試析地鐵列車空氣制動系統(tǒng)仿真模型

張瑋

摘 要：對于地鐵列車來說，制動系統(tǒng)是其最重要的組成部分之一，該系統(tǒng)的質(zhì)量好壞將直接決定地鐵列車的制動性能。根據(jù)專家學者的專項研究，發(fā)現(xiàn)我們可以參考氣體流動理論，采用計算機軟件設(shè)計地鐵列車的制動系統(tǒng)仿真模型，用以模擬列車的常用、緊急、階段制動特點，計算出對應(yīng)的各部分空氣壓力，并進行試驗驗證。

關(guān)鍵詞：地鐵列車；空氣制動；仿真模型；AMESim軟件

地鐵列車中使用的制動系統(tǒng)是空氣制動系統(tǒng)，該系統(tǒng)通常采用微機控制，通過直通電進行空氣制動。地鐵制動系統(tǒng)中包括下列幾個主要的組成部分：制動指令發(fā)出與傳輸單元、BCU（制動控制）單元、基礎(chǔ)單元以及供風單元。傳統(tǒng)的列車空氣制動系統(tǒng)對其進行制動特性檢驗時，往往采用的是實際試驗方法。近年來，仿真模擬技術(shù)受到了更多的歡迎。國內(nèi)外的專家學者們利用MATLAB軟件和數(shù)值分析方法構(gòu)建出了具體的數(shù)學模型，發(fā)明了全新的針對性氣路仿真軟件AMESim。下面我們對典型的制動系統(tǒng)進行AMESim仿真模擬，并進行相應(yīng)的試驗驗證。

1.空氣制動系統(tǒng)

地鐵列車采用的制動系統(tǒng)通常為電空直通系統(tǒng)，是一種典型系統(tǒng)的的原理模型。整個系統(tǒng)中包括控制氣路以及動力氣路兩大部分，其中，控制氣路中有制動、緩解、緊急電磁閥以及空重車閥組成，通過控制各個電磁閥完成在中繼閥上方預(yù)控不同壓力的任務(wù)；動力氣路中包括中繼閥、副風缸、管道以及制動缸，中繼閥可以通過打開和關(guān)閉制動缸控制氣路，進而達到緩解和制動的基本作用。

當?shù)罔F列車收到司機室傳來的常用制動指令時，BCU就可以根據(jù)具體的制動要求以及氣壓實時調(diào)整具體的壓力輸出，空氣進入到制動缸以后制動缸中的活塞開始作用于閘片，進一步對踏面進行制動作用，通常這種制動發(fā)生在車速小于12km/h的低速過程中，整個制動過程中會有拖車動作。若是地鐵列車收到緊急停車指令，那么BCU將會輸出最大壓力，進行摩擦制動。另外，停放制動通常用在防止遛坡事故中。所以，分析地鐵列車的空氣制動系統(tǒng)，主要分析重點應(yīng)該是氣制動回路。

2.仿真模型的構(gòu)建

2.1基本原理

AMESim軟件中有多個元件庫，包括電子、液壓、氣動、控制、機械等等，根據(jù)標準氣動元件的組合搭配，可以建立起相應(yīng)的列車空氣制動系統(tǒng)模型，并不需要相對復(fù)雜的數(shù)學方程。

模型構(gòu)建的基本原理基于三個基本單元，包括容性、阻性以及感性單元。其中，容性單元中有著氣體的容腔，模型傳熱期間其內(nèi)部氣體便會發(fā)生相應(yīng)的動態(tài)變化，所以，容性單元的模擬模型是瞬時的。具體的壓力變化如式（1）所示：

（1）

式中，p表示的是容腔中的氣體產(chǎn)生的壓力， 分別表示有氣體質(zhì)量、溫度、體積變化導致的容腔氣體產(chǎn)生壓力。

阻性單元中不包含容腔，那么不涉及傳熱效應(yīng)，氣體壓強和溫度瞬間表示如式（2）所示：

（2）

式中，qm表示阻性單元的質(zhì)量流量， 表示元件兩端的壓差，兩者呈非線性關(guān)系。

感性單元則主要用于描述氣體具體的宏觀運動狀態(tài)和慣性，管道中的氣體運動特性可以通過伯努利方程表達。但是，通常情況下，氣體具有的質(zhì)量以及黏性都很低，慣性效應(yīng)并不予以考慮。

2.2模型構(gòu)建

空氣制動系統(tǒng)比較復(fù)雜，系統(tǒng)中涉及到的緊急、制動、緩解電磁閥可以統(tǒng)一采用通用型電磁閥代替，但是中繼閥以及空重車閥仍然需要進行二次開發(fā)模擬。采用AMESim軟件，依據(jù)上文中的基本原理，可以構(gòu)建出空氣制動系統(tǒng)的基本模型。模型中包含了系統(tǒng)中涉及到的所有元件裝置，信息流有氣動和控制信息，氣動信息由管路相連接，控制信息可以通過電磁閥控制。另外，f（x）表示的是空重車閥的輸出信號，其變化與空氣彈簧的壓力值有關(guān)。

EP單元為控制閥，可以根據(jù)制動指令調(diào)節(jié)中繼閥中的CV；空重車閥則表現(xiàn)出受到車輛載重的影響，CV壓力的具體變化；中繼閥的作用是將壓縮空氣的具體流量進行放大，可以等效為活塞缸，兩邊分別是制動缸產(chǎn)生壓力以及CV壓力。另外，對于該系統(tǒng)中的管路、風閥、防滑閥等元件，由于其容積變化相對較小，可以采用固定容積進行模擬。

3.結(jié)果驗證分析

構(gòu)建出仿真模型以后，便可以進行實際工況模擬，常見的工況包括常用制動、緊急制動以及階段制動。設(shè)計常用制動壓力CV為250kPa，時間為10s，將0-2s規(guī)定為緩解，2-6s規(guī)定為常用制動，6s以后則規(guī)定為再次緩解直到仿真結(jié)束，根據(jù)常用制動模擬仿真結(jié)果可以看出，CV壓力的變化要快于制動缸壓力響應(yīng)速度。出現(xiàn)這種現(xiàn)象，是因為中繼閥會受到結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生的背壓，同時，在制動緩解時CV壓力同樣下降速度要快于制動缸的壓力，二者之間出現(xiàn)的最大延時不大于0.5s。

緊急制動模擬時，將CV壓力設(shè)計為500kPa，根據(jù)仿真結(jié)果發(fā)現(xiàn)CV壓力變化與常用制動的變化趨勢是相同的，但是制動缸的壓力上升速度要大于常用制動工況。

階段制動工況下，設(shè)計仿真時間為20s，發(fā)現(xiàn)0-2s為緩解，2-12s表示階段制動，12s以后則是再次緩解直到仿真結(jié)束，結(jié)果顯示該過程中，制動缸壓力反應(yīng)慢于CV壓力。經(jīng)對比分析，該結(jié)果和常用制動以及緊急制動的結(jié)果是相同的。

4.結(jié)語

地鐵列車空氣制動系統(tǒng)經(jīng)過仿真模擬后，經(jīng)試驗驗證，發(fā)現(xiàn)常用制動以及緊急制動的制動缸壓力變化時間比仿真時間長1/10，滿足系統(tǒng)的功能條件。制動結(jié)束以后，中繼閥內(nèi)部元件可以起到有效的阻尼租用，進而誤差并不影響列車的正常使用。

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