李邦國，楊偉君，金哲，李和平，武青海

（中國鐵道科學(xué)研究院 機(jī)車車輛研究所，北京100081）

制動系統(tǒng)是動車組的關(guān)鍵技術(shù)之一，直接影響著列車的安全性和平穩(wěn)性。隨著列車速度的提高，對制動系統(tǒng)提出了更高的要求［1］。試驗(yàn)手段一直以來都是研究列車制動問題的重要手段。但是試驗(yàn)尤其是線路試驗(yàn)需要占用運(yùn)營線路，不僅耗費(fèi)時(shí)間，花費(fèi)大量的經(jīng)費(fèi)，數(shù)據(jù)結(jié)果的離散性較大，而且需要比較長的試驗(yàn)周期。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)快速發(fā)展，為計(jì)算機(jī)仿真分析技術(shù)創(chuàng)造了條件。利用計(jì)算機(jī)建立仿真模型并對之進(jìn)行分析計(jì)算，不僅可以模擬各種復(fù)雜的工況，而且可極大降低產(chǎn)品開發(fā)成本，縮短開發(fā)周期。

國外早已認(rèn)識到采用計(jì)算機(jī)技術(shù)對制動系統(tǒng)進(jìn)行模擬研究的重要性。美國新罕布什爾大學(xué)與紐約空氣制動機(jī)公司、伊利諾斯工學(xué)院與美國鐵路學(xué)會、日本鐵道技術(shù)研究所、印度工學(xué)院等都相繼開發(fā)了適合本國空氣制動系統(tǒng)的模型。

中國鐵道科學(xué)研究院機(jī)車車輛研究所建立了高速列車制動系統(tǒng)計(jì)算機(jī)綜合仿真分析設(shè)計(jì)平臺，該設(shè)計(jì)平臺包括氣動系統(tǒng)數(shù)值仿真分析設(shè)計(jì)平臺。平臺是基于法國LMS Imagine公司開發(fā)AMESim軟件，進(jìn)行二次開發(fā)形成的多學(xué)科復(fù)雜系統(tǒng)高級建模和仿真平臺。AMESim是基于物理模型的圖形化建模平臺，具有較高的準(zhǔn)確性和可靠性。氣動系統(tǒng)數(shù)值仿真分析設(shè)計(jì)平臺包含了大量的氣壓元件、氣源和管路等的數(shù)學(xué)模型，這些元件的數(shù)學(xué)模型充分考慮了氣體的可壓縮性、元件的非線性特性等［2］。與試驗(yàn)手段相比，計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)借助于先進(jìn)的計(jì)算機(jī)仿真軟件，能模擬整車的制動系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境，能仿真分析制動系統(tǒng)的各項(xiàng)功能，能節(jié)省大量的人力和財(cái)力，能縮短制動系統(tǒng)的研發(fā)周期。

利用鐵科院機(jī)輛所的氣動系統(tǒng)數(shù)值仿真分析設(shè)計(jì)平臺，建立了高速動車組備用制動系統(tǒng)關(guān)鍵部件的仿真模型，分析了備用制動的工作過程，為高速動車組備用制動系統(tǒng)的研發(fā)和設(shè)計(jì)優(yōu)化提供了理論依據(jù)。

1 備用制動系統(tǒng)組成及原理

高速動車組備用制動系統(tǒng)由備用制動模塊、分配閥模塊、基礎(chǔ)制動單元、風(fēng)源模塊和風(fēng)缸等組成（見圖1）。在列車正常運(yùn)行時(shí)試驗(yàn)電空制動系統(tǒng)，當(dāng)電空制動系統(tǒng)發(fā)生故障、或列車需要救援、回送時(shí)，列車采用備用制動系統(tǒng)時(shí)，通過轉(zhuǎn)化塞門將備用制動激活。這時(shí)列車制動、緩解由備用制動控制器來完成。在列車救援回送時(shí)，可由采用自動式空氣制動系統(tǒng)的既有機(jī)車操縱控制，列車管的額定壓力為600kPa。

圖1 CRH3動車組備用制動系統(tǒng)原理示意圖

2 仿真模型的建立

制動系統(tǒng)氣動元件建模是一項(xiàng)復(fù)雜的工作，特別是閥類元件。如果所使用的某些系數(shù)不夠準(zhǔn)確將直接影響所建模型的仿真準(zhǔn)確性，所以需要重新確定諸如流量系數(shù)Cq等參數(shù)。在確定這些參數(shù)時(shí)主要是采用流場分析和試驗(yàn)的方法并結(jié)合前人的研究、試驗(yàn)成果。下面介紹制動系統(tǒng)中控制閥內(nèi)常見的節(jié)流器模型。

2.1 節(jié)流器模型

在分配閥及其他氣動部件的建模中，節(jié)流器是常使用的模型，節(jié)流器模型的質(zhì)量流量表達(dá)式為：

式中，Pup是上游壓力，Tup是上游溫度，Cm是質(zhì)量流量參數(shù)。

流量從音速轉(zhuǎn)變成亞音速的臨界壓力比使用下列方程計(jì)算：

當(dāng)Pdown／Pup＞Pcr時(shí)，氣流為亞音速；

當(dāng)Pdown／Pup≤Pcr時(shí)，氣流為音速。

計(jì)算中用到的壓力（Pup和Pdown）是絕對壓力，Pdown是下游壓力。

2.2 分配閥模型

分配閥的結(jié)構(gòu)如圖2所示。在活塞a兩側(cè)，來自輔助風(fēng)缸R的壓縮空氣和來自列車管L的壓縮空氣平衡。當(dāng)列車管減壓時(shí)，活塞a向右移動，頂開進(jìn)氣閥e。來自輔助風(fēng)缸的壓縮空氣經(jīng)進(jìn)氣閥e到達(dá)制動缸C，從而產(chǎn)生使列車制動的制動力。

根據(jù)分配閥的結(jié)構(gòu)，建立分配閥的氣動仿真模型，所建立的仿真模型如圖3所示

圖2 分配閥結(jié)構(gòu)圖

圖3 分配閥仿真模型

基于如圖3所示的仿真模型，在L口控制壓力進(jìn)行階減壓，得到如圖4所示的分配閥階段制動仿真曲線（圖中壓力為絕對壓力），當(dāng)列車管減壓量為150kPa時(shí)，分配閥C口輸出壓力為488kPa；當(dāng)列車管減壓量為170kPa時(shí)，分配閥C口輸出壓力為546kPa。將絕對壓力轉(zhuǎn)換成相對壓力，并與設(shè)計(jì)指標(biāo)和試驗(yàn)指標(biāo)對比，見表1，可見分配閥仿真模型與設(shè)計(jì)指標(biāo)和試驗(yàn)指標(biāo)接近，仿真模型有效。

圖4 階段制動曲線

表1 分配閥輸出設(shè)計(jì)指標(biāo) kPa

當(dāng)一個(gè)模型變得越來越大時(shí)，在AMESim中查找一個(gè)特殊的組件或者快速瀏覽全系統(tǒng)就變得越來越困難，但是超級元件工具解決了這些問題。為了簡化系統(tǒng)模型，建立了分配閥的超級元件，如圖5所示，將其與圖3所示模型的接口相關(guān)聯(lián)，圖3所示模型和圖5所示模型是等同的，其中BP接口與L接口等同，Cv接口與C接口等同。

分配閥超元件模型

2.3 長大管路模型

在AMEsim中選用PNL0020管道模型，所選用管道的數(shù)學(xué)表達(dá)式為［3］：

式中，v是氣體速度，A為截面積，Δp為壓力降，D為管的直徑，ρ為氣體密度，ff為摩擦系數(shù)。通過該方程質(zhì)量流量、焓流量、雷諾數(shù)等可以計(jì)算出來。

3 備用制動仿真計(jì)算

在CRH3動車組中，備用制動系統(tǒng)是通過控制列車管的壓力變化，來控制每個(gè)車的分配閥模塊的輸出壓力，該壓力也是壓力變換閥的預(yù)控壓力。根據(jù)圖1的原理圖，建立如圖6所示備用制動系統(tǒng)的仿真模型。在此主要研究備用制動時(shí)沿列車管方向的空氣壓力波速和制動波速，因此模型中省略了限壓閥和壓力變化閥。

圖6 備用制動系統(tǒng)仿真模型

3.1 空氣波速的仿真與試驗(yàn)

在仿真計(jì)算模型中，通過電磁閥動作使列車管減壓，通過仿真計(jì)算得到圖7所示列車管減壓曲線，圖中壓力為絕對壓力。由仿真計(jì)算可知在1車列車管開始減壓約0.57s后8車列車管開始減壓，仿真得到的空氣波速350m／s。

圖7 列車管減壓仿真計(jì)算結(jié)果

為了驗(yàn)證仿真計(jì)算的準(zhǔn)確性，在高速動車組電空制動系統(tǒng)試驗(yàn)臺上，進(jìn)行了相同參數(shù)的測試。在試驗(yàn)臺1車和8車分配閥模塊入口測點(diǎn)處測量列車管空氣的壓力變化，壓力變化曲線如圖8所示。從試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，當(dāng)1車列車管開始減壓約0.6s后，8車列車管開始減壓，試驗(yàn)空氣波速為333m／s。試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果的偏差小于5%，偏差主要是由溫度、傳感器靈敏度等因素造成的。試驗(yàn)證明所建立的仿真模型有效。

圖8 列車管減壓試驗(yàn)測量結(jié)果

3.2 制動波速的仿真計(jì)算

基于上述仿真模型，分析備用制動波速變化。1.3 dm3容積風(fēng)缸的壓力變化情況反映了列車管壓力變化對分配閥輸出壓力的影響，其緊急制動時(shí)壓力變化曲線如9所示（圖中壓力為絕對壓力）。從圖中可以看出隨著列車管壓力的不斷降低，容積風(fēng)缸壓力逐漸上升。當(dāng)列車管壓力排空后1車容積風(fēng)缸先上升到446kPa（相對壓力）。在1車容積風(fēng)缸壓力開始上升0.7s后，8車容積風(fēng)缸壓力開始上升，測得制動波速為285m／s。在CRH3動車組中容積風(fēng)缸是為了調(diào)制預(yù)控壓力，因此在實(shí)車上應(yīng)該以實(shí)際制動缸的壓力變化情況為準(zhǔn)進(jìn)行制動波速的測量，在仿真計(jì)算中可以將限壓閥及壓力變換閥集成做進(jìn)一步的分析計(jì)算。

圖9 列車管減壓試驗(yàn)測量結(jié)果

4 結(jié)論

（1）建立了備用制動系統(tǒng)中分配閥及長大列車管仿真模型，通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了模型的有效性，通過系統(tǒng)集成建立了備用制動系統(tǒng)的初步模型，計(jì)算并驗(yàn)證了列車管排空情況下空氣波速、制動波速等問題。經(jīng)仿真計(jì)算得到的空氣波速為350m／s，試驗(yàn)值為333m／s，誤差小于5%。仿真計(jì)算得到的制動波速為285m／s。

（2）基于AMESim軟件建立的高速動車組氣動系統(tǒng)仿真平臺能夠準(zhǔn)確地計(jì)算制動系統(tǒng)的關(guān)鍵性能指標(biāo)?；诜抡嫫脚_可以方便的對部件及系統(tǒng)的參數(shù)進(jìn)行測試、優(yōu)化，為制動系統(tǒng)的設(shè)計(jì)優(yōu)化、性能分析、及控制策略的開發(fā)提供了良好的設(shè)計(jì)平臺，為新產(chǎn)品設(shè)計(jì)開發(fā)提供技術(shù)支持。

［1］李和平，林祜亭.高速列車基礎(chǔ)制動系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究［J］.中國鐵道科學(xué)，2003，24（2）：8－13.

［2］盧 寧，永 領(lǐng)，孫新學(xué).單神經(jīng)元在液壓系統(tǒng)中的應(yīng)用與電液聯(lián)合仿真［J］.系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2006，18（11）：3 180－3 182.

［3］R.C.Binder.Fluid Mechanics［M］.3rd Edition，3rd Printing.Prentice－Hall，Inc.，Englewood Cliffs，NJ.1956.