基于AMESim高速動車組制動控制系統(tǒng)仿真研究

梁雪 (山東職業(yè)學院鐵道車輛與機械工程系，山東 濟南 250000）

1.引言

CRH380AL動車組是我國和諧系列動力分散式、交流傳動電力動車組中的杰出代表，采用鋁合金空心型材車體，持續(xù)運營時速可達380公里，如此高的時速，更要匹配性能優(yōu)越的制動系統(tǒng)。CRH380AL型動車組制動系統(tǒng)是一個能提供強大的制動力并充分利用黏著的復合制動系統(tǒng)，由電制動與空氣制動復合而成，且以電制動（再生制動）為主，空氣制動系統(tǒng)則是一套電氣指令微機控制的直通式空氣制動系統(tǒng)，它包括：制動供風系統(tǒng)、制動控制系統(tǒng)，以及基礎(chǔ)制動裝置。其中，制動控制系統(tǒng)可實現(xiàn)制動指令的產(chǎn)生、傳輸和接收，制動力的計算、分配、控制、執(zhí)行以及防滑控制、增黏控制等功能，是空氣制動系統(tǒng)的核心。結(jié)合動車組制動控制系統(tǒng)中主要部件均采用電控氣動或液壓驅(qū)動方式的特點，本文采用AMESim軟件進行仿真，該軟件可提供完整的系統(tǒng)工程設(shè)計平臺，機械、液壓、氣動、熱、電磁等不同領(lǐng)域的元件庫可以相互進行連接，便于直觀地分析動車組在運行狀態(tài)中的各項制動系統(tǒng)參數(shù)。

2.CRH380AL型動車組制動控制系統(tǒng)工作原理

CRH380AL型動車組的制動控制系統(tǒng)通過接收司機發(fā)出的制動指令或者其ATP(列車自動防護系統(tǒng))來實現(xiàn)制動力的控制，其作用過程主要由BUC(制動控制單元)通過微機處理器計算并傳輸。制動控制系統(tǒng)由三部分組成：制動信號發(fā)生裝置、制動信號傳輸裝置和制動控制裝置。信號發(fā)生裝置為司機控制的制動手柄等控制器或者ATP等控制單元；信號傳輸裝置借助列車的信息控制系統(tǒng)來實現(xiàn)信號的雙向傳輸即將指令傳到各車廂和將各車的信息反饋給司機室；制動控制裝置的核心為BCU，其通過微機進行運算處理并實現(xiàn)信息的傳輸，對各車的制動進行實時控制。動車組制動控制系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示。

以常用制動為例，司機發(fā)出常用制動信號，信號通過列車網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)礁鬈嚨腂CU中，BCU根據(jù)當前車速、車重、輪軌黏著程度等因素，計算出所需的再生制動力，向牽引變流器發(fā)出再生制動指令信號，牽引變流器根據(jù)接收到的再生制動信號，控制動車組實施再生制動；當再生制動力不足時，BCU根據(jù)已施加的再生制動反饋量，計算出所需的空氣制動力，并輸出空氣制動指令給電空轉(zhuǎn)換閥，經(jīng)電空轉(zhuǎn)換閥轉(zhuǎn)換為空氣壓力，再經(jīng)中繼閥放大流量后，控制制動缸的充氣，從而實現(xiàn)制動機的制動作用。

3.利用AMESim軟件對制動控制系統(tǒng)中關(guān)鍵部件的建模與仿真

3.1 電空轉(zhuǎn)換閥的建模與仿真

電空轉(zhuǎn)換閥又稱為電空閥，安裝在空氣制動控制裝置內(nèi)，其作用是把制動控制計算機發(fā)來的電流指令轉(zhuǎn)換為空氣壓力，從而控制中繼閥的供、排氣。根據(jù)結(jié)構(gòu)及工作原理的不同，電空閥分為模擬型和數(shù)字型兩種。CRH380AL采用模擬型電空轉(zhuǎn)換閥。

利用AMESim軟件對電空轉(zhuǎn)換閥仿真：搭建一個系統(tǒng)，必須創(chuàng)建一個新模型，在計算機上設(shè)計草圖；打開一個空系統(tǒng)；添加CRH380AL制動系統(tǒng)相關(guān)元件于機械庫；將元件圖標拖動到工作空間；通過“鏡像”和“旋轉(zhuǎn)”方法及“拖動”并感應(yīng)“端口”，連接這些圖標；通過工具欄按鈕，添加文字。系統(tǒng)中每一個元件都必須與一個數(shù)學模型相關(guān)聯(lián)，子模型與元件是自動關(guān)聯(lián)的。在AMESim建立的電空轉(zhuǎn)換閥仿真模型如圖2所示。

圖2 電空轉(zhuǎn)換閥仿真模型

調(diào)節(jié)參數(shù)，設(shè)置仿真時長10s，步長1s，經(jīng)仿真所得的電空轉(zhuǎn)換閥特性曲線如圖3所示。

圖3 電空轉(zhuǎn)換閥仿真曲線

由曲線圖可知，電空轉(zhuǎn)換閥從0kPa-450kPa后保持穩(wěn)定時間為0.5s，該時間小于制動空走時間，電空轉(zhuǎn)換閥還可實現(xiàn)階段制動和階段緩解，所以可滿足制動需求。

3.2 中繼閥的建模與仿真

中繼閥安裝在空氣制動控制裝置內(nèi)，是一個流量放大閥，其作用是根據(jù)電空轉(zhuǎn)換閥（或緊急制動電磁閥）輸出的氣體壓力，控制制動缸（或增壓缸）的充氣、排氣，以實現(xiàn)制動機的制動、緩解和保壓作用。

根據(jù)結(jié)構(gòu)的不同，中繼閥有單膜板式和雙膜板式兩種類型。CRH380AL型動車組使用雙膜板式中繼閥。

在AMESim建立的中繼閥仿真模型如圖4所示。

圖4 中繼閥仿真模型

調(diào)節(jié)參數(shù)，設(shè)置仿真時長25s，步長5s，經(jīng)仿真所得的中繼閥特性曲線如圖5所示。

圖5 中繼閥仿真曲線

由曲線圖可知，中繼閥輸出空氣壓強在不到2s的時間內(nèi)上升到預控壓強500kPa，當電空轉(zhuǎn)換閥壓強變?yōu)榱銜r，中繼閥的輸出壓強可在2s內(nèi)降為零，因此該中繼閥模型滿足動車組快速、穩(wěn)定、準確的需求。

3.3 空重閥的建模與仿真

空重閥根據(jù)車輛載重變化，自動連續(xù)調(diào)整制動缸壓力大小，使進入中繼閥的預控壓力相應(yīng)變化，保持車輛在各載重工況下的制動率基本不變，防止制動力過大，車輪擦傷。

在AMESim建立的空重閥仿真模型如圖6所示。

圖6 空重閥仿真模型

調(diào)節(jié)參數(shù)，設(shè)置仿真時長5s，步長1s，假設(shè)預控壓強1處900kPa的大容積氣壓缸，空氣彈簧壓強為500kPa、550kPa、

600 kPa，經(jīng)仿真所得的空重閥特性曲線如圖7所示。

圖7 空重閥仿真曲線

由曲線圖可知，當預控壓強為900kPa，空氣彈簧壓強為500kPa時，由于空重閥作用，輸出氣體壓強很快上升并穩(wěn)定在400kPa左右。隨著空氣彈簧氣體壓強增大，空重閥輸出的氣體壓強也隨之線性增大，可滿足動車組響應(yīng)快，降壓快的要求。

4.結(jié)論

本文運用AMESim仿真軟件建立了動車組制動控制的系統(tǒng)中電空轉(zhuǎn)換閥、中繼閥、空重閥的仿真模型，分析了一些參數(shù)對其工作性能的影響。課題下一步研究建議：繼續(xù)建立緊急電磁閥、基礎(chǔ)制動單元等仿真模型，在各單元仿真模型基礎(chǔ)上，建立單車制動系統(tǒng)模型，完成常用制動及緊急制動工況的仿真分析。

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