高速動(dòng)車組備用制動(dòng)系統(tǒng)仿真分析研究＊

李邦國(guó)，楊偉君，金哲，李和平，武青海

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

制動(dòng)系統(tǒng)是動(dòng)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(duì)制動(dòng)系統(tǒng)提出了更高的要求［1］。試驗(yàn)手段一直以來(lái)都是研究列車制動(dòng)問(wèn)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(yíng)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(zhǎng)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(duì)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(guó)外早已認(rèn)識(shí)到采用計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)制動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行模擬研究的重要性。美國(guó)新罕布什爾大學(xué)與紐約空氣制動(dòng)機(jī)公司、伊利諾斯工學(xué)院與美國(guó)鐵路學(xué)會(huì)、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(guó)空氣制動(dòng)系統(tǒng)的模型。

中國(guó)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(dòng)系統(tǒng)計(jì)算機(jī)綜合仿真分析設(shè)計(jì)平臺(tái)，該設(shè)計(jì)平臺(tái)包括氣動(dòng)系統(tǒng)數(shù)值仿真分析設(shè)計(jì)平臺(tái)。平臺(tái)是基于法國(guó)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(jí)建模和仿真平臺(tái)。AMESim是基于物理模型的圖形化建模平臺(tái)，具有較高的準(zhǔn)確性和可靠性。氣動(dòng)系統(tǒng)數(shù)值仿真分析設(shè)計(jì)平臺(tái)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(dòng)系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境，能仿真分析制動(dòng)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(dòng)系統(tǒng)的研發(fā)周期。

利用鐵科院機(jī)輛所的氣動(dòng)系統(tǒng)數(shù)值仿真分析設(shè)計(jì)平臺(tái)，建立了高速動(dòng)車組備用制動(dòng)系統(tǒng)關(guān)鍵部件的仿真模型，分析了備用制動(dòng)的工作過(guò)程，為高速動(dòng)車組備用制動(dòng)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(dòng)系統(tǒng)組成及原理

高速動(dòng)車組備用制動(dòng)系統(tǒng)由備用制動(dòng)模塊、分配閥模塊、基礎(chǔ)制動(dòng)單元、風(fēng)源模塊和風(fēng)缸等組成（見(jiàn)圖1）。在列車正常運(yùn)行時(shí)試驗(yàn)電空制動(dòng)系統(tǒng)，當(dāng)電空制動(dòng)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(dòng)系統(tǒng)時(shí)，通過(guò)轉(zhuǎn)化塞門將備用制動(dòng)激活。這時(shí)列車制動(dòng)、緩解由備用制動(dòng)控制器來(lái)完成。在列車救援回送時(shí)，可由采用自動(dòng)式空氣制動(dòng)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(dòng)車組備用制動(dòng)系統(tǒng)原理示意圖

2 仿真模型的建立

制動(dòng)系統(tǒng)氣動(dòng)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(chǎng)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(dòng)系統(tǒng)中控制閥內(nèi)常見(jiàn)的節(jié)流器模型。

2.1 節(jié)流器模型

在分配閥及其他氣動(dòng)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(duì)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(lái)自輔助風(fēng)缸R(shí)的壓縮空氣和來(lái)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(dòng)，頂開進(jìn)氣閥e。來(lái)自輔助風(fēng)缸的壓縮空氣經(jīng)進(jìn)氣閥e到達(dá)制動(dòng)缸C，從而產(chǎn)生使列車制動(dòng)的制動(dòng)力。

根據(jù)分配閥的結(jié)構(gòu)，建立分配閥的氣動(dòng)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(dòng)仿真曲線（圖中壓力為絕對(duì)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(duì)壓力轉(zhuǎn)換成相對(duì)壓力，并與設(shè)計(jì)指標(biāo)和試驗(yàn)指標(biāo)對(duì)比，見(jiàn)表1，可見(jiàn)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(dòng)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(lái)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(lái)越困難，但是超級(jí)元件工具解決了這些問(wèn)題。為了簡(jiǎn)化系統(tǒng)模型，建立了分配閥的超級(jí)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(zhǎng)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(guò)該方程質(zhì)量流量、焓流量、雷諾數(shù)等可以計(jì)算出來(lái)。

3 備用制動(dòng)仿真計(jì)算

在CRH3動(dòng)車組中，備用制動(dòng)系統(tǒng)是通過(guò)控制列車管的壓力變化，來(lái)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(dòng)系統(tǒng)的仿真模型。在此主要研究備用制動(dòng)時(shí)沿列車管方向的空氣壓力波速和制動(dòng)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(dòng)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(guò)電磁閥動(dòng)作使列車管減壓，通過(guò)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(duì)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(dòng)車組電空制動(dòng)系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)上，進(jìn)行了相同參數(shù)的測(cè)試。在試驗(yàn)臺(tái)1車和8車分配閥模塊入口測(cè)點(diǎn)處測(cè)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(cè)量結(jié)果

3.2 制動(dòng)波速的仿真計(jì)算

基于上述仿真模型，分析備用制動(dòng)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(duì)分配閥輸出壓力的影響，其緊急制動(dòng)時(shí)壓力變化曲線如9所示（圖中壓力為絕對(duì)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(duì)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(cè)得制動(dòng)波速為285m／s。在CRH3動(dòng)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(dòng)缸的壓力變化情況為準(zhǔn)進(jìn)行制動(dòng)波速的測(cè)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(cè)量結(jié)果

4 結(jié)論

（1）建立了備用制動(dòng)系統(tǒng)中分配閥及長(zhǎng)大列車管仿真模型，通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了模型的有效性，通過(guò)系統(tǒng)集成建立了備用制動(dòng)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(dòng)波速等問(wèn)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(dòng)波速為285m／s。

（2）基于AMESim軟件建立的高速動(dòng)車組氣動(dòng)系統(tǒng)仿真平臺(tái)能夠準(zhǔn)確地計(jì)算制動(dòng)系統(tǒng)的關(guān)鍵性能指標(biāo)?；诜抡嫫脚_(tái)可以方便的對(duì)部件及系統(tǒng)的參數(shù)進(jìn)行測(cè)試、優(yōu)化，為制動(dòng)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(tái)，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(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究［J］.中國(guó)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.