城市軌道交通車輛防滑系統(tǒng)故障分析與仿真*

（同濟(jì)大學(xué)鐵道與城市軌道交通研究院，200092，上?！蔚谝蛔髡?，碩士研究生）

城市軌道交通車輛防滑系統(tǒng)故障分析與仿真*

王宗明 左建勇 吳萌嶺

（同濟(jì)大學(xué)鐵道與城市軌道交通研究院，200092，上?！蔚谝蛔髡?，碩士研究生）

介紹了城市軌道交通車輛制動(dòng)系統(tǒng)以及防滑系統(tǒng)的構(gòu)成。對(duì)防滑閥故障特征進(jìn)行了分析。提出了用于檢測(cè)防滑閥的算法流程。采用故障再現(xiàn)理念，基于AMESim仿真軟件建立了制動(dòng)系統(tǒng)仿真模型。該模型能夠反映制動(dòng)發(fā)生滑行時(shí)防滑控制的特性。在此基礎(chǔ)上，模擬了防滑閥的故障狀態(tài)。仿真結(jié)果表明，對(duì)防滑閥的故障分析是正確的。

城市軌道交通車輛；防滑系統(tǒng)；故障分析

First-author's address Institute of Railway and Urban Mass Transit，Tongji University，200092，Shanghai，China

城市軌道交通車輛采用電氣指令微機(jī)控制直通式制動(dòng)系統(tǒng)，空電復(fù)合制動(dòng)、再生優(yōu)先控制。其普遍使用微機(jī)式防滑裝置，通過微機(jī)來判斷滑行，并向防滑閥發(fā)出邏輯控制。該種防滑裝置的特點(diǎn)是計(jì)算速度快，檢測(cè)靈敏度更高，能更好地利用粘著［1］。

防滑器在實(shí)際運(yùn)用過程中會(huì)發(fā)生許多故障［2］。防滑系統(tǒng)發(fā)生故障會(huì)使得滑行失控，可能會(huì)造成嚴(yán)重的后果。因此，需要對(duì)防滑系統(tǒng)的故障進(jìn)行研究。

實(shí)踐表明，城市軌道交通車輛制動(dòng)系統(tǒng)可以通過數(shù)學(xué)建模的方式進(jìn)行仿真模擬［3］。為了能夠再現(xiàn)防滑系統(tǒng)故障，使用專業(yè)仿真軟件AMESim建立防滑系統(tǒng)模型，并對(duì)其進(jìn)行故障模擬仿真。文獻(xiàn)［4］在AMESim中建立了高速動(dòng)車組防滑閥模型，文獻(xiàn)［5］建立了基于AMESim動(dòng)車組防滑系統(tǒng)模型，但它們都沒有進(jìn)行故障仿真。為了能更好地反映防滑系統(tǒng)在整個(gè)制動(dòng)系統(tǒng)中的作用，本文建立了完整的整車制動(dòng)系統(tǒng)模型，其中包含了防滑系統(tǒng)，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行故障再現(xiàn)模擬仿真。

1 防滑系統(tǒng)構(gòu)成及故障分析

1.1 滑行的產(chǎn)生與防滑控制

當(dāng)列車開始制動(dòng)時(shí)，如果制動(dòng)力過大超過了正常的粘著力或者輪軌間的接觸情況發(fā)生變化使得粘著系數(shù)減小，造成粘著力小于制動(dòng)力的情況，此時(shí)滑行產(chǎn)生。滑行會(huì)導(dǎo)致車輪踏面與鐵軌軌面間的擦傷，同時(shí)制動(dòng)力的減小也會(huì)使制動(dòng)距離增大。當(dāng)防滑系統(tǒng)檢測(cè)到發(fā)生滑行時(shí)，通過防滑閥使閘瓦壓力迅速下降，直至粘著恢復(fù)為止。這種防滑控制不僅能有效抑制滑行的發(fā)生，而且能在制動(dòng)時(shí)充分利用粘著，使列車制動(dòng)距離盡可能縮短［6］。

1.2 防滑系統(tǒng)

典型的防滑系統(tǒng)主要由速度檢測(cè)裝置、控制單元和防滑閥三大部分組成，如圖1所示。防滑閥是防滑系統(tǒng)的核心部件，由一個(gè)保壓閥和一個(gè)排風(fēng)閥組成。在防滑控制過程中保壓閥和排風(fēng)閥的一次完整動(dòng)作如下：發(fā)生滑行時(shí)，保壓閥關(guān)閉，排風(fēng)閥打開；當(dāng)滑行至車輪速度不再進(jìn)一步降低時(shí)，保壓閥關(guān)閉，排風(fēng)閥關(guān)閉；當(dāng)車輪速度回復(fù)至正常值時(shí)，保壓閥打開，排風(fēng)閥關(guān)閉。防滑系統(tǒng)的具體工作原理為：車輪上的速度檢測(cè)裝置不斷檢測(cè)車輪速度，并將所測(cè)車輪速度送至制動(dòng)控制單元中的防滑控制模塊，通過計(jì)算判斷滑行的各項(xiàng)指標(biāo)是否超標(biāo)。當(dāng)列車發(fā)生滑行時(shí)，滑行的車軸速度明顯下降，此時(shí)計(jì)算結(jié)果超出標(biāo)準(zhǔn)，制動(dòng)控制單元中的防滑模塊就會(huì)向防滑閥發(fā)出指令，使其開始排風(fēng)，逐漸使車輪速度回復(fù)，并在粘著關(guān)系恢復(fù)后回到正常的制動(dòng)中。

圖1 防滑系統(tǒng)的構(gòu)成

1.3 防滑故障分析

防滑故障的產(chǎn)生是由于防滑系統(tǒng)內(nèi)某個(gè)部件發(fā)生故障。其中，防滑閥作為防滑系統(tǒng)的核心部分，其好壞決定了防滑故障是否發(fā)生。防滑閥的故障主要是由閥體本身的機(jī)械故障造成的，具體故障包括：閥體動(dòng)作與邏輯控制不一致，閥體內(nèi)部閥座與閥口接觸不緊密造成的泄漏和閥體內(nèi)部氣路因異物造成的堵塞，等等。防滑閥故障導(dǎo)致的影響可從兩種工況中反映出來：當(dāng)沒有車軸發(fā)生滑行即沒有防滑控制時(shí)，防滑閥故障會(huì)導(dǎo)致正常制動(dòng)時(shí)制動(dòng)缸壓力過低，當(dāng)有車軸發(fā)生滑行即有防滑控制時(shí)，防滑閥故障會(huì)導(dǎo)致防滑控制失效或效果低下。由此，可從中找到反映其故障的特征，包括預(yù)控制（Cv）壓力、車軸速度等，通過這些特征的異常來描述故障。根據(jù)分析，可以得到3個(gè)具體的防滑閥故障。

（1）防滑閥故障1---有任意的制動(dòng)指令，Cv壓力正常，Cv壓力與制動(dòng)缸壓力差超過50 kPa。該故障是由排風(fēng)閥的泄露造成的。排風(fēng)閥的泄露導(dǎo)致進(jìn)入制動(dòng)缸的壓力下降，從而使制動(dòng)力不足。

（2）防滑閥故障2---1～4軸有滑行控制，防滑控制邏輯變量正常（在防滑發(fā)生時(shí)，向防滑閥發(fā)出了保壓閥關(guān)閉、排風(fēng)閥打開的控制指令），但發(fā)生滑行的車軸速度仍急劇下降直至零。這說明防滑閥有故障，雖然接收到控制邏輯但沒有正確地動(dòng)作?？赡馨l(fā)生的情況有：保壓閥關(guān)閉，排風(fēng)閥關(guān)閉；保壓閥打開，排風(fēng)閥關(guān)閉。說明保壓閥或排風(fēng)閥已損壞，這些現(xiàn)象都是防滑閥故障的表現(xiàn)。

（3）防滑閥故障3---1～4軸有滑行控制，但發(fā)生滑行的車軸速度恢復(fù)到正常值過慢，或最終無法恢復(fù)到正常值。該故障可能是排風(fēng)閥異物堵塞導(dǎo)致排風(fēng)不暢。

1.4 故障診斷流程

根據(jù)上述故障中描述的現(xiàn)象特征，可以利用不同故障現(xiàn)象來判斷是否發(fā)生了防滑故障。防滑閥故障診斷流程如圖2所示。

圖2 防滑閥故障診斷流程圖

由故障分析可知，制動(dòng)指令、滑行控制信號(hào)和滑行軸速度為判斷是否有防滑故障的主要依據(jù)。獲取制動(dòng)指令和滑行控制信號(hào)可確定車輛是否處于制動(dòng)工況并且是否發(fā)生滑行。滑行軸速度反映了防滑閥實(shí)際動(dòng)作的情況，可判斷滑行控制是否正常。通過這些特征可以判斷防滑閥是否發(fā)生故障。

2 防滑故障仿真方法及模型建立

2.1 防滑故障仿真方法

為了給防滑故障分析提供可靠的依據(jù)，并且驗(yàn)證故障分析的正確性，需要再現(xiàn)故障。故障再現(xiàn)是通過某種手段讓故障再發(fā)生。故障再現(xiàn)能更為清晰地反映防滑故障的機(jī)理、特征等［7］。

再現(xiàn)故障的手段有許多，本文使用計(jì)算機(jī)仿真方法來實(shí)現(xiàn)故障再現(xiàn)［8］。使用專業(yè)仿真軟件AMESim建立制動(dòng)系統(tǒng)模型，在模型基礎(chǔ)上進(jìn)行防滑故障仿真。

2.2 制動(dòng)系統(tǒng)模型建立

制動(dòng)系統(tǒng)模型如圖3所示。該模型中，主要的建模對(duì)象有制動(dòng)風(fēng)缸、BCU、防滑系統(tǒng)、空氣彈簧、基礎(chǔ)制動(dòng)裝置。模型能模擬實(shí)車制動(dòng)系統(tǒng)特性。

圖3 制動(dòng)系統(tǒng)模型

防滑系統(tǒng)是本次仿真的重點(diǎn)。防滑系統(tǒng)模型包括了2個(gè)電磁閥、力學(xué)模型和控制模型。2個(gè)電磁閥指的是保壓閥和排風(fēng)閥，是兩位兩通的電磁閥。力學(xué)模型主要表達(dá)輪軌力學(xué)關(guān)系。在實(shí)施制動(dòng)時(shí)，制動(dòng)缸推動(dòng)閘瓦，閘瓦壓在車輪上，并通過鋼軌產(chǎn)生相應(yīng)的制動(dòng)力，其產(chǎn)生的效果是使車輪轉(zhuǎn)速變?yōu)榱悴⑹管囁俳禐榱恪＿@就是力學(xué)模型所要反映的結(jié)果。力學(xué)模型模擬車輪在制動(dòng)時(shí)受到的各種力以及受力后車輪速度的變化?？刂颇Ｐ透鶕?jù)滑行判斷條件對(duì)防滑閥進(jìn)行防滑邏輯控制。它從力學(xué)模型中得到實(shí)時(shí)車輪轉(zhuǎn)速，通過計(jì)算判斷車輪是否滑行；對(duì)已經(jīng)發(fā)生滑行的車輪進(jìn)行防滑控制，向2個(gè)電磁閥送去控制信號(hào)，控制其動(dòng)作。

3 模型仿真結(jié)果

3.1 正常防滑控制

圖4為空氣制動(dòng)時(shí)正常防滑控制的速度曲線，其中1條為參考速度曲線，1條為滑行軸速度曲線。由圖4可以看到，滑行軸的軸速在5 s后發(fā)生了較大的變化，說明滑行開始了；其后滑行軸受防滑控制，速度下降得越來越慢，直到最低點(diǎn)后，車軸速度開始逐步回升；當(dāng)滑行軸速度與基準(zhǔn)速度接近時(shí)，恢復(fù)正常制動(dòng)。該仿真反映了一個(gè)完整的防滑控制過程。

圖4 正常防滑速度曲線

3.2 防滑閥故障1的仿真

該仿真模擬正常制動(dòng)工況下，沒有發(fā)生滑行時(shí)防滑閥出現(xiàn)故障的情況。此時(shí)正?？諝庵苿?dòng)，保壓閥處于打開狀態(tài)，排風(fēng)閥則處于關(guān)閉狀態(tài)。防滑閥故障1是排風(fēng)閥發(fā)生泄露，仿真時(shí)在保壓閥和排風(fēng)閥之間放置一個(gè)節(jié)流閥通大氣即可模擬故障1。圖5為防滑閥發(fā)生故障1時(shí)的仿真曲線，由于排風(fēng)閥發(fā)生泄漏，使得制動(dòng)缸壓力無法上升至與Cv壓力一樣的值。可見，在沒有發(fā)生滑行時(shí)，防滑閥發(fā)生故障也會(huì)對(duì)正常制動(dòng)產(chǎn)生影響。

圖5 故障1下的Cv壓力與制動(dòng)缸壓力曲線

3.3 防滑閥故障2的仿真

圖6為發(fā)生滑行的車軸與正常速度車軸的速度曲線。此故障模擬制動(dòng)時(shí)有一根車軸發(fā)生滑行的情況?？赏ㄟ^斷掉控制部分與防滑閥的連線來實(shí)現(xiàn)故障2。正常時(shí)防滑閥應(yīng)動(dòng)作，但由圖6可看到，當(dāng)有一根軸發(fā)生滑行時(shí)雖然有防滑控制，但沒有任何作用，發(fā)生滑行的車軸速度迅速下降至零。這說明防滑閥發(fā)生了故障，可能是排風(fēng)閥損壞不能打開，使得制動(dòng)缸內(nèi)氣體未能排出，導(dǎo)致滑行持續(xù)直至抱死。

3.4 防滑閥故障3的仿真

圖7表示防滑閥正常和故障時(shí)發(fā)生滑行的車軸速度曲線，此防滑閥故障模擬的是排風(fēng)閥排風(fēng)不暢。由圖7可以看到，防滑閥正常動(dòng)作時(shí)滑行軸速度迅速恢復(fù)；當(dāng)防滑閥發(fā)生故障時(shí)，由于排風(fēng)緩慢，使得滑行軸速度在一定時(shí)間內(nèi)仍在下降，滑行時(shí)間增大，速度恢復(fù)十分緩慢。這樣會(huì)使得車輪踏面擦傷程度增大。

圖6 故障2下的速度曲線

圖7 故障3下的速度曲線

4 結(jié)語

本文對(duì)城市軌道交通車輛制動(dòng)系統(tǒng)的防滑系統(tǒng)故障進(jìn)行分析。防滑系統(tǒng)故障的特點(diǎn)是故障導(dǎo)致防滑閥在車輛發(fā)生滑行時(shí)不能正常動(dòng)作。本文重點(diǎn)分析作為防滑系統(tǒng)核心部件的防滑閥的故障。首先對(duì)防滑閥的工作原理進(jìn)行分析，在此基礎(chǔ)上羅列了防滑閥可能出現(xiàn)的故障；然后根據(jù)故障現(xiàn)象反推得到防滑閥故障診斷流程圖；再利用AMESim軟件建立整車制動(dòng)系統(tǒng)模型，其中的防滑系統(tǒng)模型有完整的滑行判斷和防滑控制功能；在此基礎(chǔ)上對(duì)防滑閥模型部分進(jìn)行故障仿真。仿真結(jié)果表明，建立的制動(dòng)系統(tǒng)模型符合制動(dòng)特性，防滑系統(tǒng)控制正確并能夠?qū)崿F(xiàn)防滑功能。故障再現(xiàn)仿真結(jié)果表明，對(duì)防滑閥的故障分析是正確的。

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Fault Analysis of Anti-skid System in Metro Vehicle and Simulation

Wang Zongming，Zuo Jianyong，Wu Mengling

The air brake system in metro vehicle and the constitution of anti-skid system are introduced，the mechanical fault in solenoid valve of the system is the main cause，including leak and blocking.In order to find the fault in time，the characteristics of these faults are analyzed and the faults are found through monitoring some characteristic quantities，also the algorithm of fault diagnosis of anti-skid valve is presented.By using the simulation software AMES-im，the model of air brake system is completed，which can reflect the characteristic of anti-skid system whenthe wheelslip is occurred.Based on the model，the fault of antiskid valve can be simulated.The result of simulation suggests that the analysis of valve fault is correct.

urban rail transit vehicle；anti-skid system；fault analysis

U 266.29

2012-11-23）

*國(guó)家“八六三”高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目（2011AA110503-3）