軌道交通車輛用防滑閥特性仿真研究

賀 成， 熊文誠， 張鵬飛

（南京中車浦鎮(zhèn)海泰制動設備有限公司， 江蘇 南京 211800）

0 引言

動車組及地鐵等軌道交通車輛要求制動安全、可靠、舒適，制動力過大易導致車輪滑行甚至抱死，輪對與軌道之間發(fā)生滑動摩擦， 嚴重時會導致輪對和軌道的嚴重擦傷或磨損，直接影響運營安全。軌道交通車輛中設置防滑閥來控制滑行時的壓力調(diào)節(jié)[1]。防滑閥在制動系統(tǒng)中的主要功能是根據(jù)制動系統(tǒng)電子控制單元的電信號， 對制動壓力進行充排氣調(diào)節(jié)，以解除車輛輪對的滑行狀態(tài)。對防滑閥特性的深入掌握是設計有效滑行策略的必要條件。因此對防滑閥的特性的研究具有重要的工程意義。

本文對某種適用地鐵及動車組的軌道交通用防滑閥工作原理進行分析介紹， 采用AMESim 軟件建立防滑閥的仿真模型，對其工作特性進行仿真分析，重點研究了防滑閥內(nèi)關(guān)鍵的結(jié)構(gòu)參數(shù)對動作性能的影響， 為防滑閥的優(yōu)化設計及故障分析提供指導。

1 防滑閥結(jié)構(gòu)及原理

防滑閥的結(jié)構(gòu)示意圖見圖1 所示。

圖1 防滑閥結(jié)構(gòu)及原理示意圖Fig.1 Structure and schematic diagram of antiskid valve

防滑閥主要由保壓閥HV 和排氣閥RV 兩部分組成，每個閥分別由電磁控制部分（MHV、MRV）和主閥體部分（HV、RV）組成。 電磁控制部分主要包括線圈、鐵芯組成，主閥體部分主要包括膜板、閥座、膜板彈簧等。 通過控制電磁部分實現(xiàn)對膜片閥口的開閉控制。

防滑閥進氣口IN 與制動系統(tǒng)中繼閥出口連接，出氣口OUT 與制動缸連接， 排氣口EX 通向大氣。 正常制動時，先導電磁閥MHV 和MRV 均不得電，壓縮空氣經(jīng)由進氣口IN 進入，推動保持閥（HV）膜片，制動壓力經(jīng)打開的閥口輸出到制動缸，此時防滑閥處于供給位。當列車發(fā)生滑行時，制動力需減少，先導電磁閥MHV 和MRV 同時得電，先導氣進入腔室V2，保持閥（HV）閥口關(guān)閉，切斷前端進氣，同時排氣膜片腔室V1 的先導氣排空，排氣閥（RV）閥口打開，制動缸壓力經(jīng)由排氣閥口排出，壓力降低。 當需要保持制動力不變時，先導電磁閥MHV 得電，MRV 失電，此時保持閥（HV）閥口關(guān)閉，切斷制動力供給，同時排氣閥（RV）閥口也關(guān)閉，不進行排氣，壓力處于保持狀態(tài)。

2 仿真模型建立

AMESIM 軟件是基于物理模型的圖形化建模平臺，已在汽車、 工程機械等領域得到廣泛夠用， 并已得到驗證。 氣動模塊包含各種氣壓元件、管路元件、電磁閥元件等，能夠考慮線性和非線性仿真[2]。

防滑閥中電磁先導閥為兩個二位三通的電磁閥，采用AMESIM 模塊中的電磁閥模型模擬。先導電磁閥通徑、主閥體部分閥口通徑、先導閥通徑、膜片直徑、彈簧力值等參數(shù)根據(jù)實際物理參數(shù)進行賦值。

試驗中防滑閥前端輸入壓力為685kPa， 前端容積負載41L，后端負載容積容量試驗時13L，仿真模型中參數(shù)按照實際試驗負載設置，模型如圖2 所示。

圖2 防滑閥AMESim 仿真模型Fig.2 AMESim simulation model of antiskid valve

3 仿真結(jié)果分析

3.1 階段充氣、 階段排氣特性

圖3 階段充氣和階段排氣特性Fig.3 Stage charge and stage exhaust characteristics

試驗要求防滑閥階段充氣和階段排氣能夠正常動作、階段動作過程中壓力能夠正常保持，仿真計算結(jié)果如圖3 所示。

仿真曲線較好的體現(xiàn)了防滑閥階段充氣特性 （3 個 循 環(huán) 的 充 風0.2s+保壓0.9s，充風0.2s+保壓4s+4.5 充氣，共歷時12s）、階段排氣特性 （3 個循環(huán)的排氣0.2s+保壓0.9s， 排氣0.2s+保壓4s+4.5 排氣，共歷時12s），過程中壓力保持功能正?？煽?。

3.2 制動緩解特性

試驗時防滑閥不通電，排空防滑閥前端的壓縮空氣，要求防滑閥后端的負載壓力小于5kPa。仿真結(jié)果見圖4，排空前端壓力后， 防滑閥負載壓力為3.4kPa，符合技術(shù)要求。

圖4 制動緩解特性曲線Fig.4 Brake release characteristic

3.3 容量特性

容量特性仿真結(jié)果見圖5 所示。 試驗中通常采用充罐法對防滑閥容量特性進行檢驗，負載為13L。 充氣時防滑閥MRV 和MHV 均 不得電， 排氣時MHV和MHV 同時得電。容量特性仿真結(jié)果見圖5 所示。 結(jié)果顯示：13L 風缸壓力由685kPa 降至255kPa所用時間t1=1.04s，實測 值 為1.1s；13L 風缸壓力由0 上升至430kPa 所用時間t2= 1.23s， 實測值為1.3s?？紤]到實際測試中氣源壓力的穩(wěn)定性、測量誤差等因素，仿真結(jié)果能夠正確反映防滑閥容量特性。

通過上述分析可以看出，仿真結(jié)果與試驗結(jié)果相近，能夠正確反映防滑閥的性能， 上述仿真模型是正確有效的。 下面的分析基于上述模型開展。

圖5 容量特性仿真曲線Fig.5 Capacity characteristic simulation curve

4 結(jié)構(gòu)參數(shù)影響分析

防滑閥結(jié)構(gòu)上由充氣閥和排氣閥組成，兩組閥功能上分別控制充氣和排氣，結(jié)構(gòu)原理上相似，且滑行控制時更多關(guān)注防滑閥的排氣性能， 故本文主要對防滑閥排氣閥（HV）部分的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)進行分析，主要包括圖1 所示的排氣閥口通徑D1、排氣閥膜片彈簧初始壓力（frv）、排氣先導電磁閥充氣通徑（d1）、排氣先導電磁閥排氣通徑（d2）。

4.1 排氣閥口通徑D1 影響分析

由圖6 所示，隨著排氣閥口通徑的增大，階段排氣量變大，排氣效率變高。防滑閥排氣通徑大小直接影響滑行時控制參數(shù)， 實際應用中可以根據(jù)需要選擇設置合適的防滑閥排氣口通徑。

圖6 不同排氣閥口通徑D1 特性曲線Fig. 6 Characteristic curve of different exhaust valve port diameter

4.2 排氣閥膜片彈簧初始壓力（frv）影響分析

從圖7 和圖8 仿真曲線可以看出，排氣膜片彈簧的初始壓力值對排氣效率無明顯的影響，但對負載的最終穩(wěn)定壓力值（簡稱殘壓值）有明顯的影響。 初始預緊力為1N、3.4N、7N、12N 時 對 應 的 殘 壓 值 分 別 為1.8kPa、3.7kPa、7.3kPa、12.5kPa，預緊力越大，負載殘壓值越高。 殘壓值過高對于制動系統(tǒng)是不可接受的， 設計中應控制彈簧的初始預緊力。

圖7 不同排氣彈簧初始力動作曲線Fig.7 Initial force action curve of different exhaust springs

4.3 排氣先導電磁閥充氣通徑d1影響分析

從圖9 可以看出，排氣先導閥的充氣通徑d1對防滑閥的階段排氣有明顯的影響，充氣通徑越小，初始階段排氣負載壓力下降的越多，負載壓力由排氣向保壓轉(zhuǎn)換的時刻越往后，保壓的時間越短。結(jié)合圖1 結(jié)構(gòu)分析，充氣通徑越小，作用于排氣膜片上腔的控制壓力建立的越慢，排氣閥口關(guān)閉也變慢，所以實際排氣時間會變長，壓力下降的更多。

圖8 負載排氣殘壓局部放大曲線Fig.8 Local amplification curve of residual pressure of load

圖9 不同排氣先導閥充氣通徑動作曲線Fig.9 Action curve of inflation diameter of different exhaust pilot valves

當充氣通徑d1下降到0.2mm 時，防滑閥充氣過程出現(xiàn)異常，負載壓力上升變慢。 圖10 所示，d1=0.2mm 時，充氣初始階段排氣膜片被打開1.5mm 左右，然后又關(guān)閉，從結(jié)構(gòu)上分析，這會導致充氣時排氣口在排氣，故防滑閥負載壓力上升變慢。 這種現(xiàn)象會導致制動距離變長，是不允許的。

圖10 排氣膜片動作位移曲線Fig.10 Displacement curve of exhaust diaphragm

綜上分析，先導排氣電磁閥充氣通徑d1越小，防滑閥由排氣切換到保壓的動作越慢， 當d1過小時易導致防滑閥充氣動作故障。 設計中需進行控制。

4.4 排氣先導電磁閥排氣通徑d2 影響分析

由圖11 可以看出，排氣先導閥（MRV）的排氣通徑d2對排氣效率影響明顯，對充氣階段無明顯影響。d2越小，階段排氣量越小；當d2降低至0.4mm 時，防滑閥無法實現(xiàn)階段排氣功能，原因為過小的排氣通徑d2會導致控制腔室V1的控制壓力無法及時排除，排氣膜片無法動作所致。

圖11 不同排氣口先導閥排氣通徑特性曲線Fig.11 Characteristic curve of pilot valve at different exhaust ports

5 結(jié)論

采用AMESim 軟件建立軌道交通車輛用防滑閥的仿真模型，仿真結(jié)果能夠很好反映防滑閥的特性，與試驗結(jié)果符合性好。

基于仿真模型，研究了防滑閥中排氣閥（HV）部分的排氣閥口通徑、排氣閥膜片彈簧初始壓力、排氣先導電磁閥充氣通徑、 排氣先導電磁閥排氣通徑等關(guān)鍵參數(shù)變化對防滑閥動作性能的影響， 對防滑閥的設計及優(yōu)化具有重要的指導作用。

通過對防滑閥結(jié)構(gòu)參數(shù)變化的影響分析， 對于防滑閥的應用和故障問題處理具有很好的指導意義。