賀元玉，王俊勇

（西南交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，四川成都610031）

電力機(jī)車(chē)列車(chē)管預(yù)控壓力控制仿真研究

賀元玉，王俊勇

（西南交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，四川成都610031）

列車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)是保證列車(chē)安全運(yùn)行的關(guān)鍵技術(shù)，更加精確快速的控制列車(chē)管和制動(dòng)缸壓力都對(duì)機(jī)車(chē)制動(dòng)控制系統(tǒng)提出了更高的要求。以HXD2電力機(jī)車(chē)中使用的新型制動(dòng)機(jī)為基礎(chǔ)，利用減壓閥、高速開(kāi)關(guān)電磁閥、壓力傳感器、經(jīng)典PID控制的方式，以AMEsim軟件為平臺(tái)搭建機(jī)車(chē)列車(chē)管預(yù)控壓力控制系統(tǒng)（即均衡風(fēng)缸壓力控制），并分別仿真分析機(jī)車(chē)在充風(fēng)緩解、初制動(dòng)、全制動(dòng)（制動(dòng)區(qū)）、緊急制動(dòng)4個(gè)關(guān)鍵制動(dòng)工況下對(duì)列車(chē)管預(yù)控壓力的控制特性。

機(jī)車(chē)制動(dòng)；均衡風(fēng)缸；減壓閥；高速開(kāi)關(guān)閥；PID控制；仿真

目前在我國(guó)高速、重載鐵路運(yùn)輸發(fā)展進(jìn)程中，以和諧系列電力機(jī)車(chē)為標(biāo)志，已經(jīng)廣泛使用以微型計(jì)算機(jī)為控制中心的第3代機(jī)車(chē)電空制動(dòng)機(jī)。其通過(guò)在傳統(tǒng)空氣制動(dòng)機(jī)基礎(chǔ)上添加中央處理單元、高速電磁閥、EP模塊等電氣控制部件，由制動(dòng)控制單元（Brake Control Unit，以下簡(jiǎn)稱(chēng)BCU）計(jì)算發(fā)出制動(dòng)動(dòng)作指令，完成機(jī)車(chē)車(chē)輛的調(diào)速以及最終停車(chē)。第3代制動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)了功能模塊的集成并且通過(guò)網(wǎng)絡(luò)通信完成指令及故障的迅速反饋。更加穩(wěn)定精確的控制列車(chē)管、制動(dòng)缸壓力的變化。

1　均衡風(fēng)缸壓力控制系統(tǒng)機(jī)理分析

制動(dòng)控制器（大閘）通過(guò)手柄驅(qū)動(dòng)主軸，依靠齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)，帶動(dòng)定位凸輪、開(kāi)關(guān)凸輪，同時(shí)齒輪系統(tǒng)將驅(qū)動(dòng)制動(dòng)控制器內(nèi)部的角位移傳感器主軸旋轉(zhuǎn)，使傳感器碼器輸出相應(yīng)的電流信號(hào)（4～20 mA），以實(shí)現(xiàn)不同的制動(dòng)控制指令輸出。BCU接收到對(duì)均衡風(fēng)缸壓力要求通過(guò)控制電磁閥完成壓力調(diào)節(jié)，形成對(duì)列車(chē)管預(yù)控壓力的輸出。

圖1　自動(dòng)制動(dòng)控制原理圖

均衡風(fēng)缸壓力調(diào)節(jié)模塊通過(guò)電磁閥，按照制動(dòng)控制單元的目標(biāo)值對(duì)來(lái)自總風(fēng)缸的壓力空氣進(jìn)行調(diào)節(jié)輸出，經(jīng)過(guò)中繼閥流量放大后進(jìn)入列車(chē)管，完成對(duì)列車(chē)管壓力的控制。如圖1所示。

2　減壓閥模型建立

減壓閥通過(guò)控制閥口的開(kāi)度來(lái)改變節(jié)流面積從而使流體的流速以及動(dòng)能發(fā)生變化，形成不同的壓力損失，完成降低通過(guò)減壓閥后介質(zhì)壓力降低的功能。需要減壓閥保證出口壓力在一定的誤差范圍內(nèi)保持穩(wěn)定并且起到減壓和穩(wěn)壓的作用。此處選用的是減壓閥為直動(dòng)式減壓閥，即通過(guò)跳崖旋鈕直接來(lái)調(diào)節(jié)調(diào)壓彈簧的壓力來(lái)改變閥的出口壓力。其屬于常用膜片式減壓閥，結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2　減壓閥結(jié)構(gòu)圖

2.1 力平衡方程

在調(diào)節(jié)減壓閥工作閥口開(kāi)度大小的過(guò)程中，閥桿位移直接連接調(diào)壓彈簧與閥座之間的運(yùn)動(dòng)，從而形成與閥芯之間的工作閥口的調(diào)控。所以此處以閥桿為受力分析部件，如圖3所示，列出減壓閥內(nèi)部力平衡方程：

圖3　運(yùn)動(dòng)部件力平衡示意圖

根據(jù)牛頓第二定律，可運(yùn)動(dòng)部件的運(yùn)動(dòng)方程可以寫(xiě)為：

式中m為可運(yùn)動(dòng)部件質(zhì)量，kg；h為閥芯開(kāi)度，m；F1為調(diào)壓彈簧壓力，N；F2為復(fù)位彈簧復(fù)位力，N；Ff為摩擦阻力，N；A1為反饋壓力在膜片的有效作用面積，m2。

常用摩擦力經(jīng)驗(yàn)公式為：

其中

式中Ffc為靜摩擦力，N；Ffv為庫(kù)倫摩擦力，N；Ffs為粘性摩擦力，N；Bv為粘性摩擦系數(shù)，N·s/m；v為可運(yùn)動(dòng)部件運(yùn)動(dòng)速度，m/s。

2.2流量表達(dá)式

根據(jù)sanvilleF.E.的研究，實(shí)際氣動(dòng)元件的流量可以用式（5）、式（6）計(jì)算得出。

其中

式中A1為減壓閥等效通徑的面積，m2；PM，Pd為元件上、下游壓力，MPa；TM為元件上游溫度，K；σ為壓力比；b為臨界壓力比，b=0.2～0.5；

2.3基于AMEsim減壓閥PCD建模

根據(jù)建立的數(shù)學(xué)模型以及對(duì)減壓閥內(nèi)部結(jié)構(gòu)原理的分析，此處利用基于物理模型化的AMEsim軟件對(duì)減壓閥進(jìn)行PCD建模如圖4所示。

圖4　減壓閥PCD模型

主要參數(shù)取值見(jiàn)表1。

表1　減壓閥仿真模擬主要參數(shù)表

3　高速開(kāi)關(guān)閥模型建立

本文所分析研究的空氣制動(dòng)控制模塊中，對(duì)均衡風(fēng)缸的壓力控制將以高速開(kāi)關(guān)閥直接作為執(zhí)行元件，通過(guò)高速切換完成精確壓力的輸出。此處將需要3種類(lèi)型的高速開(kāi)關(guān)閥實(shí)現(xiàn)這一功能，分別為常閉式二位二通電磁閥、常開(kāi)式二位三通電磁閥以及常閉式二位三通電磁閥。

3.1開(kāi)關(guān)閥功能模塊分析

根據(jù)電磁閥的特點(diǎn)，可以將其分解為4個(gè)子模型，無(wú)論何種模式的開(kāi)關(guān)閥，其工作機(jī)理均由電、磁、機(jī)械、流體4大功能模塊有機(jī)聯(lián)系完成，各模塊之間的作用關(guān)系如圖5所示。

（1）當(dāng)激勵(lì)前開(kāi)關(guān)閥閥芯在彈簧復(fù)位力的作用下關(guān)閉閥口，關(guān)閉輸出閥口。

（2）在線圈感抗L和阻抗R的作用下使電磁線圈內(nèi)電流逐步上升。同時(shí)引起電磁力F的變化完成電磁轉(zhuǎn)換。在初期由于F較小不足以克服阻力從而閥芯處于靜止，當(dāng)電流增長(zhǎng)到F足以克服阻力時(shí)閥芯開(kāi)始運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)電—機(jī)械的轉(zhuǎn)換。

（3）當(dāng)激勵(lì)撤除，線圈中電流逐步下降，但在初期彈簧復(fù)位力不足以克服電磁力F，當(dāng)電磁力進(jìn)一步減小小于彈簧復(fù)位力時(shí)，閥芯開(kāi)始復(fù)位運(yùn)動(dòng)。

圖5　氣動(dòng)高速開(kāi)關(guān)閥功能模塊圖

3.2開(kāi)關(guān)閥建模仿真

以二位三通電磁閥為例，模型根據(jù)對(duì)高速開(kāi)關(guān)閥各功能模塊所用原理的分析，以A M Esim軟件為平臺(tái)建立如圖6所示模型。

圖6　二位三通常開(kāi)電磁閥PCD建模

如圖所示，左側(cè)部分為電路以及磁路模塊，對(duì)BCU發(fā)出模擬信號(hào)進(jìn)行電磁轉(zhuǎn)換，最終形成力的輸出完成對(duì)右側(cè)閥體動(dòng)作的控制。

表2　高速開(kāi)關(guān)閥主要仿真模擬參數(shù)

4　預(yù)控壓力控制系統(tǒng)建立

4.1PID控制原理

PID（比例—積分—微分）是一種線性控制器，在工業(yè)控制中廣泛應(yīng)用。其實(shí)質(zhì)為利用偏差，消除偏差。它根據(jù)給的目標(biāo)值yr（t）與實(shí)際的輸出值y0（t）構(gòu)成控制偏差e（t）：

如圖3所示，整個(gè)PID控制系統(tǒng)由模擬PID控制器和被控對(duì)象組成，輸入輸出關(guān)系為：

其相應(yīng)的傳遞函數(shù)為：

式中u（t）為控制器輸出的控制量；e（t）為偏差信號(hào)；Kp為比例系數(shù)；T1為積分時(shí)間常數(shù)；TD為微分時(shí)間常數(shù)。

4.2均衡風(fēng)缸壓力控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析

相對(duì)于HXD2機(jī)車(chē)通過(guò)單個(gè)兩位兩通常開(kāi)電磁閥完成增壓的作用，采用如圖7所示的結(jié)構(gòu)，通過(guò)兩位兩通、兩位三通電磁閥的重疊布置來(lái)提高緩解功能的穩(wěn)定性，相互形成自動(dòng)備用結(jié)構(gòu)。工作狀態(tài)中兩電磁閥同時(shí)收到相同的來(lái)自BCU指令。兩者均正常工作時(shí)由電磁閥2來(lái)連通增壓氣路。當(dāng)電磁閥2發(fā)生故障后，不需要BCU進(jìn)行任何其他指令轉(zhuǎn)換，增壓功能自動(dòng)由1、2電磁閥共同連通氣路進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。

圖7　均衡風(fēng)缸壓力控制系統(tǒng)

緊急制動(dòng)電磁閥在工作過(guò)程中必須常得電，直到接收到來(lái)自BCU的緊急制動(dòng)指令后，常用制動(dòng)電磁閥是在進(jìn)行常用制動(dòng)調(diào)速、停車(chē)過(guò)程中進(jìn)行工作。同時(shí)，當(dāng)常用制動(dòng)電磁閥故障時(shí)，緊急排風(fēng)電磁閥也可以作為冗余。壓力傳感器將輸出壓力反饋給BCU從而實(shí)現(xiàn)精確的閉環(huán)控制，當(dāng)列車(chē)管出現(xiàn)泄漏等情況時(shí)，及時(shí)監(jiān)控壓力變化，從而保證機(jī)車(chē)緩解制動(dòng)性能的穩(wěn)定。

根據(jù)圖7控制系統(tǒng)原理圖，使用前文所構(gòu)造減壓閥、高速開(kāi)關(guān)閥PCD模型并利用AMEsim軟件中PID控制模塊，搭建列車(chē)管預(yù)控壓力控制系統(tǒng)如圖8所示：

5　仿真結(jié)果分析

參照HXD2機(jī)車(chē)制動(dòng)機(jī)工作性能實(shí)測(cè)參數(shù)，列車(chē)管緩解到定壓600 kPa用時(shí)t=10.3 s，穩(wěn)定壓力值610.02 kPa；制動(dòng)區(qū)實(shí)現(xiàn)階段減壓并且在全制動(dòng)位列車(chē)管減壓170 kPa，壓力穩(wěn)定值435 kPa；緊急制動(dòng)列車(chē)管壓力從定壓降至40 kPa用時(shí)9.45 s。本文設(shè)置在列車(chē)管定壓為600 kPa模式下進(jìn)行模擬仿真。PID主要參數(shù)設(shè)置為Kp=1.2，KI=0.007，Kd=0（選擇經(jīng)典PID控制中的PI控制模式）。設(shè)置均衡風(fēng)缸容積為0.6 d m3，理想氣源壓力為900 kPa，減壓閥穩(wěn)定壓力值在650 kPa向緩解電磁閥進(jìn)行供風(fēng)，緩解電磁閥節(jié)流孔有效面積A1=0.85 mm2，制動(dòng)電磁閥節(jié)流孔有效面積A2=0.4 mm2。

模擬機(jī)車(chē)在初制動(dòng)、全制動(dòng)（制動(dòng)區(qū)）以及緊急制動(dòng)模式下均衡風(fēng)缸壓力控制曲線，以及在整個(gè)壓力調(diào)整過(guò)程中高速開(kāi)關(guān)閥的動(dòng)作曲線。

圖8　均衡風(fēng)缸控制系統(tǒng)PC D建模圖

5.1充氣緩解—初制動(dòng)（減壓50 kPa）

在本次模擬仿真當(dāng)中從圖9所描述的仿真結(jié)果曲線可以看出：均衡風(fēng)缸壓力從0恢復(fù)至目標(biāo)壓力（定壓600 kPa），最終穩(wěn)定在600.84 kPa，用時(shí)t=9.85 s，滿足均衡風(fēng)缸恢復(fù)至定壓的時(shí)間小于9～11 s的要求。

初制動(dòng)過(guò)程中均衡風(fēng)缸按照目標(biāo)設(shè)定減壓50 kPa，穩(wěn)定值為550.9 kPa，用時(shí)t=2 s，滿足要求在減壓（50 ±10）kPa情況下用時(shí)小于2～3 s，并且在達(dá)到穩(wěn)定值的前后制動(dòng)電磁閥出現(xiàn)1次得失電調(diào)節(jié)，緩解電磁閥一直處于失電狀態(tài)。

圖9　初制動(dòng)壓力變化以及電磁閥動(dòng)作曲線

5.2制動(dòng)區(qū)

當(dāng)司機(jī)控制自動(dòng)制動(dòng)控制器由初制動(dòng)位緩慢至全制動(dòng)位時(shí)，要求均衡風(fēng)缸能夠階段下降且能階段保壓，且在到全制動(dòng)位時(shí)滿足減壓170kPa的要求。按圖1中設(shè)置目標(biāo)壓力，仿真20s開(kāi)始進(jìn)行階段比例降壓，經(jīng)過(guò)6s時(shí)間完成至全制動(dòng)位，在整個(gè)過(guò)程中均衡風(fēng)缸壓力可以嚴(yán)格按照目標(biāo)壓力輸出，最后穩(wěn)定為432kPa，滿足要求。可以看出在整個(gè)制動(dòng)區(qū)，制動(dòng)電磁閥根據(jù)目標(biāo)壓力的連續(xù)變化，不斷做出壓力調(diào)整直至全制動(dòng)位。

圖10　制動(dòng)區(qū)壓力變化以及電磁閥動(dòng)作曲線

5.3緊急制動(dòng)

圖11　緊急制動(dòng)壓力變化曲線

在緊急制動(dòng)狀態(tài)下，通過(guò)BCU發(fā)出指令信號(hào)使得常用制動(dòng)電磁閥以及緊急電磁閥同時(shí)得電，迅速排空均衡風(fēng)缸中的壓力空氣，并且緊急電磁閥保持得電狀態(tài)，避免在制動(dòng)過(guò)程中出現(xiàn)緩解情況發(fā)生。仿真得到當(dāng)壓力降至39kPa經(jīng)過(guò)時(shí)間t=9.4s，滿足在定壓600kPa時(shí)，9～11s內(nèi)下降至40kPa以下的要求。

6　結(jié)束語(yǔ)

均衡風(fēng)缸壓力響應(yīng)直接決定著機(jī)車(chē)對(duì)列車(chē)管壓力的輸出，文中使用高速開(kāi)關(guān)閥作為緊急、常用制動(dòng)電磁閥，搭建重疊緩解模塊，同時(shí)利用減壓閥、經(jīng)典PID控制實(shí)現(xiàn)了對(duì)均衡風(fēng)缸壓力的控制。利用機(jī)車(chē)BCU發(fā)出模擬制動(dòng)指令信號(hào)，通過(guò)高速開(kāi)關(guān)閥的快速響應(yīng)，以小流量的方式迅速調(diào)節(jié)輸出壓力，達(dá)到列車(chē)管目標(biāo)壓力預(yù)控值。同時(shí)，通過(guò)對(duì)所搭建模型在充氣緩解、初制動(dòng)、全制動(dòng)（制動(dòng)區(qū)）、緊急制動(dòng)等關(guān)鍵制動(dòng)工況下的列車(chē)管輸出壓力進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果滿足我國(guó)關(guān)于電力機(jī)車(chē)制動(dòng)機(jī)的技術(shù)要求，同時(shí)與HXD2機(jī)車(chē)實(shí)際運(yùn)行工況下性能參數(shù)以及壓力變化過(guò)程相符合，具有壓力穩(wěn)定值與目標(biāo)值誤差小，輸出信號(hào)穩(wěn)定，電磁閥動(dòng)作響應(yīng)快速等特性，能夠?yàn)榱熊?chē)管壓力控制的研究提供一定的理論基礎(chǔ)。

［1］ TB 2056-89，電力機(jī)車(chē)制動(dòng)機(jī)技術(shù)條件［S］.

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Simulation and Study on the Control of Electric Locomotive Brake Pipe Pre-control Pressure

HE Yuanyu，WANG Junyong
（School of Mechanical Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031 Sichuan，China）

The locomotive brake system is the key technology to ensure the safety of train operation，and precise and rapid control of the pressure of brake pipe and brake cylinder also puts forward higher requirements to the brake control system.In this paper，based on a new type brake widely applied on HXD2 loco motive，using relief valve，high-speed switch valve，pressure sensor，and classic PID control mode，a brake pipe pressure control system is built，and the control behavior of the loco motive in the situation of brake release，first pressure drop，brake application and emergency brake is simulated and analyzed.

loco motive brake；equalizing reservoir；relief valve；high-speed switch valve；PID control mode；simulation

U264.331+9

A doi：10.3969/j.issn.1008-7842.2015.04.09

1008-7842（2015）04-0040-05

9—）男，碩士研究生（

2015-01-31）