軌道交通車輛架控制動系統(tǒng)建模及防滑控制研究

張新永 高 珊 溫從溪 孟慶棟 杜群威

軌道交通車輛架控制動系統(tǒng)建模及防滑控制研究

張新永 高 珊 溫從溪 孟慶棟 杜群威

（中車唐山機車車輛有限公司，063035，唐山∥第一作者，高級工程師）

制動系統(tǒng)的性能對列車安全運行有重要的影響。在原理分析的基礎(chǔ)上，利用AMESim仿真軟件對EP2002制動系統(tǒng)氣動閥單元（PVU）進行了建模，并通過常用制動和緊急制動仿真驗證模型的正確性。在MATLAB/Simulink軟件環(huán)境下搭建列車動力學(xué)模型，并編寫防滑控制邏輯，與AMES－im氣動閥模型進行聯(lián)合仿真，驗證防滑邏輯的有效性。從常用制動和緊急制動仿真結(jié)果可以得出，所搭建的EP2002的PVU與真實系統(tǒng)的反應(yīng)一致，驗證了PVU模型的正確性。從防滑控制仿真結(jié)果可以看出，所設(shè)計的防滑控制邏輯能夠達到控制要求，在發(fā)生連續(xù)滑行時能夠達到穩(wěn)定的防滑效果，為實際列車制動系統(tǒng)的設(shè)計和故障的解決提供了有效的模型基礎(chǔ)。

軌道交通車輛；架控制動系統(tǒng)；氣動閥單元；防滑控制

地鐵車輛具有載客量大、起動制動頻繁的特點，為了保證列車安全運行需要地鐵車輛具有良好的制動性能［1］。EP2002制動系統(tǒng)是現(xiàn)有地鐵車輛上使用最多的制動系統(tǒng)，能完成常用制動、緊急制動、遠程緩解、緊急沖動限制以及防滑保護等功能［2-3］。在列車制動時，若沒有良好的制動和防滑控制，可能使施加在制動盤上的摩擦力超出輪軌之間的黏著引起滑行甚至抱死，導(dǎo)致列車的制動距離延長，造成輪對踏面的嚴重擦傷［4-5］。因此，研究EP2002制動系統(tǒng)的制動和防滑性能，對地鐵車輛的安全運行有重要意義。

本文利用AMESim軟件和MATLAB/Simulink軟件對EP2002制動系統(tǒng)進行仿真。AMESim軟件有豐富的氣動庫模型，在制動系統(tǒng)研究中應(yīng)用廣泛。國外的Faiveley公司以及Knorr公司利用AMESim軟件對其制動系統(tǒng)以及制動系統(tǒng)中的閥門進行建模仿真。MATLAB/Simulink軟件可高效靈活地構(gòu)造出復(fù)雜的系統(tǒng)和控制邏輯。國內(nèi)的一些鐵路院校利用Visual C++、Matlab/Simulink以及AMESim等軟件對動車組和地鐵的制動系統(tǒng)進行仿真研究［6-8］。利用AMESim軟件對EP2002制動系統(tǒng)氣動閥單元進行建模仿真，施加常用制動和緊急制動信號驗證模型響應(yīng)與實際系統(tǒng)響應(yīng)的一致性。同時在MATLAB/Simulink的環(huán)境下建立架控系統(tǒng)的列車動力學(xué)模型和防滑控制邏輯，與AMESim環(huán)境下的氣動閥單元模型實現(xiàn)聯(lián)合仿真，驗證了防滑邏輯的有效性。仿真結(jié)果表明，建立的氣動閥單元能夠反映實際系統(tǒng)的特性，搭建的防滑控制邏輯能夠保證穩(wěn)定的防滑效果。

1 EP2002氣動閥結(jié)構(gòu)及制動運行原理

1.1 EP2002氣動閥結(jié)構(gòu)

EP2002閥門內(nèi)部氣路原理如圖1所示。其中每個部分的功能如下：

一次調(diào)節(jié)器——由一個繼電器閥負責(zé)將氣動閥單元供應(yīng)的壓力調(diào)低到加載緊急制動壓力水平，負責(zé)在電子稱重系統(tǒng)失靈時提供一個機械的空車緊急制動壓力。

二次調(diào)節(jié)器——其位于一次調(diào)節(jié)器的上部，負責(zé)將供應(yīng)至制動氣缸的最大壓力限制在滿載荷車輛緊急制動壓力水平。

稱重——負責(zé)給一次調(diào)節(jié)繼電器閥提供參考壓力。此參考壓力與空氣懸掛系統(tǒng)壓力成比例。

制動缸壓力調(diào)節(jié)——負責(zé)將一次調(diào)節(jié)器輸出壓力進一步調(diào)節(jié)至制動缸壓力（BCP）所需的水平。車輪滑動保護（WSP）激活時，BCP調(diào)節(jié)部分還負責(zé)對制動氣缸壓力進行氣動控制。

連接閥——使得BCP輸出能夠進行氣動連接和分離。在常用與緊急制動期間，兩個BCP輸出被連接；在WSP激活期間，兩根軸相互氣動隔離，每根軸上的BCP通過BCP調(diào)節(jié)進行獨立控制。

遠程釋放——EP2002系統(tǒng)允許從遠程位置（如駕駛室）下達制動器釋放指令。此設(shè)施的目標是防止列車停在較危險的深隧道中，但是緊急制動的優(yōu)先級高于遠程釋放。

圖1 EP2002閥門內(nèi)部氣路原理圖

緊急沖動限制——按照不同要求對施加在制動器缸上的緊急制動壓力速率進行配置。

電子裝置控制的EP閥（電空轉(zhuǎn)換閥）——接收控制器傳過來的控制信號，對BCP調(diào)節(jié)部分的氣動閥進行控制，實現(xiàn)充氣、保持和排氣的功能。

1.2 制動運行原理

制動運行原理如圖2所示，制動供風(fēng)風(fēng)缸（BSR）壓力進入氣動閥單元，一方面將空氣供應(yīng)給一次調(diào)節(jié)器，一次調(diào)節(jié)的繼電器閥根據(jù)稱重EP閥門提供的參考壓力對出口壓力進行調(diào)節(jié)；另一方面通過二次調(diào)節(jié)器被限制在一定的數(shù)值以內(nèi)，該數(shù)值為滿載緊急制動壓力，稱重部分再根據(jù)空氣懸掛系統(tǒng)壓力將合適的參考壓力提供給一次調(diào)節(jié)器，實現(xiàn)一次調(diào)節(jié)輸出與車重相對應(yīng)的壓力且不超過滿載緊急制動壓力。在一次調(diào)節(jié)器的下面設(shè)置一個緊急沖動限制EP閥門，在緊急沖動開始施加時，該EP閥將氣流切換到一個阻塞路徑來限制緊急制動壓力的施加速度。

圖2 制動運行原理圖

在緊急沖動閥門的下游，氣流分為兩路供給軸1和軸2，每路供氣都通過SB/WSP的EP閥門進入制動缸。在緊急制動時，EP閥門處于失電狀態(tài)。這些閥門的狀態(tài)采用電子硬件連續(xù)監(jiān)視來防止過度的WSP保持或者放氣。兩根軸通過連接EP閥實現(xiàn)氣路連接，在緊急制動和常用制動時，兩根軸上的制動缸壓力輸出連通；在防滑保護時，兩根軸上的制動缸壓力輸出切斷。

2 防滑控制工作原理

當檢測到列車滑行時，首先切斷兩根軸之間的連接EP閥，按照防滑控制策略控制制動缸進行排風(fēng)或者保壓。目前防滑器采取的主要控制策略是根據(jù)速度差、減速度和滑移率3個量的閾值進行控制?？梢圆扇蝹€判據(jù)，也可綜合運用3個判據(jù)進行控制。

在MATLAB/Simulink軟件中根據(jù)輪對的受力分析建立地鐵空氣制動動力學(xué)模型，施加制動力后計算出某軸速度與減速度，選擇一個軸的速度作為基準軸速度vref，各軸速度vn（n=l，2）與基準軸速度的差值即為各軸速度差Δvn。

根據(jù)計算出的各軸速度、減速度、速度差對比滑行判據(jù)進行滑行的判斷。當滿足滑行判據(jù)時，防滑單元通過控制防滑閥進行防滑控制，否則退出滑行控制。

本文采取的防滑控制策略如表1所示。一旦判斷出滑行，首先保壓閥上電，切斷制動缸進風(fēng)通道；同時滑行軸排風(fēng)閥開啟50 ms后再關(guān)斷，制動缸處于保壓狀態(tài)，并持續(xù)50 ms。保壓期間防滑器繼續(xù)進行滑行判斷，若該軸停止滑行，則防滑器停止防滑控制；否則排風(fēng)閥進行第二次排氣50 ms，再保壓50 ms，依次類推。在施加防滑控制時，當持續(xù)保持時間超過8 s或者持續(xù)排風(fēng)時間超過4 s，關(guān)斷防滑控制來保證制動能力。

表1 防滑控制策略

3 EP2002氣動閥單元的建模及車輪防滑保護仿真

根據(jù)EP2002閥門的氣路原理圖（如圖3所示）進行功能模塊建模。常用制動和緊急制動的邏輯控制信號以及聯(lián)合仿真時防滑邏輯控制信號如圖4所示。通過施加控制信號來驗證模型反應(yīng)的正確性。在MATLAB/Simulink軟件搭建的防滑控制系統(tǒng)、每軸的動力學(xué)模型和滑行判定控制如圖5~圖7所示。通過與AMESim軟件的聯(lián)合仿真來驗證防滑控制邏輯的有效性。

圖3 EP2002閥門的氣路原理圖

圖4 聯(lián)合仿真控制模塊

圖5 防滑控制系統(tǒng)

圖6 每軸的動力學(xué)方程

圖7 單軸的滑行判定控制

3.1 常用全制動和緊急制動仿真

通過常用全制動和緊急制動仿真來驗證EP2002制動系統(tǒng)氣動閥單元模型的正確性。制動工況以重車AW2模式進行仿真。首先觸發(fā)常用制動指令后觸發(fā)緊急制動指令，分別實現(xiàn)制動、保壓和緩解3個過程。常用全制動和緊急制動下的制動缸壓力曲線如圖8所示。從圖8中可以看出，緊急制動時制動缸壓力更大，常用制動和緊急制動的制動缸壓力的建立時間滿足設(shè)計要求。

圖8 常用制動和緊急制動時的制動缸壓力

3.2 防滑控制系統(tǒng)仿真

在本文中防滑判據(jù)為：滑行條件Δv＞2 m/s，再黏著判據(jù)Δv＜0.2 m/s。

在緊急制動的工況下對模型進行仿真研究，在有防滑控制的條件下設(shè)定輪軸多次滑行。其中初始速度設(shè)定為80 km/h，以減速度β=1.32 m/s2進行減速，仿真時間設(shè)定為20 s，仿真步長設(shè)定為0.01 s。

設(shè)定軸2在第3 s時發(fā)生一個周期性的滑行現(xiàn)象，觀察2個車軸速度和制動缸壓力的變化趨勢。在MATLAB/Simulink軟件中車軸速度的仿真結(jié)果如圖9和圖10所示，在AMESim軟件中的制動缸壓力如圖11和圖12所示。

圖9 基準速度與軸1速度對比

圖10 基準速度與軸2速度對比

圖11 軸1制動缸壓力

圖12 軸2制動缸壓力

從圖10和圖12可以看出：軸2在第3 s發(fā)生滑行時，轉(zhuǎn)動速度相對于基準軸的速度快速下降；由于加了防滑控制，進行階段性排風(fēng)使制動缸壓力下降，軸2的速度逐漸上升，當滿足黏著條件時，開始恢復(fù)緊急制動時的制動缸壓力。在發(fā)生周期性滑行的過程中，防滑控制系統(tǒng)對每次滑行都能進行有效調(diào)整，使得軸2能夠恢復(fù)黏著和制動力。從圖9和圖11可以看出，軸2在第3 s發(fā)生滑行時，連接閥斷開，軸1制動缸壓力不變；軸2結(jié)束滑行后連接閥連通，受到軸2制動缸壓力下降的影響，軸1制動缸壓力降低后迅速恢復(fù)緊急制動壓力。通過在AMESim軟件和MATLAB/Simulink軟件中設(shè)定滑行工況，觀測軸速變化情況、制動缸壓力變化情況和充排氣閥的動作，對進一步改善防滑控制系統(tǒng)的性能具有重要的意義。

4 結(jié)論

本文利用AMESim仿真軟件對EP2002制動系統(tǒng)的氣路部分進行仿真，施加常用制動和緊急制動控制信號來驗證模型反應(yīng)的正確性，利用MATLAB/Simulink軟件搭建防滑控制系統(tǒng)與AMESim軟件實現(xiàn)聯(lián)合仿真，驗證了防滑邏輯的有效性。通過仿真結(jié)果可以看出，搭建EP2002的PVU（氣動閥單元）與真實系統(tǒng)的反應(yīng)一致，設(shè)計的防滑邏輯能夠滿足實際系統(tǒng)的控制需求，可以應(yīng)用于實際列車制動系統(tǒng)的設(shè)計和故障的解決。

［1］ 許桂紅.地鐵制動系統(tǒng)的研究與仿真［D］.成都：西南交通大學(xué)，2014.

［2］ 匡如華.EP2002制動系統(tǒng)及其在城軌車上的應(yīng)用［J］.機車電傳動，2009（5）：33.

［3］ 馬喜成,龍倩倩.地鐵車輛用EP2002制動控制系統(tǒng)［J］.機車電傳動，2007（4）：38.

［4］ 李云峰.城軌車輛空氣制動防滑控制方法［J］.鐵道車輛,2011，49（12）：38.

［5］ 廖志堅.基于AMESim的動車組制動防滑系統(tǒng)仿真研究［D］.成都：西南交通大學(xué)，2012.

［6］ 胡薇，朱皓青，王宗明，等.基于AMESim的軌道交通車輛架控制動系統(tǒng)建模與仿真［J］.城市軌道交通研究，2015（1）：89.

［7］ 李亮.基于AMESim的動車組制動系統(tǒng)仿真研究［D］.成都：西南交通大學(xué)，2013.

［8］ 劉明勛,楊秀建.基于AMESim與Simulink聯(lián)合仿真的車輛液壓輔助制動系統(tǒng)研究［J］.液壓與氣動，2014（4）：45.

Modeling of Bogie Control Brake System in Railway Vehicle and Anti-slip Control

ZHANG Xinyong，GAO Shan，WEN Congxi，MENG Qingdong，DU Qunwei

The performance of brake system is very important for the safe operation of trains.On the basis of principle analysis，a pneumatic valve unit（PVU）model of EP2002 brake system is built up by using AMESim simulation software,the correctness of the model is verified through the simulation of service brake and emergency brake.Then a dynamics model of train is built in MATLAB/Simulink environment，the anti-slip control logic is compiled.To verify the validity of slip logic,co-simulation is conducted between AMESim and MATLAB/Simulink.The simulation results of service brake and emergency brake show that the PVU model of EP2002 reacts consistently with real systems，thus the correctness of PVU model is verified.Meanwhile,the simulation results of anti-slip control show that a stable performance of anti-slip has been achieved even in continuous slip condition，which means that the designed anti-slip control logic could meet the control requirements.The research provides an effective model for the actual braking system design and failure solution.

rail transit vehicle；bogie control brake system；pneumatic valve unit；anti-slip control

U270.35

10.16037/j.1007-869x.2017.11.026

Author′s address CRRC Tangshan Co.，Ltd.，063035，Tangshan，China

2016-03-10）