基于AMESim的有軌電車液壓制動(dòng)單元建模與分析

舒高翔，王相波

(1.同濟(jì)大學(xué)鐵道與城市軌道交通研究院，上海 201804；2.中國(guó)中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司，山東 青島 266111)

基于AMESim的有軌電車液壓制動(dòng)單元建模與分析

舒高翔1，王相波2

(1.同濟(jì)大學(xué)鐵道與城市軌道交通研究院，上海 201804；2.中國(guó)中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司，山東 青島 266111)

基于低地板有軌電車液壓制動(dòng)原理，參考用于長(zhǎng)春輕軌低地板車制動(dòng)系統(tǒng)，運(yùn)用AMESim仿真軟件，建立拖車液壓制動(dòng)單元模型，仿真分析關(guān)鍵元件的性能和制動(dòng)系統(tǒng)的制動(dòng)過程，并討論了蓄能器參數(shù)對(duì)制動(dòng)缸壓力動(dòng)態(tài)性能的影響。仿真結(jié)果從理論上驗(yàn)證了制動(dòng)單元的可靠性，也通過參數(shù)化動(dòng)態(tài)分析為國(guó)產(chǎn)化液壓制動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、改進(jìn)提供了依據(jù)。

液壓制動(dòng)單元；AMESim；仿真分析

0 前 言

制動(dòng)性能是車輛的重要性能之一，良好的制動(dòng)性能是現(xiàn)代有軌電車安全運(yùn)行的重要保障。目前，現(xiàn)代有軌電車的制動(dòng)系統(tǒng)主要由兩種方式：空氣制動(dòng)系統(tǒng)和液壓制動(dòng)系統(tǒng)。相比空氣制動(dòng)系統(tǒng)，液壓制動(dòng)系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)緊湊，系統(tǒng)安裝所需空間小，工作壓力高，能產(chǎn)生更大的制動(dòng)減速度等優(yōu)勢(shì)，對(duì)于安裝空間有限的低地板車輛來講，尤其在70%和100%低地板有軌電車上得以廣泛應(yīng)用。

1 液壓制動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成和工作原理

圖1是一個(gè)典型的低地板有軌電車液壓制動(dòng)系統(tǒng)。該系統(tǒng)接收該系統(tǒng)接收列車控制單元的指令，通過系統(tǒng)中的制動(dòng)控制單元把制動(dòng)指令分別傳達(dá)給各車的液壓制動(dòng)單元，再由液壓制動(dòng)單元輸出合理的液壓壓力給基礎(chǔ)制動(dòng)裝置，完成制動(dòng)動(dòng)作。

液壓制動(dòng)單元由各種電氣、液壓元件組成，是完成能量的傳遞、轉(zhuǎn)換和壓力控制的重要部件。液壓制動(dòng)單元主要分為動(dòng)車液壓制動(dòng)單元和拖車液壓制動(dòng)單元。這里以拖車液壓制動(dòng)單元為例進(jìn)行分析。拖車液壓制動(dòng)單元的組成包含電機(jī)、齒輪泵、溢流閥、過濾器、單向閥、壓力開關(guān)、測(cè)試接頭、蓄能器、卸荷閥、比例壓力控制閥、二位二通電磁閥等。拖車液壓制動(dòng)單元用來和主動(dòng)式制動(dòng)夾鉗一起使用，工作原理見圖2。制動(dòng)壓力來源于電機(jī)帶動(dòng)齒輪泵建立起壓力并通過過濾器及單向閥輸送到蓄能器，再經(jīng)過2位2通電磁閥V1和比例壓力控制閥V2到底制動(dòng)夾鉗，而產(chǎn)生制動(dòng)力。接到制動(dòng)指令時(shí)，電磁閥V1失電，比例閥V2根據(jù)輸入電流調(diào)整輸出壓力，壓力傳感器S2對(duì)輸出壓力進(jìn)行監(jiān)控，反饋給控制裝置。當(dāng)緩解時(shí)，比例閥V2失電，不向外輸出壓力，同時(shí)V1得電，防止泄露過多引起蓄能器壓降過快。

圖1 低地板有軌電車液壓制動(dòng)系統(tǒng)

圖2 拖車液壓制動(dòng)單元

2 動(dòng)態(tài)性能仿真

2.1 液壓系統(tǒng)模型的建立

拖車液壓?jiǎn)卧嘘P(guān)鍵液壓元件是電液比例減壓閥，它的功能是降壓和穩(wěn)壓，并提供壓力隨輸入電信號(hào)變化的恒壓源。液壓?jiǎn)卧褂玫娜ū壤郎p壓閥依據(jù)從控制單元傳來的電信號(hào)，通過電磁力與液壓力的平衡來控制輸出壓力。

三通比例減壓閥結(jié)構(gòu)原理如圖3。圖中，P口接恒壓源，A口接負(fù)載，T口通油箱，減壓閥口處于常閉狀態(tài)，閥芯左端面作為出口壓力的測(cè)壓面。比例電磁鐵產(chǎn)生推力，閥芯向左移動(dòng)，閥口全開，液壓油由P口流入A口，出口壓力作用在閥芯左端的小活塞上，當(dāng)負(fù)載增加，出口壓力增加，當(dāng)出口壓力產(chǎn)生的推力與電磁力達(dá)到平衡時(shí)，閥芯向右移動(dòng)，關(guān)小閥口，使出口壓力不再增加，實(shí)現(xiàn)對(duì)出口壓力的控制。如果出口壓力對(duì)閥芯的作用力大于電磁力，閥芯右移A口與T口相通，使A口壓力下降，直到閥芯處于新的平衡位置。

根據(jù)比例減壓閥的結(jié)構(gòu)和工作原理,利用AMESim軟件建立比例減壓閥的仿真模型,如圖3所示。該模型主要由比例電磁鐵部分、彈簧活塞、環(huán)形槽活塞、質(zhì)量塊等組成。同時(shí)為了使總體模型結(jié)構(gòu)緊湊利用AMESim超級(jí)元件功能完成對(duì)比例減壓閥的封裝。

圖3 三通比例減壓閥原理圖

圖4 比例減壓閥模型

利用AMESim液壓、機(jī)械、信號(hào)模型庫(kù)，依據(jù)拖車液壓制動(dòng)單元的工作原理選取合適元件搭建模型，根據(jù)元件的數(shù)學(xué)模型和參數(shù)分析選擇合適的數(shù)學(xué)模型，然后定義全局性液壓參數(shù)，如制動(dòng)液的體積模量、密度、動(dòng)力粘度等，同時(shí)完成各個(gè)液壓元件的關(guān)鍵尺寸和內(nèi)部參數(shù)的定義。在簡(jiǎn)化液壓系統(tǒng)部分輔助部件，建立拖車液壓制動(dòng)單元的AMESim模型如圖5所示。

圖5 拖車液壓制動(dòng)單元模型

2.2 仿真結(jié)果分析

(1)比例閥控制特性分析

在設(shè)置完AMESim模型中模塊參數(shù)后以及P口輸入恒壓源為12 MPa，驗(yàn)證比例減壓閥的控制特性。比例電磁鐵的電磁力與比例壓力閥輸出口A壓力變化如圖所示，仿真時(shí)間為8 s，采樣間隔為0.1 s，圖6(a)為比例電磁鐵輸出力作為信號(hào)值加載，圖6(b)為比例壓力閥輸出口A壓力值，圖6(c)仿真得到的電磁力-A壓力特性曲線，由圖6(b)、(c)中可以看出出口A壓力隨著電磁控制力的增大而增大，同時(shí)具有很好的線性度，達(dá)到了比例控制的預(yù)期目的。

圖6 電磁力-壓力特性曲線

(2)制動(dòng)仿真分析

制動(dòng)過程分為壓力建立和壓力輸出兩部分。在壓力建立過程中，2位2通閥設(shè)置為失電狀態(tài)，電機(jī)帶動(dòng)齒輪泵將液壓油建立起壓力，仿真時(shí)間為20 s，設(shè)置蓄能器初始?jí)毫?0 bar，系統(tǒng)從90 bar上升到120 bar在12 s左右。仿真過程見圖7。由仿真結(jié)果可知，由于列車行駛速度較低，制動(dòng)時(shí)間間隔較長(zhǎng)，蓄能器容積為2.8 L，每次壓力建立完成約可以提供7～15次制動(dòng)動(dòng)作，所以推薦選用低排量油泵或者電機(jī)以節(jié)約系統(tǒng)配置。

在液壓?jiǎn)卧拥街苿?dòng)指令，進(jìn)入壓力輸出階段，2位2通閥得電接通，比例閥根據(jù)電磁力大小調(diào)節(jié)輸出壓力，設(shè)置每隔5 s設(shè)定電磁力大小300 N、600 N、900 N、1 100 N，比例閥輸出壓力如圖所示在0～70 bar逐漸增大，實(shí)現(xiàn)階段制動(dòng)。仿真過程如圖8。當(dāng)緩解時(shí)，2位2通閥斷開，制動(dòng)缸壓力通過溢流口實(shí)現(xiàn)壓力下降以實(shí)現(xiàn)緩解。設(shè)置電磁力大小400 N、800 N、500 N、100 N，比例閥輸出壓力先上升后下降，實(shí)現(xiàn)從制動(dòng)到緩解過程，仿真過程如圖9。仿真結(jié)果表明所建立的模型能夠比較正確模擬制動(dòng)過程，理論上驗(yàn)證了液壓制動(dòng)單元的可靠性。

圖7 壓力建立曲線

(3)動(dòng)態(tài)性能分析

考慮到隨著系統(tǒng)工作，蓄能器壓力會(huì)隨著制動(dòng)次數(shù)增加而下降，利用AMESim批處理運(yùn)行功能，設(shè)置蓄能器壓力分別為120 bar、110 bar、100 bar進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果如圖10(a)和10(b)。

圖8 階段制動(dòng)曲線

圖9 階段制動(dòng)緩解曲線

從仿真結(jié)果來看，盡管蓄能器壓力下降，在工作狀態(tài)允許范圍內(nèi)對(duì)比例閥輸出的制動(dòng)液壓力基本沒有影響，制動(dòng)缸壓力大小和制動(dòng)響應(yīng)速度基本一致。

圖10 蓄能器壓力對(duì)制動(dòng)缸壓力影響

3 結(jié)束語(yǔ)

通過運(yùn)用AMESim軟件對(duì)有軌電車拖車液壓制動(dòng)單元進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果表明，液壓制動(dòng)單元具有良好的控制精度和響應(yīng)速度，制動(dòng)功能基本符合設(shè)計(jì)要求。利用了AMESim的批處理功能設(shè)定模型元件的參數(shù)值,比較了一組不同設(shè)定值下的仿真結(jié)果，說明在蓄能器工作壓力范圍內(nèi)，壓力的下降不會(huì)影響制動(dòng)能力，應(yīng)用AMESim參數(shù)化設(shè)置對(duì)系統(tǒng)功能影響的研究方法對(duì)國(guó)產(chǎn)化液壓制動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、改進(jìn)及預(yù)測(cè)提供一種可靠的研究手段。

[1] 李紅軍.長(zhǎng)春輕軌車輛的液壓制動(dòng)設(shè)計(jì)原理[J]. 城市軌道交通研究，2008，(5)：57-59.

[2] 趙春光，韓曉輝，樊貴新，等.低地板有軌電車制動(dòng)技術(shù)現(xiàn)狀[J].現(xiàn)代城市軌道交通，2014，(1):42-46.

[3] 付永領(lǐng),祁曉野.AMESim系統(tǒng)建模和仿真從入門到精通[M].北京航空航天大學(xué)出版社,2006:100-149.

交通運(yùn)輸

Modeling and analyze the trolley-bus hydraulic braking unit based on AMESim

SHU Gao-xiang1, WANG Xiang-bo2

(1.Institute of Rail Transit of Tongji University, Shanghai 201804,China;2.CRRC Qingdao Sifang Co., Ltd., Qingdao 266111,China)

Build the hydraulic braking unit model to analyze the characteristic of the important cell and the braking process of braking system by using the AMESim simulation software based on the low-floor trolley-bus hydraulic braking principle after consulting the low-floor braking system used in light rail of Changchun. Then discuss the influence between the accumulator parameter and brake cylinder pressure dynamic performance. The simulation results verify the feasibility of braking unit, and provide the basis for the domestic hydraulic braking system design and its improvement through the parameter dynamic analysis.

hydraulic braking unit; AMESim; simulation analysis

2015-11-02

舒高翔(1988-)，男，江西德興人，研究方向：列車制動(dòng)與安全技術(shù)。

“十二五”國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2015BAG12B01)。

U226

C

1008-3383(2016)02-0127-03