張新永，尹 方，曲秋芬，楊永勤，謝春杰，孟慶棟

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

鐵路制動(dòng)系統(tǒng)有著悠久的發(fā)展歷程，早期的制動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)一直采用試驗(yàn)的方法對(duì)其結(jié)構(gòu)、控制和性能等方面進(jìn)行研究和改進(jìn)。但是在現(xiàn)代列車(chē)高速及重載運(yùn)輸?shù)陌l(fā)展趨勢(shì)下，空氣制動(dòng)系統(tǒng)也越來(lái)越復(fù)雜，傳統(tǒng)的試驗(yàn)方式已經(jīng)不能滿(mǎn)足現(xiàn)狀要求，同時(shí)也會(huì)耗費(fèi)大量的人力和物力。此外，試驗(yàn)獲得的制動(dòng)性能結(jié)果也存在離散性，于是人們開(kāi)始尋求更好的方法來(lái)模擬研究，作為部分取代試驗(yàn)或作為試驗(yàn)的補(bǔ)充。計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，氣體流動(dòng)理論的日趨成熟，為鐵路制動(dòng)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(yàn)工作，還能從整個(gè)空氣制動(dòng)系統(tǒng)的角度來(lái)研究參數(shù)對(duì)制動(dòng)性能的影響，同時(shí)還可以進(jìn)行空氣制動(dòng)性能預(yù)測(cè)。

1 制動(dòng)系統(tǒng)工作原理

高速動(dòng)車(chē)組制動(dòng)系統(tǒng)主要由基礎(chǔ)制動(dòng)裝置、空氣懸掛控制裝置、司機(jī)控制裝置、制動(dòng)控制系統(tǒng)（即控制單元BCU）、風(fēng)源系統(tǒng)、風(fēng)缸、列車(chē)管路等部分組成。對(duì)于制動(dòng)系統(tǒng)而言，列車(chē)分兩個(gè)相同制動(dòng)單元，每個(gè)制動(dòng)單元有4節(jié)車(chē)，因此以一個(gè)制動(dòng)單元為例，如圖1所示。

圖1 高速列車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)組成部分

動(dòng)車(chē)組制動(dòng)系統(tǒng)采用減速度控制，對(duì)于不同質(zhì)量的車(chē)輛，制動(dòng)時(shí)需要的制動(dòng)力不同。車(chē)重判定通過(guò)檢測(cè)轉(zhuǎn)向架上的空氣彈簧壓力實(shí)現(xiàn)。由中繼閥產(chǎn)生的制動(dòng)壓縮空氣經(jīng)過(guò)管路和防滑排風(fēng)閥最終作用在制動(dòng)缸活塞上，同時(shí)推動(dòng)缸筒和活塞向相反的方向運(yùn)動(dòng)，經(jīng)過(guò)杠桿的傳遞，并最終通過(guò)閘片和制動(dòng)盤(pán)夾緊摩擦產(chǎn)生所需的制動(dòng)力，完成制動(dòng)作用。

緊急制動(dòng)時(shí)，預(yù)控制壓力不受常用制動(dòng)閥控制，來(lái)自總風(fēng)管的壓縮空氣直接經(jīng)緊急電磁閥到達(dá)空重車(chē)閥，預(yù)控制壓力只受空重車(chē)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(dāng)救援和回送時(shí)，需要啟動(dòng)備用制動(dòng)。備用制動(dòng)時(shí)，通過(guò)司機(jī)室中的備用制動(dòng)手柄控制列車(chē)管的充排風(fēng)，控制分配閥產(chǎn)生制動(dòng)預(yù)控壓力經(jīng)過(guò)雙向閥到達(dá)中繼閥，產(chǎn)生制動(dòng)缸壓力。

依據(jù)制動(dòng)系統(tǒng)工作原理可對(duì)制動(dòng)部件分別進(jìn)行建模，再將其連接最終形成制動(dòng)系統(tǒng)模型，進(jìn)行仿真計(jì)算。

2 高速動(dòng)車(chē)組制動(dòng)系統(tǒng)建模與仿真分析

2.1 仿真計(jì)算原理分析

計(jì)算采用軟件LMS Imagine.Lab AMESim，基于基本元素的建模理念，將制動(dòng)系統(tǒng)中制動(dòng)控制單元、單元制動(dòng)器等復(fù)雜的氣動(dòng)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(duì)應(yīng)的模塊組合在一起，即可構(gòu)建對(duì)應(yīng)的部件子模型，將以上子模型綜合起來(lái)，即可得到完整的制動(dòng)系統(tǒng)仿真模型。

本文通過(guò)選取一些典型的工況，如常用制動(dòng)的施加和緩解、緊急制動(dòng)的施加和緩解等進(jìn)行分析，對(duì)高速動(dòng)車(chē)組制動(dòng)系統(tǒng)的性能特征進(jìn)行仿真分析，如控制靈敏度、制動(dòng)缸壓力精確度、制動(dòng)輸出力、響應(yīng)時(shí)間等。

2.2 整列車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)建模分析

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

圖2 頭車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)

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

（1）整列常用制動(dòng)分析

常用制動(dòng)時(shí)，7級(jí)常用制動(dòng)持續(xù)用到了4級(jí)，分別是200，300，400，700kPa，持續(xù)時(shí)間分別為6，7，5，7s。經(jīng)過(guò)中繼閥計(jì)算，得到相對(duì)應(yīng)的壓力分別為160，230，310和420kPa。制動(dòng)缸的壓力和制動(dòng)力如圖3和圖4所示。由于動(dòng)車(chē)和拖車(chē)的制動(dòng)缸活塞面積不同，產(chǎn)生的制動(dòng)力不同。

圖3 常用制動(dòng)時(shí)Cv控制壓力和制動(dòng)壓力

（2）整列緊急制動(dòng)分析

緊急制動(dòng)時(shí)，只需要將空電轉(zhuǎn)換閥上面的電磁閥打開(kāi)，使得列車(chē)管壓力之間通往空重車(chē)閥。此時(shí)無(wú)論空電轉(zhuǎn)換閥是否起作用，制動(dòng)系統(tǒng)先導(dǎo)控制壓力完全由空重車(chē)閥調(diào)定。動(dòng)車(chē)制動(dòng)力達(dá)到了53kN，拖車(chē)制動(dòng)力達(dá)到了33kN，如圖5所示。

圖4 常用制動(dòng)時(shí)拖車(chē)制動(dòng)力和動(dòng)車(chē)制動(dòng)力

（3）整列備用制動(dòng)分析

當(dāng)空電轉(zhuǎn)換閥和緊急制動(dòng)都有故障時(shí)，這時(shí)需要采用備用制動(dòng)。備用制動(dòng)工作時(shí)，列車(chē)管需要迅速排風(fēng)，列車(chē)管壓力迅速下降，這時(shí)DV閥迅速開(kāi)啟，風(fēng)缸R(shí)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(dòng)先導(dǎo)壓力。這時(shí)先導(dǎo)壓力由控制閥和連接在控制閥兩端的風(fēng)缸來(lái)控制。得到相應(yīng)的控制壓力480kPa，制動(dòng)壓力為370kPa，動(dòng)車(chē)制動(dòng)力和拖車(chē)制動(dòng)力分別為45kN和27kN，如圖6和圖7所示。

圖5 緊急制動(dòng)時(shí)拖車(chē)制動(dòng)力和動(dòng)車(chē)制動(dòng)力

圖6 備用制動(dòng)時(shí)Cv控制壓力和制動(dòng)壓力

3 結(jié)束語(yǔ)

圖7 備用制動(dòng)時(shí)動(dòng)車(chē)制動(dòng)力和拖車(chē)制動(dòng)力

本文對(duì)高速動(dòng)車(chē)組型高速列車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)，基于LMS Imagine.Lab AMESim建模過(guò)程進(jìn)行了詳細(xì)的介紹。

按照高速動(dòng)車(chē)組高速列車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)的原理圖搭建了列車(chē)的制動(dòng)系統(tǒng)，分別進(jìn)行了常用制動(dòng)、緊急制動(dòng)和備用制動(dòng)3種工況進(jìn)行了仿真分析。仿真結(jié)果與制動(dòng)系統(tǒng)的現(xiàn)車(chē)試驗(yàn)數(shù)據(jù)基本吻合，可用于指導(dǎo)今后對(duì)于類(lèi)似高速動(dòng)車(chē)組的制動(dòng)系統(tǒng)，或者是高速動(dòng)車(chē)組的制動(dòng)系統(tǒng)中功能相似的元件開(kāi)展仿真分析，提高列車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)的接口性能研究。大大縮短車(chē)輛產(chǎn)品的開(kāi)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(shí)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(cè)［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(jì)算機(jī)仿真技術(shù)［J］.達(dá)縣師范高等專(zhuān)科學(xué)校學(xué)報(bào)，2000，10（2）：64-66.