基于仿真技術(shù)的防滑試驗(yàn)方法研究*

曹宏發(fā)， 周 軍， 陳 偉， 林 洋， 李和平

(1 北京縱橫機(jī)電技術(shù)開發(fā)公司， 北京 100094;2 中國鐵道科學(xué)研究院 機(jī)車車輛研究所， 北京 100081)

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基于仿真技術(shù)的防滑試驗(yàn)方法研究*

曹宏發(fā)1,2， 周 軍1,2， 陳 偉1,2， 林 洋2， 李和平1,2

(1 北京縱橫機(jī)電技術(shù)開發(fā)公司， 北京 100094;2 中國鐵道科學(xué)研究院 機(jī)車車輛研究所， 北京 100081)

防滑試驗(yàn)臺(tái)是防滑控制裝置進(jìn)行功能測(cè)試及相關(guān)理論研究的有效驗(yàn)證平臺(tái)。通過對(duì)防滑試驗(yàn)仿真技術(shù)的研究, 提出利用數(shù)學(xué)建模方法建立試驗(yàn)臺(tái)的各項(xiàng)測(cè)試功能，形成一套快捷的低成本實(shí)現(xiàn)方案。防滑試驗(yàn)仿真系統(tǒng)按功能分為黏著模塊，旋轉(zhuǎn)動(dòng)力學(xué)模塊,氣動(dòng)模塊和試驗(yàn)控制模塊，論述了各模塊的理論技術(shù)及仿真建模方法。以CRH3動(dòng)車組制動(dòng)系統(tǒng)各項(xiàng)參數(shù)為例，利用ES1000實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)建立了防滑仿真試驗(yàn)臺(tái)，并進(jìn)行了干軌和濕軌的防滑仿真試驗(yàn)。仿真試驗(yàn)結(jié)果表明，防滑系統(tǒng)在輪對(duì)滑行過程中能有效調(diào)節(jié)制動(dòng)缸壓力，使得實(shí)際施加于輪對(duì)的制動(dòng)力未超過輪軌最大黏著力，避免了輪對(duì)滑行，驗(yàn)證了該仿真試驗(yàn)臺(tái)方案的可行性和各功能模塊建模的正確性。

防滑控制； 仿真試驗(yàn)； 旋轉(zhuǎn)動(dòng)力學(xué)； 黏著特性

防滑控制是制動(dòng)控制的關(guān)鍵技術(shù)之一，防滑控制裝置的性能直接關(guān)系到制動(dòng)部件甚至整個(gè)動(dòng)車組的安全，必須經(jīng)過充分的試驗(yàn)驗(yàn)證和性能檢驗(yàn)。防滑控制裝置的相關(guān)試驗(yàn)主要分為兩類，一類是仿真臺(tái)架試驗(yàn)，另一類是裝車后的線路試驗(yàn)。在防滑控制系統(tǒng)的研制過程中，相對(duì)于線路試驗(yàn)，仿真臺(tái)架試驗(yàn)可以大大的提高研究效率，節(jié)省開發(fā)、試驗(yàn)的費(fèi)用和周期等，因此仿真臺(tái)架試驗(yàn)是對(duì)防滑控制進(jìn)行理論研究、研發(fā)指導(dǎo)、性能考核的必經(jīng)之路，也是相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的明確要求[1-2]。

仿真臺(tái)架是一套硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)，根據(jù)試驗(yàn)要求可以劃分為多個(gè)功能模塊，每個(gè)功能模塊可以根據(jù)實(shí)際情況決定是采用實(shí)際部件還是利用軟件進(jìn)行建模仿真，如果是實(shí)際部件需要通過I/O板卡連入與硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)，最后通過硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)將軟件和硬件兩部分的信號(hào)聯(lián)合處理，共同完成對(duì)防滑控制裝置試驗(yàn)條件和環(huán)境參數(shù)的模擬。

主要研究用于制動(dòng)防滑控制裝置的仿真試驗(yàn)技術(shù)，通過軟件建模完成該系統(tǒng)的各項(xiàng)功能。防滑控制裝置是仿真試驗(yàn)的測(cè)試對(duì)象，文中首先介紹了防滑控制裝置的工作原理和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，并歸納了防滑標(biāo)準(zhǔn)對(duì)仿真試驗(yàn)臺(tái)的相關(guān)要求；然后，根據(jù)系統(tǒng)需求，將防滑試驗(yàn)仿真劃分為若干功能模塊，對(duì)每個(gè)功能模塊涉及的理論技術(shù)進(jìn)行了較深入研究并制定了實(shí)現(xiàn)方案；最后，根據(jù)軟、硬件實(shí)現(xiàn)方案搭建了仿真試驗(yàn)臺(tái)，并對(duì)防滑控制系統(tǒng)進(jìn)行了部分仿真試驗(yàn)，通過與線路試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比驗(yàn)證了該仿真試驗(yàn)結(jié)果的可信性，滿足防滑標(biāo)準(zhǔn)的要求。

1 仿真試驗(yàn)對(duì)象和需求

防滑控制裝置的結(jié)構(gòu)和原理如圖1所示，四軸速度傳感器的脈沖信號(hào)經(jīng)處理后，計(jì)算出各軸的速度和減速度，并將各軸的轉(zhuǎn)動(dòng)線速度與車輛運(yùn)動(dòng)速度進(jìn)行比較得到相應(yīng)的速度差、滑移率。將各軸的減速度、速度差和滑移率分別與相應(yīng)的判據(jù)進(jìn)行比較，當(dāng)達(dá)到有關(guān)的判據(jù)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，立即控制防滑閥動(dòng)作，以使達(dá)到調(diào)節(jié)實(shí)際制動(dòng)力的目的。

圖1 防滑控制裝置的結(jié)構(gòu)和原理圖

防滑標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)定了列車加裝WSP系統(tǒng)后的目標(biāo)：

(1)較低黏著條件下的制動(dòng)距離相對(duì)于干軌條件下的增加幅度盡可能?。?/p>

(2)盡可能降低滑行和抱死現(xiàn)象的發(fā)生；

以上目標(biāo)就構(gòu)成了對(duì)防滑控制裝置的試驗(yàn)要求，也就是對(duì)仿真試驗(yàn)臺(tái)測(cè)試能力的評(píng)價(jià)要求：

(1)能夠?qū)Ω鞣N工況下的制動(dòng)距離進(jìn)行仿真計(jì)算；

(2)能夠檢測(cè)出仿真試驗(yàn)過程中的滑行和軸抱死現(xiàn)象。

仿真試驗(yàn)臺(tái)搭建完成后需要進(jìn)行機(jī)能確認(rèn)試驗(yàn)。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求，確認(rèn)試驗(yàn)的方法如下：在干軌條件下，記錄仿真試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行緊急制動(dòng)的制動(dòng)距離，并與同樣車輛參數(shù)的相同速度等級(jí)的線路緊急制動(dòng)的制動(dòng)距離進(jìn)行比較。兩個(gè)制動(dòng)距離的差異在±5%以內(nèi)，則認(rèn)為仿真試驗(yàn)臺(tái)的模擬精度符合要求。

2 防滑試驗(yàn)仿真技術(shù)的實(shí)現(xiàn)方案

仿真試驗(yàn)臺(tái)的功能是對(duì)制動(dòng)防滑控制裝置進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)，它通過傳感器采集被試裝置的輸出信號(hào)，并給被試裝置提供必要的輸入信號(hào)，還能夠根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和試驗(yàn)人員的要求模擬包括故障在內(nèi)的各種試驗(yàn)工況并具有試驗(yàn)結(jié)果評(píng)價(jià)和報(bào)告生成的功能。如圖2所示，整個(gè)系統(tǒng)按功能分為幾大部分：黏著模塊、旋轉(zhuǎn)動(dòng)力學(xué)模塊、氣動(dòng)模塊、試驗(yàn)控制模塊等，這個(gè)系統(tǒng)和防滑控制裝置(WSP)一起形成了一套閉環(huán)試驗(yàn)系統(tǒng)。

圖2 仿真試驗(yàn)臺(tái)功能架構(gòu)

通過一套仿真系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)仿真臺(tái)架各項(xiàng)功能，上述各模塊可以是真實(shí)部件試驗(yàn)臺(tái)，也可以是通過函數(shù)建立的數(shù)學(xué)模型。例如，黏著模塊和旋轉(zhuǎn)動(dòng)力學(xué)模塊可以通過滾動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)來實(shí)現(xiàn)[3]。利用滾動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)，可以更精確地模擬不同黏著條件，可以更直接更準(zhǔn)確地體現(xiàn)輪對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)特性，但滾動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)的建造成本和周期是這一方案最大的劣勢(shì)。因此，在本方案中采用數(shù)學(xué)建模方式實(shí)現(xiàn)各模塊的功能。

2.1 黏著模塊

黏著模塊的主要功能是根據(jù)試驗(yàn)工況和環(huán)境因素對(duì)輪軌間的黏著系數(shù)進(jìn)行建模，并計(jì)算出當(dāng)前實(shí)際利用的黏著系數(shù)。黏著系數(shù)是影響輪軌行為的核心參數(shù)，但當(dāng)前輪軌間的瞬時(shí)利用黏著系數(shù)是無法實(shí)時(shí)地直接進(jìn)行采集的，需要通過數(shù)學(xué)建模來進(jìn)行仿真計(jì)算。

黏著模塊分為微觀模型和宏觀模型兩部分：微觀模型包括直接影響瞬時(shí)利用黏著系數(shù)的因素；宏觀模型包括僅影響?zhàn)ぶ禂?shù)趨勢(shì)的因素。黏著模塊的結(jié)構(gòu)如圖3所示：

圖3 黏著模塊功能結(jié)構(gòu)圖

微觀黏著模型通過滑移率與利用黏著系數(shù)的關(guān)系曲線(即黏著特性曲線)來實(shí)現(xiàn)[4]，決定了在外部條件一定的情況下，不同的滑行階段對(duì)應(yīng)的微觀黏著系數(shù)，如圖4所示。

圖4 黏著特性曲線

圖4中，在微觀滑行(蠕滑)區(qū)內(nèi)，隨著滑移率的增大，黏著系數(shù)在α點(diǎn)(蠕滑力飽和點(diǎn)達(dá)到最大值，此時(shí)滑移率約為1.5%；在宏觀滑行區(qū)，隨著滑移率的增大，黏著系數(shù)在β點(diǎn)又達(dá)到另一個(gè)最大值，此時(shí)滑移率約為5～25%。隨著壓縮變形量的增大，黏著力也相應(yīng)增大，當(dāng)?shù)搅俗冃瘟窟_(dá)到最大值時(shí)，黏著力也到達(dá)最大值；由于產(chǎn)生宏觀滑移，微觀變形量相應(yīng)減小，黏著力也隨之下降，但隨著滑移率的增大，接觸點(diǎn)的數(shù)目增加，因此會(huì)產(chǎn)生峰值 ，當(dāng)滑移率再增大，接觸點(diǎn)的數(shù)目不再增加，而微觀變形量進(jìn)一步減小，導(dǎo)致黏著力繼續(xù)下降。

宏觀黏著模型根據(jù)車輛速度、溫度、材料等外部因素對(duì)微觀黏著模型輸出值進(jìn)行連續(xù)處理，以百分比的形式改變其大小，等效于按一定比例改變黏著特性曲線(圖4)的縱坐標(biāo)軸。這些因素對(duì)黏著系數(shù)的影響主要通過對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的統(tǒng)計(jì)規(guī)律進(jìn)行研究所得，因此僅影響?zhàn)ぶ禂?shù)的變化趨勢(shì)。

為了方便試驗(yàn)人員，該模塊能夠根據(jù)人工設(shè)定值和試驗(yàn)采集的實(shí)際黏著系數(shù)來調(diào)整最終輸出的瞬時(shí)可利用黏著系數(shù)。

黏著模塊涉及到的理論主要有：利用黏著系數(shù)與滑移率的微觀關(guān)系研究；研究溫度、材料等因素對(duì)輪軌黏著系數(shù)的影響。

2.2 氣動(dòng)模塊

氣動(dòng)模塊是被試防滑裝置的動(dòng)作執(zhí)行機(jī)構(gòu)，利用兩個(gè)電磁閥的狀態(tài)切換來調(diào)節(jié)從中繼閥出口至制動(dòng)缸(制動(dòng)夾鉗)的壓力，從而影響施加于輪對(duì)的摩擦制動(dòng)力的大小，如圖5中的紅框部分所示。

圖5 氣動(dòng)模塊部件圖

防滑閥由充風(fēng)電磁閥和排風(fēng)電磁閥組成，其工作原理如圖6所示。當(dāng)兩個(gè)電磁閥均不得電時(shí)，防滑閥處于充風(fēng)狀態(tài)，沒有任何壓力調(diào)節(jié)作用，制動(dòng)缸的壓力與中繼閥輸出壓力一致，如圖6(a)所示。當(dāng)充風(fēng)電磁閥得電、排風(fēng)電磁閥失電時(shí)，制動(dòng)缸與中繼閥不連通，制動(dòng)缸壓力維持不變，處于保壓狀態(tài)，如圖6(b)所示。當(dāng)兩個(gè)電磁閥均得電時(shí)，制動(dòng)缸與中繼閥不連通，同時(shí)制動(dòng)缸與大氣聯(lián)通，其壓力迅速降低，防滑閥處于排風(fēng)狀態(tài)，如圖6(c)所示。

圖6 防滑電磁閥工作原理圖

氣動(dòng)模塊可以用實(shí)物搭建，只需要在圖5的基礎(chǔ)上在每個(gè)軸增加一個(gè)制動(dòng)缸壓力傳感器，通過傳感器將采集到的制動(dòng)缸壓力傳給仿真臺(tái)架；如果用數(shù)學(xué)模型進(jìn)行仿真，則需要對(duì)防滑閥的控制指令進(jìn)行采集，然后由專業(yè)流體仿真軟件AMESim進(jìn)行仿真計(jì)算。

根據(jù)防滑閥的工作原理，在AMESim中建立防滑閥的仿真模型，并根據(jù)閥實(shí)際的物理幾何參數(shù)給仿真模型賦值，仿真模型如圖7所示。

圖7 防滑閥仿真模型

圖8所示為防滑閥性能試驗(yàn)測(cè)試的氣動(dòng)原理圖，測(cè)試管路的公稱通徑φ≥12。測(cè)試內(nèi)容主要包括：快速充風(fēng)和階段緩解能力、全緩解能力、階段充風(fēng)能力等。

圖8 防滑閥性能試驗(yàn)氣動(dòng)原理圖

2.3 旋轉(zhuǎn)動(dòng)力學(xué)模塊

旋轉(zhuǎn)動(dòng)力學(xué)模塊主要根據(jù)作用于輪對(duì)的力矩獲得輪對(duì)當(dāng)前的旋轉(zhuǎn)速度。制動(dòng)過程中，輪對(duì)的切向作用力有兩個(gè)：制動(dòng)盤與閘片的摩擦力，輪軌間的黏著力。如圖9所示，在制動(dòng)時(shí)，摩擦力使輪對(duì)減速轉(zhuǎn)動(dòng)，黏著力使輪對(duì)加速轉(zhuǎn)動(dòng)。本模塊結(jié)構(gòu)如圖10所示，主要包含3個(gè)模型：黏著力模型、摩擦力模型和轉(zhuǎn)動(dòng)慣性模型[5]。

黏著力模型根據(jù)本文2.1部分的黏著模塊獲得的瞬時(shí)可利用黏著系數(shù)μad，考慮坡道的因素，由式(1)可以計(jì)算出輪軌間的黏著力Fad：

圖9 制動(dòng)時(shí)輪對(duì)切向受力分析圖

圖10 旋轉(zhuǎn)動(dòng)力學(xué)模塊功能結(jié)構(gòu)圖

(1)

其中mbr為輪對(duì)制動(dòng)質(zhì)量，kg；ga為軌道坡度，‰；g為重力加速度，g=9.81 m/s2。

摩擦力模型計(jì)算作用于輪對(duì)制動(dòng)盤的閘片摩擦力Ffr，需要考慮基礎(chǔ)制動(dòng)的部件特性，包括傳動(dòng)特性、摩擦特性等，但其核心是根據(jù)制動(dòng)缸壓力Pc由式(2)計(jì)算得出作用于制動(dòng)盤表面的摩擦力：

(2)

其中Pc為制動(dòng)缸壓力，kPa；Ak為制動(dòng)閘片表面積，cm2；Fs為制動(dòng)夾鉗單元內(nèi)部的彈簧回復(fù)力，kN；ηl為制動(dòng)夾鉗的傳動(dòng)效率；rl為制動(dòng)夾鉗的杠桿比；Np為每個(gè)軸安裝制動(dòng)夾鉗的個(gè)數(shù)；μfr為制動(dòng)閘片與制動(dòng)盤間的摩擦系數(shù)。

根據(jù)制動(dòng)盤與閘片的摩擦力和輪軌間的黏著力，在轉(zhuǎn)動(dòng)慣性模型中就可以由公式(3)的轉(zhuǎn)動(dòng)定律計(jì)算出當(dāng)前輪對(duì)的瞬時(shí)轉(zhuǎn)速。

(3)

其中ω0為上一時(shí)刻輪對(duì)角速度，rad/s；rw為車輪半徑，m；rm為有效制動(dòng)半徑，m；Jw為輪對(duì)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，kg·m2。

根據(jù)式(3)可以變形為式(4)，便于對(duì)輪對(duì)角速度變化趨勢(shì)進(jìn)行解釋：

(4)

其中ω'為輪對(duì)角加速度；μad為利用黏著系數(shù)；Pc為制動(dòng)缸實(shí)際壓力；A為黏著力矩計(jì)算常數(shù)；B為摩擦力矩計(jì)算常數(shù)。

分析理論基礎(chǔ)：輪對(duì)上的角加速度、黏著系數(shù)和制動(dòng)力矩總會(huì)趨于一個(gè)平衡狀態(tài)。

無制動(dòng)力時(shí)：輪對(duì)無力矩作用，車輛處于靜止或惰行狀態(tài)，此時(shí)輪軌處于靜止或純滾動(dòng)狀態(tài)。

施加制動(dòng)力時(shí)：軸速減速，使滑移率增加，黏著力增加，軸減速趨勢(shì)變慢，直至達(dá)到平衡；當(dāng)車速降低時(shí)，在一條新的黏著特性曲線上達(dá)到新的平衡。

超過黏著時(shí)：滑移率不斷增加，直至最大值時(shí)軸速仍然處于大減速階段，越過峰值點(diǎn)后減速度不斷增加，滑移率更加惡化。

防滑閥動(dòng)作降低制動(dòng)缸壓力時(shí)：降低軸速的減速趨勢(shì)，使滑移率逐漸減小，同時(shí)黏著力緩慢增加，最終使得軸速加速，進(jìn)行黏著恢復(fù)。

旋轉(zhuǎn)動(dòng)力學(xué)模塊涉及到的理論主要有：輪對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量測(cè)量計(jì)算方法研究；制動(dòng)閘片摩擦力與制動(dòng)缸壓力的動(dòng)態(tài)關(guān)系研究；測(cè)力輪對(duì)的方法研究等。

2.4 試驗(yàn)控制模塊

模塊主要實(shí)現(xiàn)兩部分功能：一是根據(jù)要求的試驗(yàn)條件和試驗(yàn)項(xiàng)目，對(duì)車輛參數(shù)和環(huán)境參數(shù)進(jìn)行設(shè)定；二是進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理和結(jié)果判定。

(1)模塊中需要設(shè)定的車輛參數(shù)。

①輪對(duì)的輪徑

②動(dòng)/拖軸

③車重/軸重

④負(fù)載軸重條件下的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量

(2)需要設(shè)定的試驗(yàn)參數(shù)。

①制動(dòng)初速度和終止速度

②制動(dòng)減速度

③坡道大小

(3)在每次試驗(yàn)過程中，需要處理的試驗(yàn)結(jié)果

①制動(dòng)距離

②滑行程度/軸抱死

3 仿真試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)文中對(duì)試驗(yàn)臺(tái)的仿真技術(shù)的實(shí)現(xiàn)方案，利用ES1000實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)進(jìn)行了模型建立和初步仿真試驗(yàn)。

ES1000是ETAS公司的快速原型系統(tǒng)。用戶可在圖形化模型或C代碼的基礎(chǔ)上進(jìn)行軌道電子系統(tǒng)原型開發(fā)，形成支持功能開發(fā)的集成試驗(yàn)平臺(tái)。ES1000采用模塊化硬件系列，可根據(jù)具體需要對(duì)板卡進(jìn)行選擇和配置。

基于ES1000搭建的仿真試驗(yàn)臺(tái)如圖11所示，試驗(yàn)臺(tái)包括真實(shí)的制動(dòng)系統(tǒng)氣動(dòng)部件(防滑閥、制動(dòng)缸、管路等)和制動(dòng)控制單元(包括直通電控制動(dòng)控制功能和防滑控制功能)，其他試驗(yàn)環(huán)節(jié)均由ES1000環(huán)境仿真建模實(shí)現(xiàn)。ES1000的硬件主要規(guī)格如下：

①IBM 750 GX PowerPC，時(shí)鐘頻率1 GHz；1 MB L2高速緩存；256 MB SDRAM。

②4路獨(dú)立的電隔離CAN通道，采用ISO高速物理層，最大數(shù)據(jù)傳輸速率為1 MB。

③16路數(shù)字輸入，0 V到36 V。

④16路并行PWM輸出端口。

⑤16路單獨(dú)的16Bit A/D轉(zhuǎn)換器，最大采樣頻率為100 kHz；輸入電壓范圍：±100 V。

圖11 基于ES1000的仿真試驗(yàn)臺(tái)

以CRH3動(dòng)車組各項(xiàng)參數(shù)建立了試驗(yàn)臺(tái)各仿真模型，包括旋轉(zhuǎn)動(dòng)力學(xué)模塊和黏著模塊，而氣動(dòng)模塊則由實(shí)物組成。將防滑閥的控制信號(hào)通過IO發(fā)出，通過壓力傳感器測(cè)量制動(dòng)缸壓力，并將旋轉(zhuǎn)動(dòng)力學(xué)模塊模型計(jì)算出的軸速通過PWM頻率量發(fā)給WSP的速度傳感器。然后分別在干軌、濕軌條件下運(yùn)行仿真模型，對(duì)一個(gè)拖軸輪對(duì)進(jìn)行仿真，主要參數(shù)如下：

①制動(dòng)初速度：300 km/h

②制動(dòng)方式：純空氣制動(dòng)

③中繼閥輸出壓力：

260 kPa(速度大于200 km/h)

410 kPa(速度小于200 km/h)

④軸重：17 t。 在干軌條件下的仿真結(jié)果如圖12所示，在整個(gè)制動(dòng)過程中利用黏著系數(shù)未超過干軌實(shí)際黏著系數(shù)，未出現(xiàn)滑行和軸抱死，制動(dòng)距離為3 263 m，實(shí)車300 km/h純空氣緊急制動(dòng)的制動(dòng)距離3 314 m[6]，相對(duì)誤差1.5%，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。從圖12中可知，利用黏著系數(shù)的最大值為0.09，出現(xiàn)在車速139 km/h處，此時(shí)滑移率為10.3%。

圖12 仿真試驗(yàn)臺(tái)干軌運(yùn)行結(jié)果

在濕軌條件下的仿真結(jié)果如圖13所示，試驗(yàn)方法是人為地降低整個(gè)軌道的輪軌黏著系數(shù)。從圖中可以明顯看出，沒有WSP系統(tǒng)的參與，輪對(duì)很快出現(xiàn)滑行，直至抱死。與干軌試驗(yàn)對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，以列車速度139 km/h時(shí)為例，實(shí)際利用的黏著系數(shù)為0.04，遠(yuǎn)小于維持制動(dòng)力需要的黏著系數(shù)0.09。通過此項(xiàng)試驗(yàn)驗(yàn)證了黏著模型的有效性。

圖13 仿真試驗(yàn)臺(tái)濕軌運(yùn)行結(jié)果(不含WSP功能)

在濕軌試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，增加了WSP對(duì)制動(dòng)缸壓力的調(diào)節(jié)功能，如圖14所示。結(jié)果顯示，通過WSP對(duì)制動(dòng)缸壓力的調(diào)節(jié)作用，使得實(shí)際施加于輪對(duì)的制動(dòng)力未超過輪軌黏著可以提供的最大值，避免輪對(duì)出現(xiàn)滑行。

圖14 仿真試驗(yàn)臺(tái)濕軌運(yùn)行結(jié)果(含WSP功能)

4 結(jié)束語

仿真試驗(yàn)是防滑控制技術(shù)研發(fā)和測(cè)試的必要平臺(tái)，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)也對(duì)此做了詳細(xì)要求。仿真試驗(yàn)臺(tái)的搭建涉及到車輛、材料、力學(xué)、流體等多學(xué)科理論研究成果，而且需要根據(jù)實(shí)際線路試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行不斷地完善和修正，是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，難度很大。

通過研究，結(jié)合現(xiàn)有相關(guān)研究成果，初步梳理了試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)和仿真實(shí)現(xiàn)方案，提出了防滑試驗(yàn)臺(tái)的模型架構(gòu)及相互關(guān)系，并研究了各部分模型的數(shù)學(xué)建模方法，為后續(xù)的深入研究奠定了基礎(chǔ)。

搭建了半實(shí)物防滑仿真試驗(yàn)臺(tái)，通過相關(guān)干、濕軌仿真試驗(yàn)，驗(yàn)證了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的可行性和仿真模型的準(zhǔn)確性。

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Research on Anti-Sliding Test Method Based on Simulation Technology

CAOHongfa1,2,ZHOUJun1,2,CHENWei1,2，LINYang2,LIHeping1,2

(1 Beijing Zongheng Electro-Mecharical Technology Development Co, Beijing 100094, China; 2 Locomotive & Car Research Institute, China Academy of Railway Science, Beijing 100081, China)

Test rig can provide a powerful platform for related theoretical studies and function tests of anti-skid control device. According to the research of simulation technology, the mathematical modeling method is proposed for realizing the test function of test rig, which is a low-cost and fast-implementation approach. The simulation test is divided into four function modules: adhesion module, rotating dynamics module, pneumatic module, and test control module. The theory and technology, simulation methods involved in each module are studied in detail. Based on the control parameters of brake system for CRH3, a simulation test rig is established using ES1000 real-time simulation system, and the related anti-sliding simulation tests for dry-rail and wet-rail are implemented. The simulation test results show that the WSP system can availably adjust the cylinder pressure and the brake force executed on wheel-set will not exceed the maximal adhesion force between wheel and rail, so the wheel slide should be avoided. Therefore, the feasibility for proposed the simulation test rig and the models' correctness of each module are verified.

anti-sliding control; simulation test; rotating dynamics theory; adhesion characteristics

1008-7842 (2015) 03-0011-06

*中國鐵路總公司科技開發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2013J008-B)(2014J004-G)

??)男，副研究員(

2014-12-22)

U260.37

A

10.3969/j.issn.1008-7842.2015.03.03