周 軍，曹宏發(fā)，陳 偉，李和平

（中國(guó)鐵道科學(xué)研究院 機(jī)車車輛研究所，北京100081）

對(duì)于現(xiàn)代軌道車輛，尤其是高速列車，通過配置車輪防滑保護(hù)系統(tǒng)（Wheel Slide Protection，WSP）來防止輪軌間低黏著條件時(shí)輪對(duì)的滑行和抱死，并盡可能的保證制動(dòng)距離。因此，在其投入使用前須通過相應(yīng)測(cè)試，以驗(yàn)證其性能和安全性。鑒于防滑系統(tǒng)的重要性，相關(guān)機(jī)構(gòu)制定了防滑系統(tǒng)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，以 UIC 541－05［1］和BS EN 15595［2］最具有通用性和指導(dǎo)性。BS EN 15595標(biāo)準(zhǔn)為適應(yīng)防滑系統(tǒng)的最新發(fā)展，與UIC 541－05標(biāo)準(zhǔn)相比，其內(nèi)容更具體更完善，尤其是對(duì)防滑系統(tǒng)試驗(yàn)的相關(guān)規(guī)定更為詳盡，其標(biāo)準(zhǔn)等級(jí)更高，對(duì)防滑系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、開發(fā)和試驗(yàn)更具有指導(dǎo)作用，因此本文主要參考BS EN 15595標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行WSP系統(tǒng)試驗(yàn)研究。

BS EN 15595標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，防滑系統(tǒng)的試驗(yàn)內(nèi)容包括強(qiáng)制性試驗(yàn)、客戶指定試驗(yàn)和合同要求的一些附加性試驗(yàn)。強(qiáng)制性試驗(yàn)即為型式試驗(yàn)（Type test），可通過線路試驗(yàn)（Track test）和經(jīng)過驗(yàn)證的仿真臺(tái)架試驗(yàn)（Test on simulation rig）相結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)。原則上線路試驗(yàn)的內(nèi)容可在仿真臺(tái)架上完成，但基于既有防滑系統(tǒng)已經(jīng)批量成熟運(yùn)用，因此仿真臺(tái)架試驗(yàn)可以部分的被線路試驗(yàn)代替（或提供等效線路試驗(yàn)證明）?？蛻糁付ㄔ囼?yàn)是指客戶或鐵路部門為驗(yàn)證防滑系統(tǒng)能滿足特殊線路需求而制定的與WSP性能相關(guān)的試驗(yàn)，一般通過仿真臺(tái)架試驗(yàn)來完成。附加性試驗(yàn)則是對(duì)強(qiáng)制性試驗(yàn)的補(bǔ)充，也可通過仿真臺(tái)架試驗(yàn)來完成，但在某些特殊情況除外，如用于高速運(yùn)行的WSP系統(tǒng)的非常低黏著試驗(yàn)。

由于防滑系統(tǒng)線路試驗(yàn)的成本高、耗時(shí)長(zhǎng)、管理難，新研制的防滑系統(tǒng)或者基于原防滑系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，可采用基于硬件在環(huán)系統(tǒng)的仿真臺(tái)架試驗(yàn)來代替線路試驗(yàn)。硬件在環(huán) HIL（Hardware－In－Loop）仿真測(cè)試系統(tǒng)是以實(shí)時(shí)處理器運(yùn)行仿真模型來模擬受控對(duì)象的運(yùn)行狀態(tài)，通過I／O接口與被測(cè)的WSP連接，對(duì)被測(cè)WSP進(jìn)行全方面的、系統(tǒng)的測(cè)試。從安全性、可行性和合理的成本上考慮，HIL仿真試驗(yàn)已經(jīng)成為WSP開發(fā)流程中非常重要的一環(huán)，它不但減少了線路測(cè)試的次數(shù)、縮短開發(fā)時(shí)間和降低成本，同時(shí)還提高了WSP的軟件質(zhì)量。

本文在深入分析BS EN 15595標(biāo)準(zhǔn)對(duì)防滑系統(tǒng)仿真臺(tái)架試驗(yàn)要求的基礎(chǔ)上，結(jié)合CRH3高速動(dòng)車組制動(dòng)防滑系統(tǒng)的開發(fā)和測(cè)試經(jīng)驗(yàn)，對(duì)高速列車防滑系統(tǒng)仿真臺(tái)架試驗(yàn)設(shè)計(jì)、防滑仿真模型建立及其模型標(biāo)定進(jìn)行了研究。

1 仿真臺(tái)架試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)要求

BS EN 15595標(biāo)準(zhǔn)對(duì)防滑系統(tǒng)仿真臺(tái)架試驗(yàn)的要求進(jìn)行了詳細(xì)規(guī)定，包括防滑系統(tǒng)仿真臺(tái)架試驗(yàn)內(nèi)容及其驗(yàn)證指標(biāo)、仿真臺(tái)架設(shè)計(jì)需求、防滑仿真模型以及仿真試驗(yàn)臺(tái)架的驗(yàn)證指標(biāo)。有關(guān)仿真臺(tái)架試驗(yàn)內(nèi)容及其驗(yàn)證指標(biāo)詳見BS EN 15595標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，本文主要對(duì)后三者進(jìn)行簡(jiǎn)要概述。

1.1 仿真臺(tái)架設(shè)計(jì)需求

BS EN 15595規(guī)定，仿真試驗(yàn)臺(tái)架應(yīng)體現(xiàn)“HIL”原理，其設(shè)計(jì)應(yīng)具有軟硬件集成特點(diǎn)，可對(duì)車輛系統(tǒng)和軌道狀況進(jìn)行最真實(shí)的建模。在試驗(yàn)過程中，WSP應(yīng)把單車輛模型作為最小需求，仿真試驗(yàn)臺(tái)架所需的設(shè)備如表1。但是，根據(jù)防滑系統(tǒng)試驗(yàn)內(nèi)容的不同，組成臺(tái)架所需設(shè)備也不同。

表1 仿真試驗(yàn)臺(tái)架所需設(shè)備

硬件選擇總是優(yōu)于軟件模型，如果軟件模型是強(qiáng)制性的，則硬件選擇應(yīng)適應(yīng)軟件模型。

1.2 仿真模型需求

1.2.1 黏著模型

黏著模型應(yīng)能表示真實(shí)和模擬的軌道狀況，黏著曲線應(yīng)基于理論模型或?qū)嶋H軌道測(cè)量數(shù)據(jù)，可表示隨著車輪打滑變化而變化的最大黏著水平。

（1）恒定黏著

①干軌

黏著仿真模型能表示正常等級(jí)的制動(dòng)性能（無WSP干擾），可根據(jù)模擬數(shù)據(jù)或軌道測(cè)量數(shù)據(jù)建立。

②恒定低黏著

黏著仿真模型能表示黏著連續(xù)峰值水平且具有實(shí)際軌道污穢滑動(dòng)特性的黏著曲線，可使用軌道測(cè)量數(shù)據(jù)建立。

（2）可變黏著

①人造污穢

黏著仿真模型能表示在軌道試驗(yàn)中采用的人造污穢產(chǎn)生的黏著曲線，可使用模擬數(shù)據(jù)或軌道測(cè)量數(shù)據(jù)來建立。

②自然產(chǎn)生可變黏著

黏著仿真模型能表示黏著可變峰值水平且具有自然產(chǎn)生軌道污穢（油、油脂、燃油、煤泥、樹葉、水／鐵銹污穢）的滑動(dòng)特性，可使用軌道測(cè)量數(shù)據(jù)來建立。

（3）黏著條件因素

①黏著與速度關(guān)系

黏著仿真模型可表示與模型車輛初始速度相關(guān)的黏著曲線峰值變化。

②車輪狀況

黏著仿真模型分別對(duì)每個(gè)輪對(duì)計(jì)算改善黏著的參數(shù)，特別是滑行中產(chǎn)生自身狀態(tài)變化的輪對(duì)。

1.2.2 試驗(yàn)和性能模型

試驗(yàn)和性能模型負(fù)責(zé)計(jì)算與車輛特性和試驗(yàn)中使用的黏著曲線相關(guān)的WSP性能。

（1）仿真器性能

其所有計(jì)算的周期時(shí)間至少是試驗(yàn)中WSP周期時(shí)間的一半；同時(shí)報(bào)告建模中仿真器產(chǎn)生的誤差。

（2）試驗(yàn)需求

建立上坡度和下坡度模型、加速度和試驗(yàn)中的制動(dòng)階段、調(diào)節(jié)每一試驗(yàn)階段的參數(shù)（持續(xù)時(shí)間，最大加速度，試驗(yàn)開始和終止速度）。

（3）制動(dòng)性能

絕對(duì)制動(dòng)距離（單車）、列車絕對(duì)制動(dòng)距離、絕對(duì)制動(dòng)距離與干軌制動(dòng)距離之比。

（4）輪損傷

識(shí)別試驗(yàn)過程中發(fā)生的輪抱死、每個(gè)輪發(fā)生輪抱死的持續(xù)時(shí)間、由于過度輪滑但未產(chǎn)生輪抱死的輪損傷預(yù)判。

（5）空氣系統(tǒng)

相對(duì)空氣消耗量。

（6）驗(yàn)證指標(biāo)

對(duì)于強(qiáng)制性試驗(yàn)，采用標(biāo)準(zhǔn)中定義的驗(yàn)證指標(biāo)；對(duì)于非強(qiáng)制性試驗(yàn)，允許引入用戶定義的驗(yàn)證指標(biāo)。

（7）故障狀態(tài)

傳感器開路、傳感器短路、放泄閥開路、放泄閥短路、開門狗定時(shí)器操作、速度計(jì)數(shù)器輸出。

（8）WSP輸出

記錄WSP故障顯示、WSP排風(fēng)閥動(dòng)作、WSP參考速度。

1.2.3 車輛性能模型

車輛性能模型用于表示與WSP操作相關(guān)的車輛特性，它對(duì)整個(gè)列車、車輛的制動(dòng)性能產(chǎn)生影響。在車輛性能模型中應(yīng)包括下列內(nèi)容。

（1）摩擦材料

制動(dòng)材料的平均摩擦系數(shù)、隨著初始列車速度變化的摩擦值變化、隨著瞬時(shí)車輪速度變化的摩擦變化、隨著接觸力變化的摩擦變化、有效制動(dòng)直徑。

（2）氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)器、制動(dòng)需求

確定制動(dòng)力與需求壓力的關(guān)系、升降力曲線的滯后、隨著速度變化的制動(dòng)需求變化；用戶定義的制動(dòng)需求等級(jí)。

（3）車體、轉(zhuǎn)向架、車輪動(dòng)態(tài)模型

輪徑變化對(duì)車輪慣量的影響、動(dòng)車輪對(duì)和拖車輪對(duì)的慣量差異、輪對(duì)動(dòng)態(tài)加載和動(dòng)態(tài)卸載的影響、車體總重轉(zhuǎn)移對(duì)制動(dòng)性能的影響、內(nèi)部車輛力的作用對(duì)整個(gè)列車制動(dòng)性能的影響。

1.2.4 車輛功能模型

車輛功能模型用于模擬由WSP使用的以確定其狀態(tài)的車輛控制信號(hào)，這些信號(hào)不會(huì)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生影響。

功能輸入包括：制動(dòng)模式；牽引模式；模式選擇（動(dòng)車、拖車、其他）；緊急制動(dòng)模式。

1.3 仿真臺(tái)架驗(yàn)證指標(biāo)

為驗(yàn)證仿真臺(tái)架產(chǎn)生實(shí)際效果的有效性和可靠性，應(yīng)滿足下列指標(biāo)。

（1）制動(dòng)距離

仿真制動(dòng)距離和實(shí)際制動(dòng)距離的誤差應(yīng)小于一個(gè)給定量，即：

（2）速度曲線

實(shí)際制動(dòng)速度曲線和仿真速度曲線應(yīng)在制動(dòng)開始到車輛速度達(dá)到15km／h期間進(jìn)行比較。對(duì)于速度曲線上的每一點(diǎn)，在i時(shí)刻，實(shí)際速度和仿真速度的誤差應(yīng)小于下面的給定量：

（3）滑動(dòng)量

計(jì)算車輪在確定滑動(dòng)量范圍內(nèi)的總的制動(dòng)時(shí)間百分比，應(yīng)在一個(gè)給定的范圍內(nèi)，計(jì)算方法詳見BS EN 15595標(biāo)準(zhǔn)。

2 高速列車防滑系統(tǒng)仿真臺(tái)架設(shè)計(jì)

由于軌道車輛防滑系統(tǒng)仿真臺(tái)架試驗(yàn)屬于核心技術(shù)，其相關(guān)文獻(xiàn)資料并不多見。國(guó)外應(yīng)用比較成功的例子是意大利鐵路公司Trenitalia SPA與佛羅倫薩大學(xué)合作開發(fā)的軌道車輛HIL測(cè)試臺(tái)架－MI6［3］。從2004年至今，MI6測(cè)試臺(tái)架已經(jīng)為許多世界著名鐵路公司的WSP系統(tǒng)進(jìn)行了成功測(cè)試，但是為了保護(hù)相關(guān)信息，這些測(cè)試結(jié)果并沒有發(fā)布。MI6測(cè)試臺(tái)架可用于許多與鐵路安全相關(guān)的電子系統(tǒng)試驗(yàn)，如WSP、ATP和ATC。

本文結(jié)合CRH3高速列車制動(dòng)防滑系統(tǒng)的開發(fā)和測(cè)試經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)了一種滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的模塊化的防滑系統(tǒng)仿真臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)構(gòu)［3］，如圖1所示。為適應(yīng)電子設(shè)備的不同電氣接口，所設(shè)計(jì)的仿真試驗(yàn)臺(tái)架是一個(gè)比較容易配置和定制的開放系統(tǒng)。根據(jù)測(cè)試子系統(tǒng)的技術(shù)改進(jìn)情況，仿真試驗(yàn)臺(tái)架的軟硬件能比較容易更新。

2.1 WSP控制器

WSP控制器能檢測(cè)輪對(duì)滑行，為了改善制動(dòng)性能，防止踏面擦傷和車輪抱死，對(duì)制動(dòng)缸內(nèi)部壓力進(jìn)行調(diào)節(jié)。

圖1 防滑仿真臺(tái)架結(jié)構(gòu)

WSP控制器是仿真臺(tái)架試驗(yàn)的測(cè)試對(duì)象，對(duì)其硬件強(qiáng)制要求，不能模擬。軟件包含防滑控制算法。

高速列車制動(dòng)防滑系統(tǒng)的WSP輸入輸出信號(hào)為：

①輸入：速度傳感器信號(hào)（電流型頻率信號(hào)）；

②輸出：防滑閥的控制信號(hào)（電壓型數(shù)字信號(hào)）；

③接口：與速度傳感器單向通訊、與防滑閥雙向通訊、與實(shí)時(shí)HIL硬件平臺(tái)單向通訊。

2.2 防滑閥和氣動(dòng)設(shè)備

防滑閥和氣動(dòng)設(shè)備又稱為驅(qū)動(dòng)器。制動(dòng)缸內(nèi)部壓力通過EV、HV雙電磁防滑閥調(diào)節(jié)，直接由WSP系統(tǒng)的BCU控制。WSP的響應(yīng)動(dòng)作受具有制動(dòng)氣動(dòng)部件的EV、HV雙電磁閥的影響，從而控制制動(dòng)缸的充風(fēng)時(shí)間。制動(dòng)缸壓力通過壓力傳感器實(shí)時(shí)測(cè)量，實(shí)時(shí)模型使用制動(dòng)缸的測(cè)量壓力來估算下一個(gè)計(jì)算周期受車輪動(dòng)態(tài)性能影響的制動(dòng)力變化。為保證實(shí)時(shí)模型和驅(qū)動(dòng)器的整合性，應(yīng)采用一個(gè)恒定的采樣頻率，使HIL的滯后時(shí)間與產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)性能相比可以忽略不計(jì)。如果對(duì)防滑閥和氣動(dòng)設(shè)備進(jìn)行模擬，則需要在實(shí)際設(shè)備上對(duì)下列性能進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證（與真實(shí)設(shè)備相比較）：

（1）相同的閥響應(yīng)延遲；

（2）相同的響應(yīng)時(shí)間；

（3）基于典型防滑閥動(dòng)作的具有相同的空氣消耗量。

高速列車防滑系統(tǒng)的防滑閥和氣動(dòng)設(shè)備的采用硬件、軟件強(qiáng)制要求。制動(dòng)防滑系統(tǒng)的防滑閥和氣動(dòng)設(shè)備的輸入輸出信號(hào)為：

（1）輸入：中繼閥壓力，WSP控制命令（數(shù)字量）；

（2）輸出：調(diào)節(jié)后的制動(dòng)缸壓力；

（3）接口：與WSP電子元件雙向通訊、與實(shí)時(shí)HIL硬件平臺(tái)雙向通訊。

2.3 軸速系統(tǒng)

軸速系統(tǒng)包括與電動(dòng)機(jī)耦合在一起的軸末端速度傳感器，該電動(dòng)機(jī)的軸速值由測(cè)試車輛的計(jì)算機(jī)模擬給出。軸速系統(tǒng)也可以使用車輛模型來產(chǎn)生軸速輸出，模擬的速度傳感器應(yīng)產(chǎn)生與實(shí)際的速度傳感器相同的波形，但WSP控制單元的速度電氣接口不能模擬。高速列車防滑系統(tǒng)采用模擬速度。

接口：與WSP電子元件單向通訊、與實(shí)時(shí)HIL硬件平臺(tái)雙向通訊；

2.4 HIL硬件平臺(tái)

試驗(yàn)臺(tái)架由運(yùn)行在HIL硬件多處理器平臺(tái)上的實(shí)時(shí)軟件控制。硬件平臺(tái)的電氣接口對(duì)于不同的應(yīng)用比較容易配置。硬件平臺(tái)主要組成部分包括：實(shí)時(shí)處理器、I／O接口、故障注入單元（FIU），通信接口、FPGA模塊、信號(hào)調(diào)理單元、電源及連接線等。

高速列車防滑系統(tǒng)仿真試驗(yàn)臺(tái)架的實(shí)時(shí)硬件平臺(tái)采用ETAS的ES1000系統(tǒng)，如圖2所示。

圖2 ES1000系統(tǒng)

ES1000系統(tǒng)及其ETAS產(chǎn)品ASCET－SD和INCA用于產(chǎn)品的快速原型和標(biāo)定［4］。控制單元采用摩托羅拉 MPC750處理器，具有366MHz時(shí)鐘頻率。ES1000系統(tǒng)通過仿真器ETK、K線或CAN總線連接到BCU，具有附加的模擬量和數(shù)字量輸入輸出信號(hào)的接口卡。

接口：與仿真模型雙向通訊、與WSP單向通訊、與速度傳感器雙向通訊、與防滑閥和氣動(dòng)設(shè)備雙向通訊。

2.5 實(shí)時(shí)仿真模型

仿真模型的設(shè)計(jì)應(yīng)在結(jié)果的精確性和可用計(jì)算資源之間進(jìn)行優(yōu)化。為了模擬不同的軌道車輛（具有不同輪對(duì)、制動(dòng)系統(tǒng)等），模型必須參數(shù)化。為了滿足上述要求，仿真模型可分為一系列的模塊子系統(tǒng)，如機(jī)械結(jié)構(gòu)、制動(dòng)系統(tǒng)、黏著模型等。實(shí)時(shí)仿真模型能根據(jù)模擬軌道車輛的主要機(jī)械和功能特點(diǎn)來計(jì)算車輛的動(dòng)態(tài)特性。

接口：與實(shí)時(shí)HIL硬件平臺(tái)雙向通訊；

3 防滑仿真模型

結(jié)合CRH3高速動(dòng)車組制動(dòng)防滑系統(tǒng)的開發(fā)和測(cè)試過程，建立高速列車制動(dòng)防滑仿真模型。

3.1 標(biāo)準(zhǔn)黏著模型

標(biāo)準(zhǔn)黏著模型用于建立干軌、基于清潔劑和樹葉膜層的濕滑軌道狀況。一般采用黏著系數(shù)與滑移率的關(guān)系曲線［5］來建立黏著模型，如圖3所示。

圖3 黏著系數(shù)與滑移率的關(guān)系曲線

3.1.1 干軌黏著模型

干軌黏著模型表示正常等級(jí)的制動(dòng)性能（無WSP干擾），可根據(jù)模擬數(shù)據(jù)或軌道測(cè)量數(shù)據(jù)建立。

（1）黏著系數(shù)與滑移率

黏著系數(shù)和滑移率如下式定義：

式（4）中v為軸速。

3.1.2 濕軌低黏著模型

濕滑軌道狀況（基于清潔劑和樹葉膜層）的黏著仿真模型可使用軌道測(cè)量數(shù)據(jù)建立，黏著系數(shù)與滑移率關(guān)系曲線的建立方法同干軌黏著模型。但濕滑鋼軌影響?zhàn)ぶ禂?shù)公式［6］如下：式（3）中μ為黏著系數(shù)；Fa最大切向力；W 車輛垂直負(fù)載；λ 滑移率；vtrain車速；vaxis軸速；

根據(jù)圖3采用離散數(shù)據(jù)表的形式建立滑移率和黏著系數(shù)的關(guān)系。

（2）影響?zhàn)ぶ禂?shù)

模型中需建立一個(gè)反應(yīng)軌道狀態(tài)的影響?zhàn)ぶ禂?shù)，可采用日本干軌黏著系數(shù)公式［6］：

3.2 車輛性能模型

車輛性能模型主要包括車輪運(yùn)動(dòng)模型、車輛運(yùn)動(dòng)模型、車輪自身狀態(tài)模型、軌道狀態(tài)模型，概括如下：

3.2.1 車輛性能參數(shù)

需要設(shè)定的車輛性能參數(shù)包括：

（1）輪徑；

（2）車重／軸重；

（3）負(fù)載軸重條件下的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；

（4）制動(dòng)材料的平均摩擦系數(shù)；

（5）有效制動(dòng)半徑；

（6）閘片表面積；

（7）彈簧恢復(fù)力；

（8）杠桿傳動(dòng)比；

（9）傳動(dòng)效率；

（10）制動(dòng)夾鉗數(shù)（動(dòng)軸／從動(dòng)軸）；

3.2.2 黏著力和制動(dòng)力

黏著力和制動(dòng)力的關(guān)系如圖4所示［7］。

圖4 黏著力與制動(dòng)力關(guān)系模型

圖4中：W 為輪軌垂直負(fù)載；μ為輪軌黏著系數(shù)；v為輪對(duì)線速度；ω為輪對(duì)角速度；I為輪對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；r為車輪半徑；Fa為粘著力；Fb為制動(dòng)力。

在制動(dòng)過程中，必須保證Fb≤Fa，否則車輪就會(huì)發(fā)生打滑危險(xiǎn)。

根據(jù)可利用黏著系數(shù)μaa（μaa≤μ），由式（6）可以計(jì)算出輪軌間的瞬時(shí)可用黏著力Faa：

其中mt輪對(duì)制動(dòng)質(zhì)量（kg）；g重力加速度（m／s2）。

制動(dòng)力模型計(jì)算作用于輪對(duì)制動(dòng)盤的閘片摩擦力，此時(shí)需要考慮基礎(chǔ)制動(dòng)的部件特性，包括傳動(dòng)特性、摩擦特性等，其核心是根據(jù)制動(dòng)缸壓力Pc計(jì)算得出作用于制動(dòng)盤表面的制動(dòng)力，如下式所示：

其中α，β為常數(shù)參數(shù)；D為輪徑。

3.2.3 制動(dòng)輪對(duì)動(dòng)態(tài)性能

根據(jù)圖4，在制動(dòng)過程中，輪對(duì)的動(dòng)態(tài)特性（減速度、黏著力和制動(dòng)力矩的關(guān)系）可由下式描述：

將式（7）帶入式（8），即可得出輪對(duì)角加速度與制動(dòng)缸壓力的關(guān)系。

3.3 防滑控制模型

3.3.1 防滑控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

典型防滑控制系統(tǒng)閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)如圖5所示［8］。一個(gè)非接觸型速度傳感器裝于車軸，其與車輪的速度成比例的脈沖信號(hào)傳輸?shù)诫娮涌刂茊卧?。電子控制單元?duì)本車或本轉(zhuǎn)向架的速度脈沖信號(hào)進(jìn)行處理，根據(jù)速度差和減速度判據(jù)對(duì)已經(jīng)發(fā)生滑行情況發(fā)出防滑控制指令，操縱防滑電磁閥，控制制動(dòng)缸的壓力。防滑系統(tǒng)能最佳利用有效黏著，以保證最短的制動(dòng)距離。

圖5 防滑控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3.3.2 防滑控制邏輯

制動(dòng)缸壓力是升壓、降壓和保壓3種控制指令進(jìn)行控制的，防滑閥的動(dòng)作如表2所示。

表2 防滑閥動(dòng)作表

制動(dòng)缸壓力的調(diào)節(jié)根據(jù)防滑排風(fēng)閥的作用效果分類如下：

（1）快速排風(fēng)；

（2）脈沖式排風(fēng)；

（3）保壓；

（4）脈沖式充風(fēng)；

（5）快速充風(fēng)。

選用以上哪種方式一般取決于加速度判據(jù)和速度判據(jù)。在防滑過程中，根據(jù)速度差和減速度的變化情況，制動(dòng)缸的排風(fēng)顯示脈沖特性，其排風(fēng)曲線中尚有穩(wěn)定段，過快的排風(fēng)會(huì)出現(xiàn)制動(dòng)力不必要的喪失。制動(dòng)壓力防滑控制過程如圖6所示。

本節(jié)結(jié)合CRH3高速動(dòng)車組制動(dòng)試驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)和開發(fā)經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)了一種基于速度差和減速度的復(fù)合矩陣式防滑控制策略。將速度差判據(jù)和減速度判據(jù)組合為一個(gè)參數(shù)化的復(fù)合式判據(jù)矩陣，根據(jù)速度差和減速度的不同，采用不同的閥控制狀態(tài)。

圖6 制動(dòng)壓力防滑控制

3.4 仿真模型建立

采用ETAS公司的開發(fā)工具ASCET6.0來建立防滑模型，主要包括參數(shù)模塊、速度模塊和主控制器模塊。

3.4.1 參數(shù)模塊

參數(shù)模塊定義一些其他模塊用到的參數(shù)，包括靜態(tài)參數(shù)和可變參數(shù)。

（1）靜態(tài)參數(shù)

閘片表面積、軸重、彈簧恢復(fù)力、杠桿傳動(dòng)比、傳動(dòng)效率、平均制動(dòng)半徑、輪徑和摩擦系數(shù)。

（2）可變參數(shù)

轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、轉(zhuǎn)動(dòng)質(zhì)量系數(shù)、軸制動(dòng)夾鉗數(shù)、初始速度、黏著系數(shù)與滑移率關(guān)系數(shù)值表、黏著系數(shù)與列車速度關(guān)系數(shù)值表。

3.4.2 列車速度模塊

該模塊根據(jù)公式（9）計(jì)算列車的實(shí)時(shí)速度：

其中v（t）為列車實(shí)時(shí)速度，v0為列車初始速度，a為減速度。

3.4.3 主控制模塊

該模塊主要包括初始化子模塊、摩擦子模塊、黏著子模塊、角速度子模塊、防滑控制邏輯模塊、其他子模塊等。

（1）初始化模塊用于計(jì)算列車速度和輪軸角速度，給滑移率賦初值；

（2）摩擦子模塊根據(jù)制動(dòng)缸壓力計(jì)算摩擦力和摩擦力矩；

（3）黏著子模塊根據(jù)滑移率計(jì)算黏著系數(shù)、黏著力和制動(dòng)力矩；

（4）角速度子模塊根據(jù)黏著制動(dòng)力矩和摩擦制動(dòng)力矩，通過積分求得實(shí)時(shí)軸角速度；

（5）防滑控制邏輯模塊根據(jù)軸速度差和減速度來控制防滑閥動(dòng)作，從而調(diào)節(jié)制動(dòng)缸壓力；

（6）其他子模塊根據(jù)角速度計(jì)算軸線速度，根據(jù)列車速度和軸速計(jì)算滑移率。

ASCET模型環(huán)境如圖7所示。

圖7 ASCET模型環(huán)境

4 模型標(biāo)定

仿真模型建立之后，需要對(duì)模型進(jìn)行標(biāo)定，把仿真結(jié)果和試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，應(yīng)滿足1.3節(jié)規(guī)定的指標(biāo)要求。對(duì)于指標(biāo)（1），可參考選定車輛類型與速度相關(guān)的實(shí)際制動(dòng)距離進(jìn)行比較。對(duì)于指標(biāo)（2）和指標(biāo)（3）來說，需要參考大量的實(shí)際防滑試驗(yàn)數(shù)據(jù)來驗(yàn)證，由于試驗(yàn)條件的局限性，本文只對(duì)指標(biāo)（1）進(jìn)行驗(yàn)證。

在高速列車制動(dòng)防滑系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)上，以單車打滑試驗(yàn)為例，進(jìn)行了10次恒定黏著的干軌緊急制動(dòng)試驗(yàn)（無WSP作用），濕軌低黏著打滑緊急制動(dòng)試驗(yàn)（無WSP作用和有WSP作用）?；贓S1000實(shí)時(shí)處理器的防滑仿真系統(tǒng)如圖8所示，仿真試驗(yàn)條件如表3。仿真試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果如圖9所示。

圖8 基于ES1000的仿真試驗(yàn)系統(tǒng)

表3 WSP仿真試驗(yàn)條件

圖9 試驗(yàn)臺(tái)架模型仿真測(cè)試

由圖9（a）可以看出，在制動(dòng)過程中，可用粘著系數(shù)未超過干軌實(shí)際黏著系數(shù)（0.1），未出現(xiàn)輪對(duì)滑行和軸抱死現(xiàn)象，10次試驗(yàn)的平均制動(dòng)距離為3 263m，與實(shí)車300km／h純空氣緊急制動(dòng)的緊急距離3 300m相比，誤差為1.1%，滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定要求。

圖9（b）為濕軌軌道的純空氣緊急制動(dòng)，設(shè)定的最大黏著系數(shù)為0.05。從圖中可以看出，在制動(dòng)過程中，如果沒有WSP系統(tǒng)的參與，輪對(duì)很快出現(xiàn)滑行，直至軸抱死。與干軌試驗(yàn)對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，以列車速度139 km／h時(shí)為例，實(shí)際可用黏著系數(shù)為0.04，遠(yuǎn)小于維持制動(dòng)力需要的黏著系數(shù)0.09（干軌），這就驗(yàn)證了黏著模型的有效性。

圖9（c）為濕軌試驗(yàn)的純空氣緊急制動(dòng)，最大黏著系數(shù)0.05，但增加了 WSP對(duì)制動(dòng)缸壓力的調(diào)節(jié)功能。在制動(dòng)過程中，通過 WSP對(duì)制動(dòng)缸壓力的調(diào)節(jié)作用，使得實(shí)際施加于輪對(duì)的制動(dòng)力未超過輪軌黏著可以提供的最大黏著力，避免了輪對(duì)滑行。

上述仿真試驗(yàn)結(jié)果滿足標(biāo)準(zhǔn)對(duì)制動(dòng)距離的指標(biāo)要求，因此驗(yàn)證了實(shí)時(shí)仿真模型的有效性和可靠性。

5 結(jié)束語

本文通過對(duì)國(guó)際上現(xiàn)行防滑標(biāo)準(zhǔn)的深入分析，系統(tǒng)研究了防滑系統(tǒng)的試驗(yàn)要求和仿真臺(tái)架試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，并對(duì)仿真試驗(yàn)臺(tái)架的結(jié)構(gòu)組成、子系統(tǒng)建立、標(biāo)定驗(yàn)證等進(jìn)行了詳細(xì)說明。結(jié)合高速動(dòng)車組防滑系統(tǒng)的開發(fā)和測(cè)試經(jīng)驗(yàn)，提出了基于HIL系統(tǒng)的防滑試驗(yàn)臺(tái)架設(shè)計(jì)方法，并進(jìn)行了防滑仿真試驗(yàn)，仿真結(jié)果滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定指標(biāo)。

現(xiàn)有的ES1000實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)雖然具有一定實(shí)時(shí)計(jì)算能力，但主要還是限于軟件的快速原型仿真應(yīng)用，如果需要半實(shí)物混合仿真，ES1000的接口形式和數(shù)據(jù)處理能力就顯得力不從心了?，F(xiàn)有的成熟方案主要有基于dSPACE和LABCAR的硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)，能夠滿足防滑試驗(yàn)臺(tái)的仿真需求。因此，論文的下一步研究工作將針對(duì)防滑標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)于試驗(yàn)臺(tái)架的規(guī)定進(jìn)行完善。同時(shí)，防滑系統(tǒng)的仿真臺(tái)架試驗(yàn)將結(jié)合實(shí)際運(yùn)用線路的輪軌關(guān)系和現(xiàn)車防滑試驗(yàn)進(jìn)行反復(fù)優(yōu)化與改進(jìn)。

［1］ UIC CODE 541－05.Brakes－Specifications for the construction of various brake arts－Wheel Slide Protection device（WSP）［R］，2005，2nd edition.

［2］ British Standard.Railway applications－Braking－Wheel slide protection［R］.BS EN 15595：2009.

［3］ L.Pugi，M.Malvezzi，A.Tarasconi，et al.HIL simulation of WSP systems on MI－6test rig［J］.Vehicle System Dynamics：International Journal of Vehicle Mechanics and Mobility，2006，44（Supplement）：843－852.

［4］ ETAS GmbH.ES1000Overview［M］.ETAS GmbH，2000，5－7.

［5］ Jiangyong Zuo，Mengling Wu.Research on anti－sliding control of railway brake system based on adhesion－creep theory［J］.Proceedings of the 2010IEEE International Conference on Mechatronics and Automation，August 4－7，2010，Xi＇an，China，Piscataway，NJ，USA：IEEE，2010：1690－1694.

［6］ 饒 忠.列車制動(dòng)［M］.北京：中國(guó)鐵道出版社，2006.

［7］ Grazyna B.Simulation based design of fuzzy wheel slide protection controller for rail vehicles［C］.15th International Conference on Methods and Models in Automation and Robotics （MMAR），Miedzyzdroje，Poland，23－26 Aug，2010，IEEE，pp.186－191.

［8］ Adrian D.C.，Shogo S.Combined heuristic knowledge and limited measurement based fuzzy logic antiskid control for railway application［J］.IEEE Transactions on Systems，Man，and Cybernetics－Part C：Application and Review，2000，30（4）：557－568.