張新永，尹 方，曲秋芬，楊永勤，謝春杰，孟慶棟

（唐山軌道客車有限責(zé)任公司 產(chǎn)品研發(fā)中心，河北唐山063035）

鐵路制動系統(tǒng)有著悠久的發(fā)展歷程，早期的制動系統(tǒng)設(shè)計一直采用試驗的方法對其結(jié)構(gòu)、控制和性能等方面進行研究和改進。但是在現(xiàn)代列車高速及重載運輸?shù)陌l(fā)展趨勢下，空氣制動系統(tǒng)也越來越復(fù)雜，傳統(tǒng)的試驗方式已經(jīng)不能滿足現(xiàn)狀要求，同時也會耗費大量的人力和物力。此外，試驗獲得的制動性能結(jié)果也存在離散性，于是人們開始尋求更好的方法來模擬研究，作為部分取代試驗或作為試驗的補充。計算機技術(shù)的快速發(fā)展，氣體流動理論的日趨成熟，為鐵路制動系統(tǒng)數(shù)值模擬研究創(chuàng)造了良好的條件。數(shù)值模擬研究不僅能模擬試驗工作，還能從整個空氣制動系統(tǒng)的角度來研究參數(shù)對制動性能的影響，同時還可以進行空氣制動性能預(yù)測。

1 制動系統(tǒng)工作原理

高速動車組制動系統(tǒng)主要由基礎(chǔ)制動裝置、空氣懸掛控制裝置、司機控制裝置、制動控制系統(tǒng)（即控制單元BCU）、風(fēng)源系統(tǒng)、風(fēng)缸、列車管路等部分組成。對于制動系統(tǒng)而言，列車分兩個相同制動單元，每個制動單元有4節(jié)車，因此以一個制動單元為例，如圖1所示。

圖1 高速列車制動系統(tǒng)組成部分

動車組制動系統(tǒng)采用減速度控制，對于不同質(zhì)量的車輛，制動時需要的制動力不同。車重判定通過檢測轉(zhuǎn)向架上的空氣彈簧壓力實現(xiàn)。由中繼閥產(chǎn)生的制動壓縮空氣經(jīng)過管路和防滑排風(fēng)閥最終作用在制動缸活塞上，同時推動缸筒和活塞向相反的方向運動，經(jīng)過杠桿的傳遞，并最終通過閘片和制動盤夾緊摩擦產(chǎn)生所需的制動力，完成制動作用。

緊急制動時，預(yù)控制壓力不受常用制動閥控制，來自總風(fēng)管的壓縮空氣直接經(jīng)緊急電磁閥到達空重車閥，預(yù)控制壓力只受空重車調(diào)整閥控制，使之與空氣彈簧的壓力即載荷情況相適合。

當救援和回送時，需要啟動備用制動。備用制動時，通過司機室中的備用制動手柄控制列車管的充排風(fēng)，控制分配閥產(chǎn)生制動預(yù)控壓力經(jīng)過雙向閥到達中繼閥，產(chǎn)生制動缸壓力。

依據(jù)制動系統(tǒng)工作原理可對制動部件分別進行建模，再將其連接最終形成制動系統(tǒng)模型，進行仿真計算。

2 高速動車組制動系統(tǒng)建模與仿真分析

2.1 仿真計算原理分析

計算采用軟件LMS Imagine.Lab AMESim，基于基本元素的建模理念，將制動系統(tǒng)中制動控制單元、單元制動器等復(fù)雜的氣動部件分解為各種不同的基本結(jié)構(gòu)單元，如節(jié)流孔、活塞、容腔、質(zhì)量塊等，再按照一定的邏輯關(guān)系將對應(yīng)的模塊組合在一起，即可構(gòu)建對應(yīng)的部件子模型，將以上子模型綜合起來，即可得到完整的制動系統(tǒng)仿真模型。

本文通過選取一些典型的工況，如常用制動的施加和緩解、緊急制動的施加和緩解等進行分析，對高速動車組制動系統(tǒng)的性能特征進行仿真分析，如控制靈敏度、制動缸壓力精確度、制動輸出力、響應(yīng)時間等。

2.2 整列車制動系統(tǒng)建模分析

將搭建的制動系統(tǒng)重要元件封裝后連接在一起，組成了頭車制動系統(tǒng)模型，如圖2所示。

圖2 頭車制動系統(tǒng)

搭建完成單節(jié)列車制動系統(tǒng)的前提下，根據(jù)整列車的原理圖，搭建整列車（8節(jié)）制動系統(tǒng)。

（1）整列常用制動分析

常用制動時，7級常用制動持續(xù)用到了4級，分別是200，300，400，700kPa，持續(xù)時間分別為6，7，5，7s。經(jīng)過中繼閥計算，得到相對應(yīng)的壓力分別為160，230，310和420kPa。制動缸的壓力和制動力如圖3和圖4所示。由于動車和拖車的制動缸活塞面積不同，產(chǎn)生的制動力不同。

圖3 常用制動時Cv控制壓力和制動壓力

（2）整列緊急制動分析

緊急制動時，只需要將空電轉(zhuǎn)換閥上面的電磁閥打開，使得列車管壓力之間通往空重車閥。此時無論空電轉(zhuǎn)換閥是否起作用，制動系統(tǒng)先導(dǎo)控制壓力完全由空重車閥調(diào)定。動車制動力達到了53kN，拖車制動力達到了33kN，如圖5所示。

圖4 常用制動時拖車制動力和動車制動力

（3）整列備用制動分析

當空電轉(zhuǎn)換閥和緊急制動都有故障時，這時需要采用備用制動。備用制動工作時，列車管需要迅速排風(fēng)，列車管壓力迅速下降，這時DV閥迅速開啟，風(fēng)缸R和風(fēng)缸Cv連通，控制閥將現(xiàn)有風(fēng)缸的壓力轉(zhuǎn)化為制動先導(dǎo)壓力。這時先導(dǎo)壓力由控制閥和連接在控制閥兩端的風(fēng)缸來控制。得到相應(yīng)的控制壓力480kPa，制動壓力為370kPa，動車制動力和拖車制動力分別為45kN和27kN，如圖6和圖7所示。

圖5 緊急制動時拖車制動力和動車制動力

圖6 備用制動時Cv控制壓力和制動壓力

3 結(jié)束語

圖7 備用制動時動車制動力和拖車制動力

本文對高速動車組型高速列車制動系統(tǒng)，基于LMS Imagine.Lab AMESim建模過程進行了詳細的介紹。

按照高速動車組高速列車制動系統(tǒng)的原理圖搭建了列車的制動系統(tǒng)，分別進行了常用制動、緊急制動和備用制動3種工況進行了仿真分析。仿真結(jié)果與制動系統(tǒng)的現(xiàn)車試驗數(shù)據(jù)基本吻合，可用于指導(dǎo)今后對于類似高速動車組的制動系統(tǒng)，或者是高速動車組的制動系統(tǒng)中功能相似的元件開展仿真分析，提高列車制動系統(tǒng)的接口性能研究。大大縮短車輛產(chǎn)品的開發(fā)周期，降低制造成本。

［1］付永領(lǐng)，齊海濤.LMS Imagine.Lab AMESim系統(tǒng)建模和仿真實例教程［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2011.

［2］付永領(lǐng)，祁曉野.LMS Imagine.Lab AMESim系統(tǒng)建模和仿真參考手冊［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2011.

［3］張 莢，龔禮華.現(xiàn)代計算機仿真技術(shù)［J］.達縣師范高等專科學(xué)校學(xué)報，2000，10（2）：64-66.