張新永 高 珊 溫從溪 孟慶棟 杜群威

軌道交通車輛架控制動(dòng)系統(tǒng)建模及防滑控制研究

張新永 高 珊 溫從溪 孟慶棟 杜群威

（中車唐山機(jī)車車輛有限公司，063035，唐山∥第一作者，高級(jí)工程師）

制動(dòng)系統(tǒng)的性能對(duì)列車安全運(yùn)行有重要的影響。在原理分析的基礎(chǔ)上，利用AMESim仿真軟件對(duì)EP2002制動(dòng)系統(tǒng)氣動(dòng)閥單元（PVU）進(jìn)行了建模，并通過常用制動(dòng)和緊急制動(dòng)仿真驗(yàn)證模型的正確性。在MATLAB/Simulink軟件環(huán)境下搭建列車動(dòng)力學(xué)模型，并編寫防滑控制邏輯，與AMES－im氣動(dòng)閥模型進(jìn)行聯(lián)合仿真，驗(yàn)證防滑邏輯的有效性。從常用制動(dòng)和緊急制動(dòng)仿真結(jié)果可以得出，所搭建的EP2002的PVU與真實(shí)系統(tǒng)的反應(yīng)一致，驗(yàn)證了PVU模型的正確性。從防滑控制仿真結(jié)果可以看出，所設(shè)計(jì)的防滑控制邏輯能夠達(dá)到控制要求，在發(fā)生連續(xù)滑行時(shí)能夠達(dá)到穩(wěn)定的防滑效果，為實(shí)際列車制動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和故障的解決提供了有效的模型基礎(chǔ)。

軌道交通車輛；架控制動(dòng)系統(tǒng)；氣動(dòng)閥單元；防滑控制

地鐵車輛具有載客量大、起動(dòng)制動(dòng)頻繁的特點(diǎn)，為了保證列車安全運(yùn)行需要地鐵車輛具有良好的制動(dòng)性能［1］。EP2002制動(dòng)系統(tǒng)是現(xiàn)有地鐵車輛上使用最多的制動(dòng)系統(tǒng)，能完成常用制動(dòng)、緊急制動(dòng)、遠(yuǎn)程緩解、緊急沖動(dòng)限制以及防滑保護(hù)等功能［2-3］。在列車制動(dòng)時(shí)，若沒有良好的制動(dòng)和防滑控制，可能使施加在制動(dòng)盤上的摩擦力超出輪軌之間的黏著引起滑行甚至抱死，導(dǎo)致列車的制動(dòng)距離延長，造成輪對(duì)踏面的嚴(yán)重擦傷［4-5］。因此，研究EP2002制動(dòng)系統(tǒng)的制動(dòng)和防滑性能，對(duì)地鐵車輛的安全運(yùn)行有重要意義。

本文利用AMESim軟件和MATLAB/Simulink軟件對(duì)EP2002制動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行仿真。AMESim軟件有豐富的氣動(dòng)庫模型，在制動(dòng)系統(tǒng)研究中應(yīng)用廣泛。國外的Faiveley公司以及Knorr公司利用AMESim軟件對(duì)其制動(dòng)系統(tǒng)以及制動(dòng)系統(tǒng)中的閥門進(jìn)行建模仿真。MATLAB/Simulink軟件可高效靈活地構(gòu)造出復(fù)雜的系統(tǒng)和控制邏輯。國內(nèi)的一些鐵路院校利用Visual C++、Matlab/Simulink以及AMESim等軟件對(duì)動(dòng)車組和地鐵的制動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行仿真研究［6-8］。利用AMESim軟件對(duì)EP2002制動(dòng)系統(tǒng)氣動(dòng)閥單元進(jìn)行建模仿真，施加常用制動(dòng)和緊急制動(dòng)信號(hào)驗(yàn)證模型響應(yīng)與實(shí)際系統(tǒng)響應(yīng)的一致性。同時(shí)在MATLAB/Simulink的環(huán)境下建立架控系統(tǒng)的列車動(dòng)力學(xué)模型和防滑控制邏輯，與AMESim環(huán)境下的氣動(dòng)閥單元模型實(shí)現(xiàn)聯(lián)合仿真，驗(yàn)證了防滑邏輯的有效性。仿真結(jié)果表明，建立的氣動(dòng)閥單元能夠反映實(shí)際系統(tǒng)的特性，搭建的防滑控制邏輯能夠保證穩(wěn)定的防滑效果。

1 EP2002氣動(dòng)閥結(jié)構(gòu)及制動(dòng)運(yùn)行原理

1.1 EP2002氣動(dòng)閥結(jié)構(gòu)

EP2002閥門內(nèi)部氣路原理如圖1所示。其中每個(gè)部分的功能如下：

一次調(diào)節(jié)器——由一個(gè)繼電器閥負(fù)責(zé)將氣動(dòng)閥單元供應(yīng)的壓力調(diào)低到加載緊急制動(dòng)壓力水平，負(fù)責(zé)在電子稱重系統(tǒng)失靈時(shí)提供一個(gè)機(jī)械的空車緊急制動(dòng)壓力。

二次調(diào)節(jié)器——其位于一次調(diào)節(jié)器的上部，負(fù)責(zé)將供應(yīng)至制動(dòng)氣缸的最大壓力限制在滿載荷車輛緊急制動(dòng)壓力水平。

稱重——負(fù)責(zé)給一次調(diào)節(jié)繼電器閥提供參考?jí)毫?。此參考?jí)毫εc空氣懸掛系統(tǒng)壓力成比例。

制動(dòng)缸壓力調(diào)節(jié)——負(fù)責(zé)將一次調(diào)節(jié)器輸出壓力進(jìn)一步調(diào)節(jié)至制動(dòng)缸壓力（BCP）所需的水平。車輪滑動(dòng)保護(hù)（WSP）激活時(shí)，BCP調(diào)節(jié)部分還負(fù)責(zé)對(duì)制動(dòng)氣缸壓力進(jìn)行氣動(dòng)控制。

連接閥——使得BCP輸出能夠進(jìn)行氣動(dòng)連接和分離。在常用與緊急制動(dòng)期間，兩個(gè)BCP輸出被連接；在WSP激活期間，兩根軸相互氣動(dòng)隔離，每根軸上的BCP通過BCP調(diào)節(jié)進(jìn)行獨(dú)立控制。

遠(yuǎn)程釋放——EP2002系統(tǒng)允許從遠(yuǎn)程位置（如駕駛室）下達(dá)制動(dòng)器釋放指令。此設(shè)施的目標(biāo)是防止列車停在較危險(xiǎn)的深隧道中，但是緊急制動(dòng)的優(yōu)先級(jí)高于遠(yuǎn)程釋放。

圖1 EP2002閥門內(nèi)部氣路原理圖

緊急沖動(dòng)限制——按照不同要求對(duì)施加在制動(dòng)器缸上的緊急制動(dòng)壓力速率進(jìn)行配置。

電子裝置控制的EP閥（電空轉(zhuǎn)換閥）——接收控制器傳過來的控制信號(hào)，對(duì)BCP調(diào)節(jié)部分的氣動(dòng)閥進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)充氣、保持和排氣的功能。

1.2 制動(dòng)運(yùn)行原理

制動(dòng)運(yùn)行原理如圖2所示，制動(dòng)供風(fēng)風(fēng)缸（BSR）壓力進(jìn)入氣動(dòng)閥單元，一方面將空氣供應(yīng)給一次調(diào)節(jié)器，一次調(diào)節(jié)的繼電器閥根據(jù)稱重EP閥門提供的參考?jí)毫?duì)出口壓力進(jìn)行調(diào)節(jié)；另一方面通過二次調(diào)節(jié)器被限制在一定的數(shù)值以內(nèi)，該數(shù)值為滿載緊急制動(dòng)壓力，稱重部分再根據(jù)空氣懸掛系統(tǒng)壓力將合適的參考?jí)毫μ峁┙o一次調(diào)節(jié)器，實(shí)現(xiàn)一次調(diào)節(jié)輸出與車重相對(duì)應(yīng)的壓力且不超過滿載緊急制動(dòng)壓力。在一次調(diào)節(jié)器的下面設(shè)置一個(gè)緊急沖動(dòng)限制EP閥門，在緊急沖動(dòng)開始施加時(shí)，該EP閥將氣流切換到一個(gè)阻塞路徑來限制緊急制動(dòng)壓力的施加速度。

圖2 制動(dòng)運(yùn)行原理圖

在緊急沖動(dòng)閥門的下游，氣流分為兩路供給軸1和軸2，每路供氣都通過SB/WSP的EP閥門進(jìn)入制動(dòng)缸。在緊急制動(dòng)時(shí)，EP閥門處于失電狀態(tài)。這些閥門的狀態(tài)采用電子硬件連續(xù)監(jiān)視來防止過度的WSP保持或者放氣。兩根軸通過連接EP閥實(shí)現(xiàn)氣路連接，在緊急制動(dòng)和常用制動(dòng)時(shí)，兩根軸上的制動(dòng)缸壓力輸出連通；在防滑保護(hù)時(shí)，兩根軸上的制動(dòng)缸壓力輸出切斷。

2 防滑控制工作原理

當(dāng)檢測(cè)到列車滑行時(shí)，首先切斷兩根軸之間的連接EP閥，按照防滑控制策略控制制動(dòng)缸進(jìn)行排風(fēng)或者保壓。目前防滑器采取的主要控制策略是根據(jù)速度差、減速度和滑移率3個(gè)量的閾值進(jìn)行控制?？梢圆扇蝹€(gè)判據(jù)，也可綜合運(yùn)用3個(gè)判據(jù)進(jìn)行控制。

在MATLAB/Simulink軟件中根據(jù)輪對(duì)的受力分析建立地鐵空氣制動(dòng)動(dòng)力學(xué)模型，施加制動(dòng)力后計(jì)算出某軸速度與減速度，選擇一個(gè)軸的速度作為基準(zhǔn)軸速度vref，各軸速度vn（n=l，2）與基準(zhǔn)軸速度的差值即為各軸速度差Δvn。

根據(jù)計(jì)算出的各軸速度、減速度、速度差對(duì)比滑行判據(jù)進(jìn)行滑行的判斷。當(dāng)滿足滑行判據(jù)時(shí)，防滑單元通過控制防滑閥進(jìn)行防滑控制，否則退出滑行控制。

本文采取的防滑控制策略如表1所示。一旦判斷出滑行，首先保壓閥上電，切斷制動(dòng)缸進(jìn)風(fēng)通道；同時(shí)滑行軸排風(fēng)閥開啟50 ms后再關(guān)斷，制動(dòng)缸處于保壓狀態(tài)，并持續(xù)50 ms。保壓期間防滑器繼續(xù)進(jìn)行滑行判斷，若該軸停止滑行，則防滑器停止防滑控制；否則排風(fēng)閥進(jìn)行第二次排氣50 ms，再保壓50 ms，依次類推。在施加防滑控制時(shí)，當(dāng)持續(xù)保持時(shí)間超過8 s或者持續(xù)排風(fēng)時(shí)間超過4 s，關(guān)斷防滑控制來保證制動(dòng)能力。

表1 防滑控制策略

3 EP2002氣動(dòng)閥單元的建模及車輪防滑保護(hù)仿真

根據(jù)EP2002閥門的氣路原理圖（如圖3所示）進(jìn)行功能模塊建模。常用制動(dòng)和緊急制動(dòng)的邏輯控制信號(hào)以及聯(lián)合仿真時(shí)防滑邏輯控制信號(hào)如圖4所示。通過施加控制信號(hào)來驗(yàn)證模型反應(yīng)的正確性。在MATLAB/Simulink軟件搭建的防滑控制系統(tǒng)、每軸的動(dòng)力學(xué)模型和滑行判定控制如圖5~圖7所示。通過與AMESim軟件的聯(lián)合仿真來驗(yàn)證防滑控制邏輯的有效性。

圖3 EP2002閥門的氣路原理圖

圖4 聯(lián)合仿真控制模塊

圖5 防滑控制系統(tǒng)

圖6 每軸的動(dòng)力學(xué)方程

圖7 單軸的滑行判定控制

3.1 常用全制動(dòng)和緊急制動(dòng)仿真

通過常用全制動(dòng)和緊急制動(dòng)仿真來驗(yàn)證EP2002制動(dòng)系統(tǒng)氣動(dòng)閥單元模型的正確性。制動(dòng)工況以重車AW2模式進(jìn)行仿真。首先觸發(fā)常用制動(dòng)指令后觸發(fā)緊急制動(dòng)指令，分別實(shí)現(xiàn)制動(dòng)、保壓和緩解3個(gè)過程。常用全制動(dòng)和緊急制動(dòng)下的制動(dòng)缸壓力曲線如圖8所示。從圖8中可以看出，緊急制動(dòng)時(shí)制動(dòng)缸壓力更大，常用制動(dòng)和緊急制動(dòng)的制動(dòng)缸壓力的建立時(shí)間滿足設(shè)計(jì)要求。

圖8 常用制動(dòng)和緊急制動(dòng)時(shí)的制動(dòng)缸壓力

3.2 防滑控制系統(tǒng)仿真

在本文中防滑判據(jù)為：滑行條件Δv＞2 m/s，再黏著判據(jù)Δv＜0.2 m/s。

在緊急制動(dòng)的工況下對(duì)模型進(jìn)行仿真研究，在有防滑控制的條件下設(shè)定輪軸多次滑行。其中初始速度設(shè)定為80 km/h，以減速度β=1.32 m/s2進(jìn)行減速，仿真時(shí)間設(shè)定為20 s，仿真步長設(shè)定為0.01 s。

設(shè)定軸2在第3 s時(shí)發(fā)生一個(gè)周期性的滑行現(xiàn)象，觀察2個(gè)車軸速度和制動(dòng)缸壓力的變化趨勢(shì)。在MATLAB/Simulink軟件中車軸速度的仿真結(jié)果如圖9和圖10所示，在AMESim軟件中的制動(dòng)缸壓力如圖11和圖12所示。

圖9 基準(zhǔn)速度與軸1速度對(duì)比

圖10 基準(zhǔn)速度與軸2速度對(duì)比

圖11 軸1制動(dòng)缸壓力

圖12 軸2制動(dòng)缸壓力

從圖10和圖12可以看出：軸2在第3 s發(fā)生滑行時(shí)，轉(zhuǎn)動(dòng)速度相對(duì)于基準(zhǔn)軸的速度快速下降；由于加了防滑控制，進(jìn)行階段性排風(fēng)使制動(dòng)缸壓力下降，軸2的速度逐漸上升，當(dāng)滿足黏著條件時(shí)，開始恢復(fù)緊急制動(dòng)時(shí)的制動(dòng)缸壓力。在發(fā)生周期性滑行的過程中，防滑控制系統(tǒng)對(duì)每次滑行都能進(jìn)行有效調(diào)整，使得軸2能夠恢復(fù)黏著和制動(dòng)力。從圖9和圖11可以看出，軸2在第3 s發(fā)生滑行時(shí)，連接閥斷開，軸1制動(dòng)缸壓力不變；軸2結(jié)束滑行后連接閥連通，受到軸2制動(dòng)缸壓力下降的影響，軸1制動(dòng)缸壓力降低后迅速恢復(fù)緊急制動(dòng)壓力。通過在AMESim軟件和MATLAB/Simulink軟件中設(shè)定滑行工況，觀測(cè)軸速變化情況、制動(dòng)缸壓力變化情況和充排氣閥的動(dòng)作，對(duì)進(jìn)一步改善防滑控制系統(tǒng)的性能具有重要的意義。

4 結(jié)論

本文利用AMESim仿真軟件對(duì)EP2002制動(dòng)系統(tǒng)的氣路部分進(jìn)行仿真，施加常用制動(dòng)和緊急制動(dòng)控制信號(hào)來驗(yàn)證模型反應(yīng)的正確性，利用MATLAB/Simulink軟件搭建防滑控制系統(tǒng)與AMESim軟件實(shí)現(xiàn)聯(lián)合仿真，驗(yàn)證了防滑邏輯的有效性。通過仿真結(jié)果可以看出，搭建EP2002的PVU（氣動(dòng)閥單元）與真實(shí)系統(tǒng)的反應(yīng)一致，設(shè)計(jì)的防滑邏輯能夠滿足實(shí)際系統(tǒng)的控制需求，可以應(yīng)用于實(shí)際列車制動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和故障的解決。

［1］ 許桂紅.地鐵制動(dòng)系統(tǒng)的研究與仿真［D］.成都：西南交通大學(xué)，2014.

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Modeling of Bogie Control Brake System in Railway Vehicle and Anti-slip Control

ZHANG Xinyong，GAO Shan，WEN Congxi，MENG Qingdong，DU Qunwei

The performance of brake system is very important for the safe operation of trains.On the basis of principle analysis，a pneumatic valve unit（PVU）model of EP2002 brake system is built up by using AMESim simulation software,the correctness of the model is verified through the simulation of service brake and emergency brake.Then a dynamics model of train is built in MATLAB/Simulink environment，the anti-slip control logic is compiled.To verify the validity of slip logic,co-simulation is conducted between AMESim and MATLAB/Simulink.The simulation results of service brake and emergency brake show that the PVU model of EP2002 reacts consistently with real systems，thus the correctness of PVU model is verified.Meanwhile,the simulation results of anti-slip control show that a stable performance of anti-slip has been achieved even in continuous slip condition，which means that the designed anti-slip control logic could meet the control requirements.The research provides an effective model for the actual braking system design and failure solution.

rail transit vehicle；bogie control brake system；pneumatic valve unit；anti-slip control

U270.35

10.16037/j.1007-869x.2017.11.026

Author′s address CRRC Tangshan Co.，Ltd.，063035，Tangshan，China

2016-03-10）