CCBII制動系統(tǒng)自動制動過程的仿真研究

楊 樹，錢雪軍

（同濟大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院，上海 201804）

近年來，我國貨運列車的發(fā)展方向主要集中在重載運輸和提高運行速度上。載重的增加和速度的提升對機車制動系統(tǒng)整體性能的要求越來越高，而制動系統(tǒng)發(fā)展的核心是提高制動機的工作性能。在我國軌道交通發(fā)展的新時期，對鐵路機車制動系統(tǒng)的研究具有重要的實際意義[1-2]。

CCBII制動系統(tǒng)廣泛應(yīng)用在我國和諧系列電力機車上，其核心部件電空控制單元EPCU直接影響著制動缸壓力的精確控制。研究其內(nèi)部特性可以更穩(wěn)定、更精確、更高效地對電力機車的制動壓力進行合理控制，從而保障制動安全[3]。本文通過對CCBII自動制動作用過程原理的分析，結(jié)合相關(guān)的數(shù)據(jù)參數(shù)，在AMESim軟件中建立了制動系統(tǒng)的自動制動過程仿真模型，并分析了關(guān)鍵參數(shù)對仿真結(jié)果的影響。

1 自動制動原理

自動制動是通過CCBII制動機改變列車管壓力來控制機車和牽引列車的制動過程。在研究機車制動系統(tǒng)時，習(xí)慣上是根據(jù)位于司機操作室的電子制動閥的自動制動手柄和單獨制動手柄各位置的變換來確定機車制動系統(tǒng)各個主要部件之間的相互關(guān)系和作用規(guī)律，其中，兩個制動手柄的位置變換是由操縱列車或機車實際運行的情況決定的。當(dāng)制動機的單獨制動手柄位于運轉(zhuǎn)位，操縱自動制動手柄在制動區(qū)運行，機車就處于自動制動的運行狀態(tài)。本文主要研究的是制動機在此過程中各主要部件的相互作用關(guān)系。

1.1 CCBII制動系統(tǒng)的組成

CCBII制動系統(tǒng)的組成部分有電子制動閥EBV、集成處理器模塊IPM、駕駛室顯示模塊LCDM、繼電器接口模塊RIM和電空控制單元EPCU。其中，電空控制單元EPCU是制動系統(tǒng)的核心執(zhí)行部件，由均衡風(fēng)缸控制模塊ERCP、制動管控制模塊BPCP、13號管控制模塊13CP、16號管控制模塊16CP、20號管控制模塊20CP、制動缸控制模塊BCCP構(gòu)成[4-5]。

1.2 自動制動氣路關(guān)鍵部件

在自動制動過程中，機車和列車的氣路控制關(guān)系如圖1所示。

圖1 自動制動氣路控制關(guān)系

在自動制動的氣路中，各個控制模塊的關(guān)鍵部件連接示意圖如圖2所示。其中，MR表示總風(fēng)，EX表示向大氣排風(fēng)。

圖2 自動制動氣路關(guān)鍵部件連接示意

1.2.1 ERCP關(guān)鍵部件

APP1電磁閥與REL1電磁閥是ERCP中的作用與緩解電磁閥，分別控制總風(fēng)向均衡風(fēng)缸充風(fēng)與均衡風(fēng)缸向大氣排風(fēng)。MVER為均衡模塊電磁閥，與連接的機械閥共同作用，在MVER得電時，受控的機械閥接通均衡風(fēng)缸和APP1、REL1兩個電磁閥，均衡風(fēng)缸才能接受REL1、APP1的控制。

1.2.2 BPCP關(guān)鍵部件

BPRelay是BPCP模塊的作用閥，接受均衡風(fēng)缸的控制壓力并產(chǎn)生制動管壓力，實現(xiàn)對車輛的常用制動和緩解控制，在作用閥的排風(fēng)口存在一個節(jié)流孔限制制動管的排風(fēng)速度，使得作用閥實現(xiàn)常用制動功能而非緊急制動。MV53電磁閥和BPCO機械閥共同作用，MV53失電時，BPCO接通BPRelay與制動管，允許BPRelay控制制動管壓力。BPT是列車管的壓力傳感器，將列車管的壓力傳輸?shù)絀PM進行數(shù)據(jù)處理。21號管是機車的緊急排風(fēng)管，在緊急制動時排風(fēng)。EMV和MVEM是位于BPCP模塊的緊急電磁閥，在緊急制動時得電，產(chǎn)生緊急制動作用，PVEM是緊急放風(fēng)閥，在21號管排風(fēng)時PVEM進行緊急放風(fēng)動作，使得制動管中的空氣迅速排向大氣，壓力迅速下降，保證緊急制動的產(chǎn)生。

1.2.3 16CP關(guān)鍵部件

APP2與REL2是16CP中的作用電磁閥與緩解電磁閥，分別控制總風(fēng)向16號管充風(fēng)與16號管向大氣排風(fēng)。MV16與MVER控制方式與功能實現(xiàn)相似，MV16得電時，16號管接收REL2、APP2的控制指令。16T是16號管的壓力傳感器，將16號管的壓力傳輸?shù)絀PM進行數(shù)據(jù)處理。PVE是位于16CP模塊的緊急壓力閥，在制動管壓力低于140 KPa時產(chǎn)生動作，能夠使總風(fēng)通過ELV向16號管充風(fēng)，ELV是緊急限壓閥，在緊急排風(fēng)過程中使得總風(fēng)通過緊急壓力閥到16號管的壓力不超過440 kPa。

1.2.4 BCCP關(guān)鍵部件

BCCP作用閥能夠按照16號管控制壓力1∶1的比例產(chǎn)生制動管壓力。

1.3 常用制動原理

在自動制動作用的常用制動過程中，均衡風(fēng)缸ER和制動管BP減壓排風(fēng)，其壓力下降的比例為1∶1。總風(fēng)向16號管充風(fēng)，16號管增加的壓力與制動管減少的壓力為2.5∶1，其中制動管的壓力通過BPT傳輸?shù)絀PM，16號管的壓力通過16T傳輸給IPM，在IPM進行數(shù)據(jù)處理，16T同APP2和REL2配合，共同作用，實現(xiàn)對16號管壓力的精準控制。BCCP作用閥響應(yīng)16號管的壓力變化，使總風(fēng)向制動缸BC充風(fēng)到與16號管壓力相等。

1.4 緊急制動原理

在緊急制動過程中，在自動制動閥后安裝的氣動閥件21號管排風(fēng)閥動作，21號管向大氣排風(fēng)，位于BPCP模塊中的兩個緊急電磁閥EMV和MVEM得電，產(chǎn)生緊急作用，受到21號管排風(fēng)的控制，PVEM緊急放風(fēng)閥控制制動管迅速減壓到0。均衡風(fēng)缸ER以常用制動的速率減壓到0。16CP迅速通過主風(fēng)給16號管充風(fēng)到最大允許的壓力，同時BCCP模塊響應(yīng)16號管的壓力變化，制動缸BC充風(fēng)產(chǎn)生緊急制動作用。

2 自動制動氣路仿真模型

2.1 AMESim仿真軟件

AMESim軟件是多學(xué)科領(lǐng)域復(fù)雜系統(tǒng)建模仿真平臺，被廣泛應(yīng)用于液壓、氣動、機械、熱分析、控制、電氣等領(lǐng)域的系統(tǒng)建模仿真[6]。它能夠從基本元素出發(fā)，避開繁瑣的數(shù)學(xué)建模過程而直接建立圖形化的物理模型。其內(nèi)部集成電系統(tǒng)庫、流體系統(tǒng)庫、熱系統(tǒng)庫、機械系統(tǒng)庫、控制系統(tǒng)庫、氣動元件庫、信號控制元件庫等眾多的元件應(yīng)用庫，用戶可根據(jù)自己的需要進行建模。綜上，本文采取AMESim軟件進行建模。

2.2 模型結(jié)構(gòu)

根據(jù)自動制動作用的相關(guān)原理及自動制動位的氣路簡圖，結(jié)合AMESim軟件的氣動元件庫及信號控制元件庫的相關(guān)元件，建立自動制動的氣路模型如圖3所示。

圖3 自動制動作用的制動位氣路模型

其中，MVER和MV53電磁閥視作接通狀態(tài)，即緩解電磁閥REL1和制動管作用閥BPRelay能夠控制均衡風(fēng)缸ER和制動管BP[7-8]。緊急電磁閥MVEM與EMV功能類似，等效為一個電磁閥，緊急限壓閥ELV可以設(shè)置為恒定壓力來等效。其余各個電磁閥通過給定的控制信號與壓力傳感器反饋信號的比較結(jié)果來控制開通或關(guān)斷，在常用制動時，實現(xiàn)均衡風(fēng)缸ER下降的壓力、制動管BP下降的壓力、16號管上升的壓力和制動缸BC上升的壓力的比例為1∶1∶2.5∶2.5。在緊急制動時，各個緊急閥件產(chǎn)生緊急作用，制動管內(nèi)壓力迅速排空，16號管及制動缸的壓力迅速上升。

2.3 仿真運行

2.3.1 常用制動

常用制動時，設(shè)置總風(fēng)溫度為20℃，壓力為900 kPa，總風(fēng)為恒定壓力風(fēng)源[9]。均衡風(fēng)缸與列車制動管定壓為500 kPa。工況為制動管投入的本機運行模式，設(shè)定機車連掛換長為20的列車（列車長度220 m），單獨制動閥置于運轉(zhuǎn)位，自動制動閥在制動區(qū)的全制動位。給定控制信號來模擬制動系統(tǒng)自動制動作用的全制動位，即均衡風(fēng)缸與制動管壓力下降140 kPa，16號管與制動缸壓力升高約350 kPa。設(shè)置仿真時間為20 s，仿真0～3 s期間，電磁閥REL1關(guān)斷，均衡風(fēng)缸處于保壓狀態(tài)。在3 s時，給均衡風(fēng)缸一個140 kPa的降壓信號。仿真期間，均衡風(fēng)缸、制動管、16號管、制動缸壓力仿真曲線如圖4所示。

圖4 全制動位壓力仿真曲線

觀察壓力曲線可知，在0～3 s期間，均衡風(fēng)缸保壓，均衡風(fēng)缸與制動管壓力為定壓值500 kPa，在接受到3 s時的壓降信號后，均衡風(fēng)缸迅速排風(fēng)至壓力為360 kPa，響應(yīng)時間為0.2 s，制動管在5.2 s左右的時間內(nèi)降壓至360 kPa。16號管響應(yīng)制動管壓力的變化，5.4 s的時間內(nèi)壓力升到350 kPa左右，制動缸的壓力變化與16號管的壓力變化基本同步，最終穩(wěn)定在350 kPa左右。仿真系統(tǒng)的快速性、準確性和穩(wěn)定性基本滿足控制要求。

2.3.2 緊急制動

緊急制動時，總風(fēng)條件與均衡風(fēng)缸定壓等條件保持不變。工況為本機運行，單獨制動閥置于運轉(zhuǎn)位，自動制動閥在緊急位。給定控制信號來模擬制動系統(tǒng)自動制動作用的緊急制動位，即制動管壓力迅速下降至0，均衡風(fēng)缸按照原定速率降壓至0，16號管與制動缸壓力升高約450 kPa。設(shè)置仿真時間為20 s，0～3 s期間，模型的運行狀態(tài)與常用制動時相同，在3 s時給定一個緊急制動的信號。仿真期間，均衡風(fēng)缸、制動管、16號管、制動缸壓力仿真曲線如圖5所示。

圖5 緊急制動位壓力仿真曲線

觀察壓力曲線可知，在接收到3 s時的緊急制動信號后，制動管的壓力在0.4 s內(nèi)迅速從500 kPa降至0，由于均衡風(fēng)缸的容積較小，響應(yīng)時間約為1 s。16號管響應(yīng)制動管BP的壓力變化，在制動管壓力低于140 kPa時，緊急壓力閥作用，16號管迅速增壓至最大允許壓力450 kPa左右，制動缸壓力響應(yīng)16號管的壓力變化，最終升壓至450 kPa左右。仿真系統(tǒng)緊急制動過程的曲線基本滿足控制要求。

3 關(guān)鍵參數(shù)的影響

綜上，本文建立的系統(tǒng)仿真模型能夠直觀反映自動制動過程中氣路關(guān)鍵模塊的壓力變化。本章節(jié)將進一步結(jié)合仿真模型，分析關(guān)鍵參數(shù)對自動制動的影響，探討如何改善制動系統(tǒng)的制動性能。選取的工況為常用制動。

3.1 作用閥排氣口截面積的影響

在工況及其他參數(shù)保持不變時，設(shè)置制動管作用閥排氣孔口截面積分別為15 mm2、20 mm2、25 mm2、30 mm2、35 mm2。運行仿真模型，得到制動管及制動缸的壓力曲線如圖6所示。

圖6 孔口截面積對制動管及制動缸壓力影響仿真曲線

觀察分析曲線可得，孔口截面積越小，制動管及制動缸對壓力信號的響應(yīng)時間越長，即系統(tǒng)的快速性越差；孔口截面積的大小與制動管和制動缸最終的穩(wěn)定值無關(guān)，即截面積參數(shù)對系統(tǒng)的準確性無影響。隨著孔口截面積的增加，對壓力信號響應(yīng)時間的影響在縮小。作用閥孔口截面積在25 mm2的基礎(chǔ)上進一步增大時，對改善響應(yīng)時間的效果并不明顯，且在實際應(yīng)用中孔口截面積的增大可能會增加氣體泄漏的流量[10]。綜上，仿真模型中作用閥的排氣口孔口截面積取值為25 mm2。

3.2 列車長度的影響

對于連掛不同換長的車輛，相應(yīng)的制動管容積也不同，根據(jù)列車長度的變化，計算等效的制動管容積的變化，通過仿真曲線反映整個制動管平均壓力的變化。在工況及其它參數(shù)保持不變的情況下，設(shè)置機車連掛列車換長分別為20、30、40、50、60（列車長度220 m、330 m、440 m、550 m、660 m），運行仿真模型，得到制動管及制動缸的壓力曲線，如圖7所示。

圖7 車輛長度對制動管及制動缸壓力影響仿真曲線

觀察并分析曲線可知，連掛車輛的長度越短，制動管與制動缸的壓力響應(yīng)時間越短，即快速性越好。連掛不同長度的車輛時，制動管及制動缸的穩(wěn)定值保持不變，即列車的長度對系統(tǒng)的準確性無影響。同等制動能力的機車連掛的列車越長，制動缸曲線上升速度越緩，相應(yīng)制動時間增加，制動距離上升。綜上，為獲得更好的制動性能，當(dāng)連掛列車長度較長時，應(yīng)該選擇制動能力更優(yōu)的的機車。

4 結(jié)束語

本文基于CCBII制動系統(tǒng)自動制動作用的原理，抽象并簡化了自動制動氣路圖，使用AMESim軟件建立了自動制動作用下的仿真模型。經(jīng)測試，該仿真模型能夠滿足設(shè)計要求?；谠摲抡婺Ｐ停治隽岁P(guān)鍵參數(shù)作用閥排氣口截面積及列車長度對自動制動的影響，得出影響規(guī)律，對鐵路機車制動系統(tǒng)的研究具有一定的參考意義。