高速列車防滑控制仿真方法研究

劉同新,王 鵬,杜振振,孫全濤,趙 欣

(1.中車制動(dòng)系統(tǒng)有限公司,山東 青島 266031;2.西安市軌道交通集團(tuán)有限公司 運(yùn)營(yíng)分公司,陜西 西安 710016;3.山東電力建設(shè)第三工程有限公司,山東 青島 266100)

防滑系統(tǒng)是高速列車制動(dòng)系統(tǒng)的關(guān)鍵部件之一,其性能直接關(guān)系到列車運(yùn)行的安全性?，F(xiàn)有高速列車防滑性能主要通過線路試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。線路試驗(yàn)成本高,耗時(shí)長(zhǎng),且實(shí)施條件有限,往往較難達(dá)到試驗(yàn)效果。另外,線路試驗(yàn)可重復(fù)性差,也不便于進(jìn)行新型防滑裝置及防滑控制算法的研究。通過仿真方法驗(yàn)證防滑系統(tǒng)防滑控制性能,可避免線路試驗(yàn)的限制。

國(guó)外在該防滑控制仿真技術(shù)領(lǐng)域已進(jìn)行了相關(guān)研究,并且在BS EN 15595:2009《鐵路設(shè)施 制動(dòng) 輪架保護(hù)》 及UIC 541-05:2005《制動(dòng)機(jī)部件制造規(guī)程車輪防滑裝置》等權(quán)威標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)軌道車輛防滑控制仿真試驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行了介紹及限定,并且規(guī)定了簡(jiǎn)單的仿真試驗(yàn)方法。

1 高速列車防滑系統(tǒng)

高速列車防滑系統(tǒng)由防滑控制單元、防滑排風(fēng)閥、速度傳感器及測(cè)速齒輪等組成,高速列車防滑系統(tǒng)能夠減小車輛制動(dòng)過程中因?yàn)檩嗆夝ぶ鴾p小而發(fā)生的過度滑行,防止車輪抱死,避免車輪擦傷,并且通過控制輪對(duì)滑移來保證輪軌黏著,獲得較短的制動(dòng)距離。

傳統(tǒng)防滑控制試驗(yàn)均須在專用線路進(jìn)行,仿真方法僅僅局限于初步的功能邏輯驗(yàn)證,并且仿真方法及仿真環(huán)境簡(jiǎn)單,并不能較為真實(shí)地驗(yàn)證防滑控制效果,無法用于替代線路試驗(yàn)。

2 防滑控制仿真方法

應(yīng)用高效的專用仿真軟件,在借鑒先進(jìn)輪軌接觸理論基礎(chǔ)上,搭建高速列車縱向動(dòng)力學(xué)模型庫(kù)及系統(tǒng)模型,應(yīng)用穩(wěn)定可靠的實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng),集成高速列車防滑控制仿真環(huán)境,完成高速列車空氣制動(dòng)防滑試驗(yàn)驗(yàn)證,成為防滑控制仿真的有效方法。

圖1為應(yīng)用AMEsim軟件搭建列車空氣制動(dòng)系統(tǒng)、防滑閥等氣動(dòng)部件模型。應(yīng)用Simulink搭建列車電制動(dòng)力模型,應(yīng)用SimulationX軟件搭建列車動(dòng)力學(xué)模型,充分利用了AMEsim、Simulink、Simula-tionX等仿真軟件在氣動(dòng)部件建模、數(shù)學(xué)建模及系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)建模的優(yōu)勢(shì)。

圖1 高速列車防滑控制仿真環(huán)境原理框圖

上述模型均進(jìn)行實(shí)時(shí)化后運(yùn)行于基于NI VeriStand的實(shí)時(shí)仿真機(jī)中,各模型之間通過定義的變量接口進(jìn)行數(shù)據(jù)交互,協(xié)調(diào)運(yùn)行,集成了高速列車防滑控制仿真環(huán)境。

2.1 高速列車動(dòng)力學(xué)模型庫(kù)

防滑控制主要關(guān)注列車縱向運(yùn)動(dòng)軸速信息,因此根據(jù)列車基本物理結(jié)構(gòu)的邏輯關(guān)系,應(yīng)用SimulationX軟件,采用功能性模型的形式,搭建列車動(dòng)力學(xué)模型庫(kù),基于模型庫(kù)搭建了單車子系統(tǒng)模型,并且建立了8編組列車動(dòng)力學(xué)模型。

列車動(dòng)力學(xué)模型庫(kù)包括輪軌接觸模型庫(kù)、軸重計(jì)算模型庫(kù)、單車縱向運(yùn)動(dòng)模型庫(kù)、空氣制動(dòng)力模型庫(kù)、車鉤及緩沖器模型庫(kù)。

子系統(tǒng)庫(kù)包含:動(dòng)車單車子系統(tǒng)模型、拖車單車子系統(tǒng)模型。

2.1.1 輪軌接觸模型

動(dòng)力學(xué)模型的關(guān)鍵為輪軌接觸模型,基于Polach.O 教授的輪軌接觸原理,搭建輪軌接觸模型(圖2)。

圖2 輪軌接觸模型結(jié)構(gòu)

根據(jù)高速列車防滑控制的運(yùn)行需求,通過設(shè)置輪軌接觸模型的參數(shù),可以進(jìn)行干軌、濕軌、油污及低黏著等不同工況下的防滑控制仿真試驗(yàn)。圖3為輪軌接觸模型參數(shù)配置。

圖3 輪軌接觸模型參數(shù)配置

2.1.2 車鉤及緩沖器模型

基于半永久車鉤基本原理,搭建功能型緩沖器模型,用于模擬其靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性。

緩沖器靜態(tài)特性參數(shù)可從靜態(tài)特性試驗(yàn)數(shù)據(jù)中獲取。

緩沖器的動(dòng)態(tài)特性需從油氣緩沖器的功能原理進(jìn)行分析。油氣緩沖器的動(dòng)態(tài)特性主要是阻尼力,而阻尼力的主要影響因素是油氣緩沖器內(nèi)部的節(jié)流閥(節(jié)流孔),從而可以開展相應(yīng)的理論分析。

活塞缸的油壓與作用力的關(guān)系為:

F=P·S

(1)

式中:S為橫面積。

節(jié)流方程為:

(2)

式中:Q為流量;Cq為系數(shù);A為節(jié)流閥開口通徑;ΔP為閥進(jìn)口壓力差;ρ為油液密度。

流量與速度的關(guān)系為:

Q=v·S

(3)

式中:v為緩沖器兩端流速差。

由式(1)～(3)可得,作用力與緩沖器兩端速度差的函數(shù)關(guān)系為:

F=f(v2)

(4)

因此,在功能型緩沖器模型中把動(dòng)態(tài)阻尼力描述為緩沖器兩端速度差二次方的函數(shù),函數(shù)中的系數(shù)可通過緩沖器動(dòng)態(tài)試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)來標(biāo)定。

在緩沖器模型中,動(dòng)態(tài)阻尼力的參數(shù)可通過SimulationX動(dòng)態(tài)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置,并根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)緩沖器的靜態(tài)、動(dòng)態(tài)特性均標(biāo)定,標(biāo)定結(jié)果如圖4所示。

圖4 車鉤及緩沖器靜態(tài)及動(dòng)態(tài)特性驗(yàn)證仿真結(jié)果

2.1.3 軸重計(jì)算模型

根據(jù)平面力系的力平衡和力矩平衡,如圖5所示,可以建立如下方程組:

圖5 軸重計(jì)算原理

Fa·h=G·Lf-Fnr(Lr+Lf)

(5)

Fa·h=-G·Lr+Fnf(Lr+Lf)

(6)

式中:Fa為列車慣性力,h為重心高度,G為重力,Lf為重心距前轉(zhuǎn)向架中心距離,Lr為重心距后轉(zhuǎn)向架中心距離,Fnr為后軸重,Fnf為前軸重。

根據(jù)上述方程組,即可求出與慣性力有關(guān)的前后軸重。

2.1.4 單車縱向運(yùn)動(dòng)模型

單車縱向運(yùn)動(dòng)模型主要包含質(zhì)量模型、惰行阻力、軸重計(jì)算模型、機(jī)械摩擦模型及若干信號(hào)庫(kù)模塊,如圖6所示。

圖6 一維縱向動(dòng)力學(xué)模型結(jié)構(gòu)圖

列車縱向運(yùn)動(dòng)模型中,坡度的設(shè)置方式有兩種:一是直接設(shè)置坡度角;二是使用表格描述地形,然后使用模型根據(jù)地形表格自動(dòng)計(jì)算的坡度角,如圖7所示。

圖7 表格描述地形示意圖

2.1.5 空氣制動(dòng)力模型

空氣制動(dòng)力的施加主要靠制動(dòng)夾鉗實(shí)現(xiàn),空氣制動(dòng)力建模基于SimulationX軟件,通過在TypeDesigner中建立制動(dòng)力矩方程來實(shí)現(xiàn)(圖8)。

圖8 動(dòng)車制動(dòng)模塊軟件實(shí)現(xiàn)

2.1.6 電制動(dòng)力模型

電制動(dòng)力模型應(yīng)用Simulink軟件搭建?；贑RH380B型動(dòng)車組電制動(dòng)力曲線,并且進(jìn)行實(shí)際數(shù)據(jù)標(biāo)定,模擬電制動(dòng)力的輸出控制。

如圖9所示,模型輸入主要有電制動(dòng)請(qǐng)求百分比、車速、車廂號(hào)、電制動(dòng)衰減百分比,并且配合電制動(dòng)切除信號(hào)、電制動(dòng)變化限制等參數(shù)。輸出主要有電制動(dòng)力實(shí)際值。

圖9 電制動(dòng)力建模

2.2 動(dòng)力學(xué)模型集成

2.2.1 動(dòng)力學(xué)模型集成

基于上述模型庫(kù),搭建單車及列車級(jí)的動(dòng)力學(xué)模型,分別如圖10、圖11所示。

圖10 單車動(dòng)力學(xué)模型

圖11 8輛編組動(dòng)車組動(dòng)力學(xué)模型

2.2.2 動(dòng)力學(xué)模型標(biāo)定

根據(jù)高速輪軌關(guān)系試驗(yàn)數(shù)據(jù)以及實(shí)車防滑試驗(yàn)數(shù)據(jù),進(jìn)行動(dòng)力學(xué)模型標(biāo)定,獲取試驗(yàn)過程中黏著相關(guān)數(shù)據(jù)。

為了對(duì)比仿真結(jié)果和試驗(yàn)數(shù)據(jù),采用開環(huán)仿真對(duì)比和閉環(huán)仿真對(duì)比兩種方式,分別對(duì)干軌和濕軌兩種工況進(jìn)行標(biāo)定。

在開環(huán)系統(tǒng)仿真模型中,對(duì)拖車動(dòng)力學(xué)模型施加實(shí)際試驗(yàn)數(shù)據(jù)中制動(dòng)壓力,對(duì)比輪速和車速,評(píng)估仿真精度,如圖12所示,分別為制動(dòng)初速度為160 km/h、250 km/h、300 km/h、380 km/h的干軌制動(dòng)試驗(yàn)及仿真數(shù)據(jù)曲線,可知在不同速度級(jí)別下,每一時(shí)刻仿真車速同真實(shí)試驗(yàn)數(shù)據(jù)誤差不超過5%。

圖12 干軌制動(dòng)試驗(yàn)及仿真數(shù)據(jù)曲線

在閉環(huán)系統(tǒng)仿真模型中,建立簡(jiǎn)單閉環(huán)策略,控制施加于動(dòng)力學(xué)模型的制動(dòng)力與實(shí)際試驗(yàn)制動(dòng)壓力一致,對(duì)比仿真輪速與實(shí)際輪速,評(píng)估仿真精度。

如圖13～15所示,制動(dòng)初速度分別為160、250、300 km/h的濕軌防滑試驗(yàn)及仿真數(shù)據(jù)曲線,可知在不同速度級(jí)別下,制動(dòng)缸壓力變化趨勢(shì)基本同實(shí)際試驗(yàn)數(shù)據(jù)一致,不同時(shí)刻仿真輪速同真實(shí)試驗(yàn)數(shù)據(jù)誤差不超過5%。

圖13 制動(dòng)初速度為160 km/h的濕軌防滑試驗(yàn)及仿真數(shù)據(jù)曲線

圖14 制動(dòng)初速度為250 km/h的濕軌防滑試驗(yàn)及仿真數(shù)據(jù)曲線

圖15 制動(dòng)初速度為300 km/h的濕軌防滑試驗(yàn)及仿真數(shù)據(jù)曲線

2.3 制動(dòng)模塊模型

根據(jù)空氣制動(dòng)系統(tǒng)氣路原理,結(jié)合防滑系統(tǒng)應(yīng)用需求,搭建制動(dòng)系統(tǒng)制動(dòng)模塊模型如圖16所示。制動(dòng)模塊模型接收來自EBCU的控制信號(hào),施加相應(yīng)的空氣制動(dòng)力,模擬列車不同制動(dòng)工況。制動(dòng)模塊模型根據(jù)CRH380B型動(dòng)車試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行不同制動(dòng)級(jí)別制動(dòng)壓力、制動(dòng)響應(yīng)時(shí)間等數(shù)據(jù)標(biāo)定如圖17～圖18所示。保證與現(xiàn)車試驗(yàn)數(shù)據(jù)一致。

圖16 制動(dòng)系統(tǒng)制動(dòng)模塊模型

圖17 防滑閥階段充排風(fēng)仿真曲線

圖18 制動(dòng)模塊壓力控制仿真曲線

2.4 防滑控制仿真試驗(yàn)環(huán)境

將高速列車動(dòng)力學(xué)模型、制動(dòng)模塊模型及電制動(dòng)力模型進(jìn)行實(shí)時(shí)化,然后集成到基于NI VeriStand的實(shí)時(shí)仿真機(jī)中,如圖19所示,進(jìn)行模型參數(shù)配置,不同模型變量關(guān)聯(lián)以及仿真模型管理等,建立防滑控制仿真試驗(yàn)環(huán)境。

圖19 防滑控制仿真試驗(yàn)環(huán)境控制界面

3 高速列車防滑系統(tǒng)仿真試驗(yàn)

基于高速列車防滑系統(tǒng)仿真試驗(yàn)環(huán)境,進(jìn)行了時(shí)速380 km/h、300 km/h制動(dòng)初速度純空氣緊急制動(dòng)防滑試驗(yàn)以及時(shí)速300 km/h制動(dòng)初速度電空復(fù)合緊急制動(dòng)試驗(yàn),經(jīng)過上述試驗(yàn),驗(yàn)證了防滑控制仿真試驗(yàn)環(huán)境仿真能力。

圖20、21分別為模擬列車加速至300 km/h、380 km/h,施加純空氣緊急制動(dòng),輪軌接觸條件為低黏著的仿真試驗(yàn)結(jié)果。

圖20 300 km/h純空氣緊急制動(dòng)防滑試驗(yàn)

圖21 380 km/h 純空氣緊急制動(dòng)防滑試驗(yàn)

圖22、23分別為模擬列車加速至300 km/h,施加電空復(fù)合緊急制動(dòng),輪軌接觸條件為低黏著的仿真試驗(yàn)結(jié)果。

圖22 300 km/h電空復(fù)合緊急制動(dòng)防滑試驗(yàn)曲線

圖23 300 km/h電空復(fù)合緊急制動(dòng)防滑試驗(yàn)臺(tái)監(jiān)控曲線

由防滑試驗(yàn)曲線結(jié)果可知:

在列車速度大于30 km/h且小于100 km/h時(shí),滑行軸均在5%～25%的滑移率范圍內(nèi)滑行;車速大于100 km/h時(shí),滑行軸速度差控制在10～40 km/h內(nèi)。

車速小于30 km/h時(shí),速度差控制在較小范圍內(nèi),避免輪對(duì)滑行抱死;進(jìn)而驗(yàn)證了防滑既有控制策略,低速時(shí),防滑系統(tǒng)響應(yīng)更靈敏,避免輪對(duì)抱死擦傷。高速時(shí),防滑系統(tǒng)允許一定深度的滑行,充分利用黏著,保證制動(dòng)距離。

仿真試驗(yàn)中均未發(fā)生輪對(duì)抱死現(xiàn)象。低黏著條件下制動(dòng)距離較干軌的制動(dòng)距離延長(zhǎng)不超過15%。

上述速度差以及防滑試驗(yàn)制動(dòng)距離的延長(zhǎng)均滿足UIC 541-05:2016及TB/T 3009—2019標(biāo)準(zhǔn)中不同速度段最大滑行速度差限制以及防滑試驗(yàn)制動(dòng)距離的相關(guān)要求。

通過系列仿真試驗(yàn)表明,基于動(dòng)力學(xué)模型搭建的高速列車防滑控制仿真試驗(yàn)環(huán)境能夠有效地應(yīng)用于高速列車的防滑控制仿真試驗(yàn)驗(yàn)證,達(dá)到驗(yàn)證防滑控制效果,優(yōu)化控制邏輯的目的,并且能夠取代部分線路。

4 結(jié)論

防滑系統(tǒng)試驗(yàn)大都采用線路試驗(yàn)方式,具有成本高、耗時(shí)長(zhǎng)、重復(fù)性差、線路條件有限等限制因素。利用半實(shí)物仿真試驗(yàn)環(huán)境替代傳統(tǒng)線路試驗(yàn),能夠有效地進(jìn)行部分防滑試驗(yàn)的實(shí)施以及新型防滑控制方法的驗(yàn)證。

應(yīng)用AMEsim、Simulink、SimulationX等高效的建模工具,基于先進(jìn)輪軌接觸理論,搭建高速列車縱向動(dòng)力學(xué)模型,集成高速列車防滑控制仿真試驗(yàn)環(huán)境,基于該仿真環(huán)境進(jìn)行了高速列車防滑系統(tǒng)仿真試驗(yàn),成為一套有效的防滑控制仿真方法。

通過系列高速防滑試驗(yàn),驗(yàn)證了防滑仿真試驗(yàn)環(huán)境以及仿真方法的有效性。