電力機車列車管預(yù)控壓力控制仿真研究

賀元玉，王俊勇

（西南交通大學(xué) 機械工程學(xué)院，四川成都610031）

電力機車列車管預(yù)控壓力控制仿真研究

賀元玉，王俊勇

（西南交通大學(xué) 機械工程學(xué)院，四川成都610031）

列車制動系統(tǒng)是保證列車安全運行的關(guān)鍵技術(shù)，更加精確快速的控制列車管和制動缸壓力都對機車制動控制系統(tǒng)提出了更高的要求。以HXD2電力機車中使用的新型制動機為基礎(chǔ)，利用減壓閥、高速開關(guān)電磁閥、壓力傳感器、經(jīng)典PID控制的方式，以AMEsim軟件為平臺搭建機車列車管預(yù)控壓力控制系統(tǒng)（即均衡風(fēng)缸壓力控制），并分別仿真分析機車在充風(fēng)緩解、初制動、全制動（制動區(qū)）、緊急制動4個關(guān)鍵制動工況下對列車管預(yù)控壓力的控制特性。

機車制動；均衡風(fēng)缸；減壓閥；高速開關(guān)閥；PID控制；仿真

目前在我國高速、重載鐵路運輸發(fā)展進程中，以和諧系列電力機車為標(biāo)志，已經(jīng)廣泛使用以微型計算機為控制中心的第3代機車電空制動機。其通過在傳統(tǒng)空氣制動機基礎(chǔ)上添加中央處理單元、高速電磁閥、EP模塊等電氣控制部件，由制動控制單元（Brake Control Unit，以下簡稱BCU）計算發(fā)出制動動作指令，完成機車車輛的調(diào)速以及最終停車。第3代制動機實現(xiàn)了功能模塊的集成并且通過網(wǎng)絡(luò)通信完成指令及故障的迅速反饋。更加穩(wěn)定精確的控制列車管、制動缸壓力的變化。

1　均衡風(fēng)缸壓力控制系統(tǒng)機理分析

制動控制器（大閘）通過手柄驅(qū)動主軸，依靠齒輪傳動系統(tǒng)，帶動定位凸輪、開關(guān)凸輪，同時齒輪系統(tǒng)將驅(qū)動制動控制器內(nèi)部的角位移傳感器主軸旋轉(zhuǎn)，使傳感器碼器輸出相應(yīng)的電流信號（4～20 mA），以實現(xiàn)不同的制動控制指令輸出。BCU接收到對均衡風(fēng)缸壓力要求通過控制電磁閥完成壓力調(diào)節(jié)，形成對列車管預(yù)控壓力的輸出。

圖1　自動制動控制原理圖

均衡風(fēng)缸壓力調(diào)節(jié)模塊通過電磁閥，按照制動控制單元的目標(biāo)值對來自總風(fēng)缸的壓力空氣進行調(diào)節(jié)輸出，經(jīng)過中繼閥流量放大后進入列車管，完成對列車管壓力的控制。如圖1所示。

2　減壓閥模型建立

減壓閥通過控制閥口的開度來改變節(jié)流面積從而使流體的流速以及動能發(fā)生變化，形成不同的壓力損失，完成降低通過減壓閥后介質(zhì)壓力降低的功能。需要減壓閥保證出口壓力在一定的誤差范圍內(nèi)保持穩(wěn)定并且起到減壓和穩(wěn)壓的作用。此處選用的是減壓閥為直動式減壓閥，即通過跳崖旋鈕直接來調(diào)節(jié)調(diào)壓彈簧的壓力來改變閥的出口壓力。其屬于常用膜片式減壓閥，結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2　減壓閥結(jié)構(gòu)圖

2.1 力平衡方程

在調(diào)節(jié)減壓閥工作閥口開度大小的過程中，閥桿位移直接連接調(diào)壓彈簧與閥座之間的運動，從而形成與閥芯之間的工作閥口的調(diào)控。所以此處以閥桿為受力分析部件，如圖3所示，列出減壓閥內(nèi)部力平衡方程：

圖3　運動部件力平衡示意圖

根據(jù)牛頓第二定律，可運動部件的運動方程可以寫為：

式中m為可運動部件質(zhì)量，kg；h為閥芯開度，m；F1為調(diào)壓彈簧壓力，N；F2為復(fù)位彈簧復(fù)位力，N；Ff為摩擦阻力，N；A1為反饋壓力在膜片的有效作用面積，m2。

常用摩擦力經(jīng)驗公式為：

其中

式中Ffc為靜摩擦力，N；Ffv為庫倫摩擦力，N；Ffs為粘性摩擦力，N；Bv為粘性摩擦系數(shù)，N·s/m；v為可運動部件運動速度，m/s。

2.2流量表達式

根據(jù)sanvilleF.E.的研究，實際氣動元件的流量可以用式（5）、式（6）計算得出。

其中

式中A1為減壓閥等效通徑的面積，m2；PM，Pd為元件上、下游壓力，MPa；TM為元件上游溫度，K；σ為壓力比；b為臨界壓力比，b=0.2～0.5；

2.3基于AMEsim減壓閥PCD建模

根據(jù)建立的數(shù)學(xué)模型以及對減壓閥內(nèi)部結(jié)構(gòu)原理的分析，此處利用基于物理模型化的AMEsim軟件對減壓閥進行PCD建模如圖4所示。

圖4　減壓閥PCD模型

主要參數(shù)取值見表1。

表1　減壓閥仿真模擬主要參數(shù)表

3　高速開關(guān)閥模型建立

本文所分析研究的空氣制動控制模塊中，對均衡風(fēng)缸的壓力控制將以高速開關(guān)閥直接作為執(zhí)行元件，通過高速切換完成精確壓力的輸出。此處將需要3種類型的高速開關(guān)閥實現(xiàn)這一功能，分別為常閉式二位二通電磁閥、常開式二位三通電磁閥以及常閉式二位三通電磁閥。

3.1開關(guān)閥功能模塊分析

根據(jù)電磁閥的特點，可以將其分解為4個子模型，無論何種模式的開關(guān)閥，其工作機理均由電、磁、機械、流體4大功能模塊有機聯(lián)系完成，各模塊之間的作用關(guān)系如圖5所示。

（1）當(dāng)激勵前開關(guān)閥閥芯在彈簧復(fù)位力的作用下關(guān)閉閥口，關(guān)閉輸出閥口。

（2）在線圈感抗L和阻抗R的作用下使電磁線圈內(nèi)電流逐步上升。同時引起電磁力F的變化完成電磁轉(zhuǎn)換。在初期由于F較小不足以克服阻力從而閥芯處于靜止，當(dāng)電流增長到F足以克服阻力時閥芯開始運動，實現(xiàn)電—機械的轉(zhuǎn)換。

（3）當(dāng)激勵撤除，線圈中電流逐步下降，但在初期彈簧復(fù)位力不足以克服電磁力F，當(dāng)電磁力進一步減小小于彈簧復(fù)位力時，閥芯開始復(fù)位運動。

圖5　氣動高速開關(guān)閥功能模塊圖

3.2開關(guān)閥建模仿真

以二位三通電磁閥為例，模型根據(jù)對高速開關(guān)閥各功能模塊所用原理的分析，以A M Esim軟件為平臺建立如圖6所示模型。

圖6　二位三通常開電磁閥PCD建模

如圖所示，左側(cè)部分為電路以及磁路模塊，對BCU發(fā)出模擬信號進行電磁轉(zhuǎn)換，最終形成力的輸出完成對右側(cè)閥體動作的控制。

表2　高速開關(guān)閥主要仿真模擬參數(shù)

4　預(yù)控壓力控制系統(tǒng)建立

4.1PID控制原理

PID（比例—積分—微分）是一種線性控制器，在工業(yè)控制中廣泛應(yīng)用。其實質(zhì)為利用偏差，消除偏差。它根據(jù)給的目標(biāo)值yr（t）與實際的輸出值y0（t）構(gòu)成控制偏差e（t）：

如圖3所示，整個PID控制系統(tǒng)由模擬PID控制器和被控對象組成，輸入輸出關(guān)系為：

其相應(yīng)的傳遞函數(shù)為：

式中u（t）為控制器輸出的控制量；e（t）為偏差信號；Kp為比例系數(shù)；T1為積分時間常數(shù)；TD為微分時間常數(shù)。

4.2均衡風(fēng)缸壓力控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析

相對于HXD2機車通過單個兩位兩通常開電磁閥完成增壓的作用，采用如圖7所示的結(jié)構(gòu)，通過兩位兩通、兩位三通電磁閥的重疊布置來提高緩解功能的穩(wěn)定性，相互形成自動備用結(jié)構(gòu)。工作狀態(tài)中兩電磁閥同時收到相同的來自BCU指令。兩者均正常工作時由電磁閥2來連通增壓氣路。當(dāng)電磁閥2發(fā)生故障后，不需要BCU進行任何其他指令轉(zhuǎn)換，增壓功能自動由1、2電磁閥共同連通氣路進行實現(xiàn)。

圖7　均衡風(fēng)缸壓力控制系統(tǒng)

緊急制動電磁閥在工作過程中必須常得電，直到接收到來自BCU的緊急制動指令后，常用制動電磁閥是在進行常用制動調(diào)速、停車過程中進行工作。同時，當(dāng)常用制動電磁閥故障時，緊急排風(fēng)電磁閥也可以作為冗余。壓力傳感器將輸出壓力反饋給BCU從而實現(xiàn)精確的閉環(huán)控制，當(dāng)列車管出現(xiàn)泄漏等情況時，及時監(jiān)控壓力變化，從而保證機車緩解制動性能的穩(wěn)定。

根據(jù)圖7控制系統(tǒng)原理圖，使用前文所構(gòu)造減壓閥、高速開關(guān)閥PCD模型并利用AMEsim軟件中PID控制模塊，搭建列車管預(yù)控壓力控制系統(tǒng)如圖8所示：

5　仿真結(jié)果分析

參照HXD2機車制動機工作性能實測參數(shù)，列車管緩解到定壓600 kPa用時t=10.3 s，穩(wěn)定壓力值610.02 kPa；制動區(qū)實現(xiàn)階段減壓并且在全制動位列車管減壓170 kPa，壓力穩(wěn)定值435 kPa；緊急制動列車管壓力從定壓降至40 kPa用時9.45 s。本文設(shè)置在列車管定壓為600 kPa模式下進行模擬仿真。PID主要參數(shù)設(shè)置為Kp=1.2，KI=0.007，Kd=0（選擇經(jīng)典PID控制中的PI控制模式）。設(shè)置均衡風(fēng)缸容積為0.6 d m3，理想氣源壓力為900 kPa，減壓閥穩(wěn)定壓力值在650 kPa向緩解電磁閥進行供風(fēng)，緩解電磁閥節(jié)流孔有效面積A1=0.85 mm2，制動電磁閥節(jié)流孔有效面積A2=0.4 mm2。

模擬機車在初制動、全制動（制動區(qū)）以及緊急制動模式下均衡風(fēng)缸壓力控制曲線，以及在整個壓力調(diào)整過程中高速開關(guān)閥的動作曲線。

圖8　均衡風(fēng)缸控制系統(tǒng)PC D建模圖

5.1充氣緩解—初制動（減壓50 kPa）

在本次模擬仿真當(dāng)中從圖9所描述的仿真結(jié)果曲線可以看出：均衡風(fēng)缸壓力從0恢復(fù)至目標(biāo)壓力（定壓600 kPa），最終穩(wěn)定在600.84 kPa，用時t=9.85 s，滿足均衡風(fēng)缸恢復(fù)至定壓的時間小于9～11 s的要求。

初制動過程中均衡風(fēng)缸按照目標(biāo)設(shè)定減壓50 kPa，穩(wěn)定值為550.9 kPa，用時t=2 s，滿足要求在減壓（50 ±10）kPa情況下用時小于2～3 s，并且在達到穩(wěn)定值的前后制動電磁閥出現(xiàn)1次得失電調(diào)節(jié)，緩解電磁閥一直處于失電狀態(tài)。

圖9　初制動壓力變化以及電磁閥動作曲線

5.2制動區(qū)

當(dāng)司機控制自動制動控制器由初制動位緩慢至全制動位時，要求均衡風(fēng)缸能夠階段下降且能階段保壓，且在到全制動位時滿足減壓170kPa的要求。按圖1中設(shè)置目標(biāo)壓力，仿真20s開始進行階段比例降壓，經(jīng)過6s時間完成至全制動位，在整個過程中均衡風(fēng)缸壓力可以嚴(yán)格按照目標(biāo)壓力輸出，最后穩(wěn)定為432kPa，滿足要求?？梢钥闯鲈谡麄€制動區(qū)，制動電磁閥根據(jù)目標(biāo)壓力的連續(xù)變化，不斷做出壓力調(diào)整直至全制動位。

圖10　制動區(qū)壓力變化以及電磁閥動作曲線

5.3緊急制動

圖11　緊急制動壓力變化曲線

在緊急制動狀態(tài)下，通過BCU發(fā)出指令信號使得常用制動電磁閥以及緊急電磁閥同時得電，迅速排空均衡風(fēng)缸中的壓力空氣，并且緊急電磁閥保持得電狀態(tài)，避免在制動過程中出現(xiàn)緩解情況發(fā)生。仿真得到當(dāng)壓力降至39kPa經(jīng)過時間t=9.4s，滿足在定壓600kPa時，9～11s內(nèi)下降至40kPa以下的要求。

6　結(jié)束語

均衡風(fēng)缸壓力響應(yīng)直接決定著機車對列車管壓力的輸出，文中使用高速開關(guān)閥作為緊急、常用制動電磁閥，搭建重疊緩解模塊，同時利用減壓閥、經(jīng)典PID控制實現(xiàn)了對均衡風(fēng)缸壓力的控制。利用機車BCU發(fā)出模擬制動指令信號，通過高速開關(guān)閥的快速響應(yīng)，以小流量的方式迅速調(diào)節(jié)輸出壓力，達到列車管目標(biāo)壓力預(yù)控值。同時，通過對所搭建模型在充氣緩解、初制動、全制動（制動區(qū)）、緊急制動等關(guān)鍵制動工況下的列車管輸出壓力進行仿真，仿真結(jié)果滿足我國關(guān)于電力機車制動機的技術(shù)要求，同時與HXD2機車實際運行工況下性能參數(shù)以及壓力變化過程相符合，具有壓力穩(wěn)定值與目標(biāo)值誤差小，輸出信號穩(wěn)定，電磁閥動作響應(yīng)快速等特性，能夠為列車管壓力控制的研究提供一定的理論基礎(chǔ)。

［1］ TB 2056-89，電力機車制動機技術(shù)條件［S］.

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Simulation and Study on the Control of Electric Locomotive Brake Pipe Pre-control Pressure

HE Yuanyu，WANG Junyong
（School of Mechanical Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031 Sichuan，China）

The locomotive brake system is the key technology to ensure the safety of train operation，and precise and rapid control of the pressure of brake pipe and brake cylinder also puts forward higher requirements to the brake control system.In this paper，based on a new type brake widely applied on HXD2 loco motive，using relief valve，high-speed switch valve，pressure sensor，and classic PID control mode，a brake pipe pressure control system is built，and the control behavior of the loco motive in the situation of brake release，first pressure drop，brake application and emergency brake is simulated and analyzed.

loco motive brake；equalizing reservoir；relief valve；high-speed switch valve；PID control mode；simulation

U264.331+9

A doi：10.3969/j.issn.1008-7842.2015.04.09

1008-7842（2015）04-0040-05

9—）男，碩士研究生（

2015-01-31）