列車管壓力迅速下降，下方容積室壓力迅速上升，緊急增壓閥克服彈簧反力上升，溝通另一條總風向容積室充風通路，容積室壓力上升速度比常用制動更加迅速。列車管停止減壓后，在主活塞尾部穩(wěn)定彈簧的反力及主活塞自重的作用下，主活塞向下移動，切斷g2→r1通路，工作風缸停止向容積室及主活塞下部充風。部件F起限壓閥作用，限制制動缸最高壓力不超過460 kPa。制動缸壓力達到460 kPa后縮孔關閉，總風不再向制動缸充風。

圖1 DK-2型機車制動機系統(tǒng)各主要部件的控制框圖

接口1、2、3-列車管;接口4-制動缸;接口5-EP控制閥;A-主閥;B-均衡部;B1-進氣閥;B2-質(zhì)量塊;B3-排氣閥;B4-活塞膜板;C-緊急增壓閥;D-容積室;E-預控風缸;I-工作風缸;J-容積室;K-局減室。圖2 分配閥模型

常用制動或單獨制動時，電磁閥G得電，電磁閥H失電，用由EP模塊控制的預控風缸來控制均衡部，組成電子分配閥。為確保緊急制動的可靠，機車緊急制動時，優(yōu)先采用空氣分配閥來控制制動缸壓力。制動缸壓力作用在均衡部活塞膜板上腔。緊急制動時，電磁閥G失電，電磁閥H得電，容積室壓力代替預控風缸壓力作用在膜板下腔。發(fā)生制動作用時，預控風缸或容積室壓力升高，活塞膜板向上移動，打開進氣閥，接通總風到制動缸通路。列車產(chǎn)生常用制動作用時，其制動力的大小和制動缸壓力空氣的壓力大小成正比，而緊急增壓閥不動作。當制動缸壓力上升到活塞膜板上下腔壓力相同時，在均衡閥活塞的自重及均衡閥彈簧的作用下，均衡閥壓著均衡閥活塞桿一起下移，進氣閥關閉，總風停止向制動缸供風。充風緩解時，活塞膜板下腔壓力降低，活塞膜板向下移動，打開排氣閥。當制動缸壓力下降到一定值時，排氣閥關閉。

分配閥部分參數(shù)如表1所示。

表1 分配閥部分參數(shù)

緊急制動工況下，緊急增壓閥閥口位移如圖3所示。作用在彈簧腔的列車管壓力迅速下降，緊急增壓閥閥口打開，除工作風缸的充風通路外，增加了總風到容積室的充風通路。從圖4中可以看到，和常用制動時預控風缸的壓力變化相比，緊急制動時容積室壓力上升更加迅速，從而使均衡部能更快動作，制動缸壓力上升速度更快，制動更加可靠。

圖3 緊急增壓閥閥口位移-時間圖

圖4 容積室/預控風缸壓力-時間圖

用同樣的方法，建立均衡風缸控制模塊、中繼閥、中立閥、電動放風閥和預控風缸控制模塊模型。為了在視覺上簡化模型，且方便調(diào)用，將各仿真模型創(chuàng)建為超級元件。

2.2 DK-2型制動機建模

將各部件按照DK-2型制動機完整氣路原理圖[2]進行相應管路連接后得到DK-2型制動機模型，如圖5所示。常用制動時，電磁閥C2得電，電磁閥C1失電。大閘通過均衡風缸控制模塊以及列車管控制模塊中的中繼閥和中立模塊控制列車管壓力。部件H置1，部件I置0，預控風缸控制模塊接收根據(jù)列車管減壓量計算出的目標壓力信號，控制預控風缸壓力。單獨制動時，部件H置0，部件I置1，預控風缸控制模塊直接受小閘控制。緊急制動時，電磁閥C2失電，電磁閥C1得電，大閘輸入緊急制動指令控制兩個電動放風閥和緊急放風閥動作，列車管壓力迅速降為0。列車管和制動缸的部分參數(shù)如表2所示。

表2 DK-2型制動機模型部分參數(shù)

3 仿真分析

常用制動和緊急制動時，DK-2型制動機可在列車管定壓500 kPa和600 kPa兩種工況下工作。將模擬列車管定壓600 kPa下常用制動、緊急制動以及單獨制動工況。為了驗證模型的正確性，同時將仿真結(jié)果與在DK-2型制動機定置試驗臺上測得的數(shù)據(jù)進行對比分析。

A-大閘命令(常用制動)；B-均衡風缸控制模塊；C-列車管控制模塊；C1-電磁閥(緊急制動)；C2-電磁閥(常用制動)；C3-列車管；C4-大閘命令(緊急制動)；D-預控風缸目標壓力計算模塊；E-小閘命令；F-預控風缸控制模塊；G-制動缸。圖5 DK-2型制動機模型

圖6 常用制動性能

3.1 常用制動仿真分析

從第1 s開始，均衡風缸控制模塊輸入目標值500 kPa，模擬常用制動時減壓100 kPa工況。仿真結(jié)果如圖6(a)所示。同時，通過試驗臺上的工控機使列車管精確減壓100 kPa。試驗結(jié)果如圖6(b)所示。

從圖6中可以看出，仿真曲線和試驗曲線較為吻合。列車管和制動缸壓力變化趨勢均分別滯后于均衡風缸和預控風缸壓力。仿真曲線和試驗曲線中，列車管和均衡風缸均從第1 s開始減壓。仿真曲線中，均衡風缸到第5 s減壓至500.32 kPa，歷時4 s；列車管到第5.1 s減壓至502.52 kPa，歷時4.1 s；預控風缸從第2.1 s開始升壓，到第6 s升至244.56 kPa，歷時3.8 s；制動缸從第2.6 s開始升壓，到第6 s升至239.38 kPa，歷時3.4 s。試驗曲線中，均衡風缸到第5.1 s減壓至495 kPa，歷時4.1s；列車管到第5.4 s減壓至504 kPa，歷時4.4 s；預控風缸從第2.1s開始升壓，到第5.7 s升至246 kPa，歷時3.6 s；制動缸從第2.5 s開始升壓，到第5.9 s升至240 kPa，歷時3.4 s。

試驗結(jié)果輸出曲線由于是從試驗臺上解算通信數(shù)據(jù)包得出，其采樣間隔為0.1 s，而仿真曲線為0.01 s的計算輸出步長，仿真曲線要平滑得多。仿真數(shù)據(jù)中，列車管降至定壓時間比試驗實測數(shù)據(jù)快，是均衡風缸控制模塊中排氣電磁閥或其連接的節(jié)流孔有輕微堵塞或加工精度等原因，導致排氣面積小導致排氣速度稍小于理論值；另外實際元件中，均衡部活塞膜板變形后，上下膜板面積發(fā)生動態(tài)變化，而仿真中采用了固定值，導致制動缸最終壓力與試驗結(jié)果存在不同。

3.2 緊急制動仿真分析

從第1 s開始，輸入電動放風閥動作信號，使列車管壓力迅速降至0 kPa，實施緊急制動，仿真曲線如圖7(a)。同時，操作試驗臺大閘至緊急位，試驗曲線如圖7(b)所示。

圖7 緊急制動性能

仿真曲線和試驗曲線中，列車管均從第1 s開始減壓，第2.6 s降至0 kPa，減壓速率為312.5 kPa/s。仿真曲線中，制動缸從第1.7 s開始升壓，經(jīng)過3.3 s，第6 s 后壓力穩(wěn)定在450 kPa。試驗曲線中，制動缸從第1.6 s開始升壓，第5.7 s后壓力升至442 kPa，之后壓力緩慢上升，最后穩(wěn)定在450 kPa。

仿真結(jié)果基本與試驗相仿。仿真時制動缸壓力是直接上升到450 kPa并保持穩(wěn)定，而試驗時，壓力上升到400 kPa后上升速率趨于平緩，最后逐漸接近450 kPa。原因可能是仿真時未考慮摩擦力的影響，閥口可直接關閉；試驗時，閥口緩慢關閉，壓力逐漸趨于穩(wěn)定。

3.3 單獨制動仿真分析

從第1 s開始，輸入單獨制動信號，由EP模塊直接控制預控風缸壓力，仿真曲線如圖8(a)。同時，操作試驗臺上小閘至全制動位，試驗曲線如圖8(b)所示。

圖8 單獨制動性能

在仿真曲線和試驗曲線中，預控風缸壓力從第1 s上升，到第4.7 s、第4.6 s壓力穩(wěn)定在定壓300 kPa。上升過程有差別，可能是EP模塊的控制方法及參數(shù)設置有差別，仿真用的是PID控制方法，實際BCU中有可能采用了其他控制方法。

在仿真曲線和試驗曲線中，制動缸壓力第1.2 s開始上升，制動缸壓力基本在4.8 s后壓力穩(wěn)定在300 kPa左右。

4 結(jié) 論

從以上仿真結(jié)果可以看出，在對DK-2型制動機原理掌握的基礎上，利用AMESim軟件可以搭建復雜系統(tǒng)中各個元件的模型并進行封裝，建立界面簡潔的DK-2型制動機模型。對該模型在各個工況下的進行仿真并與試驗數(shù)據(jù)進行對比發(fā)現(xiàn)，仿真模型能較好地反應出該制動機的工作特性，驗證了仿真模型的正確性?？稍诖嘶A上進一步探究其制動性能，為DK-2型制動機控制編組列車制動系統(tǒng)的研究提供理論依據(jù)。