低地板有軌電車液壓制動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)建模與分析

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(1.南車南京浦鎮(zhèn)車輛有限公司， 江蘇 南京　210031； 2.長安大學(xué) 道路施工技術(shù)與裝備教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 陜西 西安　710064)

引言

低地板有軌電車是一種新型城市軌道交通工具，在國內(nèi)已開展了相應(yīng)研究，總體仍處于起步階段[1]。列車制動(dòng)作為低地板有軌電車核心技術(shù)之一，具有減速度大、結(jié)構(gòu)緊湊及高可靠性等特點(diǎn)。由于其運(yùn)行區(qū)間與行人和車輛有交叉，需要頻繁起動(dòng)和制動(dòng)，對(duì)其動(dòng)態(tài)性能要求較高。目前，各種類型的低地板有軌電車制動(dòng)系統(tǒng)均包括電制動(dòng)和磁軌制動(dòng)，所不同的是黏著制動(dòng)形式(空氣制動(dòng)、液壓制動(dòng)、電機(jī)械制動(dòng))的選擇。液壓制動(dòng)設(shè)備體積小，制動(dòng)過程平穩(wěn)、快速、準(zhǔn)確，已成為低地板有軌電車最重要的黏著制動(dòng)形式[2,3]。本研究以國內(nèi)某型100%低地板有軌電車(圖1)液壓制動(dòng)系統(tǒng)為研究對(duì)象，通過理論分析與建模仿真對(duì)其制動(dòng)性能及影響因素進(jìn)行分析，以期為該類型系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及調(diào)試提供一定的理論參考。

圖1　兩動(dòng)一拖低地板有軌電車

1　制動(dòng)系統(tǒng)原理

圖2所示為低地板有軌電車液壓制動(dòng)系統(tǒng)原理。從圖2a中可知，拖車轉(zhuǎn)向架2組輪對(duì)都配置有液壓制動(dòng)夾鉗， 并設(shè)置蓄能器作為輔助動(dòng)力源。 動(dòng)車轉(zhuǎn)向架2組輪對(duì)各單側(cè)配置有液壓制動(dòng)夾鉗，輪對(duì)另一側(cè)為動(dòng)力輸入，同時(shí)也是電制動(dòng)側(cè)。3個(gè)轉(zhuǎn)向架兩側(cè)配置有磁軌制動(dòng)裝置，提供固定的吸引制動(dòng)力。每個(gè)轉(zhuǎn)向架配備了1套液壓輔助緩解單元，以增加列車冗余安全度。表1給出了低地板有軌電車制動(dòng)模式及其組合制動(dòng)形式[3]。常用制動(dòng)由司機(jī)操縱主控器激活，整個(gè)過程由電制動(dòng)與液壓制動(dòng)聯(lián)合作用，以達(dá)到制動(dòng)指令所要求的減速度；緊急制動(dòng)模式下，3種制動(dòng)形式同時(shí)作用，以發(fā)揮列車最大制動(dòng)能力；安全制動(dòng)模式給所有轉(zhuǎn)向架施加一個(gè)設(shè)定的摩擦制動(dòng)力，電制動(dòng)不參與作用，而是通過液壓摩擦制動(dòng)和磁軌制動(dòng)完成，直到列車完全停止；保持制動(dòng)在車輛靜止?fàn)顟B(tài)下被激活，使車輛在較大坡道起動(dòng)時(shí)保證不后溜；停放制動(dòng)在車輛失活狀態(tài)被激活，制動(dòng)夾鉗彈簧力完全施加于閘片，可使車輛在任何載荷工況下保持靜止。

圖2　低地板有軌電車液壓制動(dòng)原理圖

表1　低地板輕軌車輛制動(dòng)形式

上述制動(dòng)模式中，僅常用制動(dòng)及保持制動(dòng)要根據(jù)實(shí)時(shí)需求動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)液壓制動(dòng)力。針對(duì)常用制動(dòng)、保持制動(dòng)和安全制動(dòng)進(jìn)行研究，即可得到整個(gè)液壓制動(dòng)系統(tǒng)的性能參數(shù)。圖2b所示動(dòng)車電液控制單元中，可通過實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)比例溢流閥1來動(dòng)態(tài)控制夾鉗液壓缸壓力。圖2c所示拖車電液控制單元中，可由比例節(jié)流閥1動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)夾鉗液壓缸的充液壓力，由比例節(jié)流閥2實(shí)時(shí)控制其放液壓力。拖車液壓制動(dòng)系統(tǒng)由于設(shè)置蓄能器，其控制過程較動(dòng)車液壓制動(dòng)復(fù)雜，而其制動(dòng)功能一致，因此本文就拖車液壓制動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行探討。

2　建立仿真模型

AMESim作為優(yōu)秀的機(jī)械工程領(lǐng)域的綜合仿真軟件，非常適合液壓傳動(dòng)及控制系統(tǒng)與元件的建模，為液壓技術(shù)的創(chuàng)新研究和設(shè)計(jì)分析提供了良好的仿真平臺(tái)。液壓系統(tǒng)和元件的仿真算法主要有3種形式：信號(hào)流法、基于方程法和能量端口法。AMESim將這3種形式綜合在一起，用功率鍵合圖及元件的特性方程建立系統(tǒng)模型，而用信號(hào)流法進(jìn)行仿真計(jì)算[4,5]。

依據(jù)圖2c所示拖車電液控制單元油路建立制動(dòng)系統(tǒng)AMESim仿真模型如圖3所示。表2為系統(tǒng)主要AMESim仿真參數(shù)。搭建質(zhì)量-彈簧-阻尼系統(tǒng)并考慮夾鉗彈性系數(shù)來模擬被動(dòng)式單作用液壓夾鉗制動(dòng)裝置。采用左右側(cè)共2組夾鉗裝置模擬不同管長對(duì)制動(dòng)響應(yīng)速度及蓄能器的工作過程。以等溫過程計(jì)算蓄能器參數(shù)，其工作壓力為12～15 MPa，預(yù)充氣壓力為10 MPa，有效排油體積為0.2 L，采用文獻(xiàn)[6]中公式計(jì)算得蓄能器總?cè)莘e為1.2 L。蓄能器調(diào)壓閥和比例節(jié)流閥的控制引入負(fù)載壓力負(fù)反饋。模型中比例環(huán)節(jié)k取值同為1/120，轉(zhuǎn)換函數(shù)f(x)取值120-x。

圖3　低地板有軌電車拖車制動(dòng)系統(tǒng)AMESim仿真模型

物理參數(shù)量值油泵額定流量/L·min-140溢流閥12設(shè)定壓力/MPa15蓄能器預(yù)充氣壓力/MPa10蓄能器總?cè)莘e/L1.2夾鉗液壓缸移動(dòng)質(zhì)量/kg2夾鉗液壓缸彈簧剛度/N·m-13×106夾鉗彈性系數(shù)/N·m-11×106夾鉗液壓缸阻尼系數(shù)/N·s/m-1600蓄能器調(diào)壓閥最大過流面積/mm29.6比例節(jié)流閥最大過流面積/mm24.5溢流閥8設(shè)定壓力/MPa2節(jié)流短孔直徑/mm2.4

實(shí)際電機(jī)采用繼電器控制啟閉，在蓄能器壓力低于12 MPa時(shí)啟動(dòng)充液，大于15 MPa時(shí)關(guān)閉。這里采用簡化的泵口旁路截止閥代替。安全制動(dòng)閥在9 s時(shí)刻失電以模擬安全制動(dòng)過程。為降低安全制動(dòng)過程中的沖擊并避免發(fā)熱過大，設(shè)置背壓溢流閥和阻尼孔以削減安全制動(dòng)過程的沖擊。給定圖4所示控制信號(hào)，以模擬列車起動(dòng)時(shí)保持制動(dòng)解除過程、列車常用制動(dòng)施加過程及蓄能器釋能過程。圖4a中1～2 s和7～8 s 設(shè)置斜坡信號(hào)，控制列車起動(dòng)過程夾鉗液壓缸充液壓力；圖4b中3～6 s設(shè)置斜坡信號(hào)，控制常用制動(dòng)過程夾鉗液壓缸泄壓壓力。由文獻(xiàn)[7]可知，雖然閘片摩擦制動(dòng)力與閘片壓力、列車速度成非線性關(guān)系，但給定車速和制動(dòng)力，即可確定閘片壓力。而閘片壓力與夾鉗液壓缸油壓成線性關(guān)系，這里采用線性信號(hào)，考察系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能，是可行的。

圖4　控制信號(hào)

3　仿真結(jié)果及分析

由圖5可知，蓄能器充液過程以恒定流量40 L/min進(jìn)行，其壓力(氣體壓力等于油液壓力)以反比例函數(shù)規(guī)律逐漸增大至15 MPa。初始充液用時(shí)0.65 s，由于列車行駛速度較低(<70 km/h)， 制動(dòng)時(shí)間間隔較充液時(shí)間較大，充液速度可減小，選用低排量油泵或低速電機(jī)以節(jié)約系統(tǒng)配置。由圖5中也可看出，蓄能器每次釋能排油量約為0.035 L，按有效排油總量計(jì)算，經(jīng)過6次釋能過程，液壓泵啟動(dòng)為蓄能器充液。

從圖6a可知， 在1～2 s和7～8 s區(qū)間內(nèi)蓄能器釋能并使夾鉗液壓缸充液，液壓缸壓力變化與圖4a中目標(biāo)壓力控制曲線吻合很好，其遲滯時(shí)間小于0.1 s。對(duì)應(yīng)的流量(圖6b)基本恒定，夾鉗液壓缸均勻動(dòng)作(圖7)。盡管蓄能器釋能過程中壓力變化是非線性的，且與目標(biāo)壓力相差很大，但是，通過帶有壓力負(fù)反饋的比例節(jié)流閥調(diào)節(jié)，可以得到滿意的壓力控制效果。在3～6 s區(qū)間內(nèi)常用制動(dòng)施加過程中夾鉗液壓缸壓力變化與圖4b中壓力控制曲線基本吻合，誤差主要是由油液的黏彈性與比例節(jié)流閥的固有特性造成的。不過，常用制動(dòng)起始與終了，夾鉗液壓缸動(dòng)作更加柔和，有利于進(jìn)一步削減制動(dòng)過程的沖擊。從第9 s開始，安全制動(dòng)啟動(dòng)，夾鉗液壓缸快速動(dòng)作，在節(jié)流閥及背壓溢流閥作用下，避免了過大的沖擊。

圖5　蓄能器仿真曲線

圖6　單作用夾鉗液壓缸仿真曲線

圖7　制動(dòng)彈簧位移

拖車液壓單元制動(dòng)端口分流至車輪夾鉗制動(dòng)缸的4道管路長度及空間布置不一致，因液壓管路存在容性及阻性特征，需探究管長及彎曲對(duì)制動(dòng)同步性的影響[8]。圖8所示3條曲線分別為1 m制動(dòng)管長、4 m制動(dòng)管長和4 m制動(dòng)管進(jìn)行2次90°彎曲后的夾鉗液壓缸壓力響應(yīng)曲線?？梢钥闯觯娱L并彎曲管路后，壓力響應(yīng)較前稍微滯后，即管路加長前后制動(dòng)響應(yīng)速度基本一致。

圖8　制動(dòng)管路加長及彎曲對(duì)系統(tǒng)的影響

4　結(jié)論

對(duì)低地板有軌電車液壓制動(dòng)系統(tǒng)原理進(jìn)行分析，針對(duì)帶有蓄能器的拖車液壓制動(dòng)系統(tǒng)建立AMESim仿真模型，對(duì)常用制動(dòng)及保持制動(dòng)工況下的壓力調(diào)節(jié)過程及蓄能器的工作過程進(jìn)行分析，得到了滿意的仿真效果， 理論上驗(yàn)證了該制動(dòng)系統(tǒng)的可靠性。 建議動(dòng)車液壓制動(dòng)模塊設(shè)置蓄能器，既節(jié)約系統(tǒng)配置，也可降低因液壓回路容腔過小受外界隨機(jī)影響及泄漏而引起的壓力波動(dòng)。本研究通過參數(shù)化建模分析為低地板有軌電車液壓制動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、調(diào)試、維修及后續(xù)優(yōu)化提供了一定的理論參考。

參考文獻(xiàn)：

[1]沈訓(xùn)梁，等.100%低地板有軌電車及其轉(zhuǎn)向架發(fā)展現(xiàn)狀[J].都市快軌交通，2013,26(5):21-24.

[2]李潤林，程建會(huì).低地板輕軌車液壓與磁軌制動(dòng)技術(shù)概述[J].鐵道車輛，2007,45(11):26-27,42.

[3]梁爽，馮軍.低地板輕軌車輛制動(dòng)形式探討[J].鐵道車輛，2013,51(4):32-34.

[4]吳躍斌，謝英俊，徐立.液壓仿真技術(shù)的現(xiàn)在和未來[J].液壓與氣動(dòng)，2002,(11):1-3.

[5]李海超，姚運(yùn)仕，馮忠緒.液體融雪劑灑布管路系統(tǒng)動(dòng)態(tài)仿真研究[J].工程設(shè)計(jì)學(xué)報(bào)，2014,21(3):259-265.

[6]張?jiān)雒?，?基于壓差控制的蓄能器壓力調(diào)節(jié)方法及其AMESim仿真[J].機(jī)床與液壓，2007,35(6):99-101.

[7]鮑維千，孫永才.機(jī)車總體及轉(zhuǎn)向架[M].北京：中國鐵道出版社，2010:35-47.

[8]金智林，等.汽車電控液壓制動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能分析及試驗(yàn)研究[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2012,48(12):127-132.