胡 薇 朱皓青 王宗明 左建勇
(1.同濟(jì)大學(xué)鐵道與城市軌道交通研究院,201804,上海;2.上海地鐵維護(hù)保障有限公司車輛分公司,200233,上?!蔚谝蛔髡撸T士研究生)
城市軌道交通車輛架控制動系統(tǒng)采用分散式的控制方式,將電制動控制單元、氣制動控制單元及防滑閥進(jìn)行集成,在保證控制精度與靈敏的響應(yīng)速度的同時,滿足車輛制動設(shè)備的冗余性。在架控制動系統(tǒng)逐步取代車控制動系統(tǒng)的趨勢下,參考用于上海軌道交通1號線6 改8 工程增購列車的克諾爾EP2002架控氣制動系統(tǒng),通過AMESim 軟件中豐富的模型庫進(jìn)行建模,仿真分析其三種制動模式,并與設(shè)計(jì)指標(biāo)進(jìn)行對比。
架控制動系統(tǒng)保持了車輛制動設(shè)備的冗余性。通常情況下,僅一個轉(zhuǎn)向架上的制動系統(tǒng)工作,當(dāng)其出現(xiàn)故障時,另一個設(shè)備及時采取動作,施行制動。架控制動系統(tǒng)中包括風(fēng)源系統(tǒng)、輔助控制模塊、制動控制單元、踏面制動單元以及空氣彈簧等。
上海軌道交通1號線6改8工程增購列車的制動系統(tǒng)包括制動控制模塊和制動控制單元。每車配有一套制動控制模塊,實(shí)現(xiàn)儲存風(fēng)源、施加和緩解停放制動。制動控制模塊集成了溢流閥、減壓閥、塞門以及風(fēng)缸等部件,主要用來對制動裝置及空氣懸掛裝置供風(fēng),并裝有截斷塞門,供維修人員進(jìn)行操作。
制動控制模塊B00內(nèi)的部件包括總風(fēng)缸A06、空氣過濾器B01、截斷塞門B02、單向閥B03、制動儲風(fēng)缸B04、截斷塞門B05、節(jié)流閥B10、脈沖電磁閥B19、三通閥B20、停放制動壓力開關(guān)B21、測試接口B22、溢流閥L01、截斷塞門L02、減壓閥L03、懸掛風(fēng)缸L04、測試接口L06。其氣動原理圖如圖1所示。
圖1 制動控制模塊內(nèi)部氣動原理圖
圖2為EP 2002 閥內(nèi)部氣路示意圖,其中A7為連通電磁閥,用于連通或切斷本轉(zhuǎn)向架的兩根軸的氣動輸出壓力:在常用制動和緊急制動作用期間,允許按架控方式將兩根軸上的制動缸壓力輸出連通;當(dāng)產(chǎn)生防滑保護(hù)時,將兩根軸之間的制動缸壓力輸出切斷(相當(dāng)于軸控式制動方式),使每根軸根據(jù)實(shí)際運(yùn)行情況單獨(dú)控制其制動缸壓力。
常用制動時,EP 2002稱重部根據(jù)空氣懸掛系統(tǒng)輸出實(shí)際制動壓力,在無滑行的情況下,A7 失電,起到連通作用,使同一轉(zhuǎn)向架兩根軸上的制動缸氣路有相同的壓力。在調(diào)節(jié)制動缸壓力時,由其中任一軸的保壓/排風(fēng)電磁閥(A3/A4或A5/A6)進(jìn)行控制,另一個軸的保壓/排風(fēng)電磁閥始終在保壓狀態(tài)。緊急制動采用空氣制動:當(dāng)制動系統(tǒng)得到緊急制動信號時,制動控制單元會控制兩根軸上的制動缸壓力控制電磁閥,使之處于失電狀態(tài),制動缸壓力達(dá)到稱重的緊急制動壓力水平。緊急制動功能是獨(dú)立地按各自轉(zhuǎn)向架的不同載荷來調(diào)節(jié)制動缸壓力。緊急制動時,因緊急沖動限制電磁閥A2失電,使制動充風(fēng)速率受到限制,實(shí)現(xiàn)緊急沖動限制。快速制動的制動減速度與緊急制動時相同,具有防滑控制功能和沖擊極限限制,但可隨時施行制動緩解??焖僦苿訒r,EP 2002制動控制系統(tǒng)的工作原理基本與常用制動相同。為了滿足列車在AW3(超載)載荷下較長時間停放的要求,停放制動采用彈簧制動和壓縮空氣緩解制動,EP 2002閥將實(shí)時監(jiān)控停放制動缸的空氣壓力。在無電無氣時,可通過手動緩解機(jī)構(gòu)進(jìn)行人工緩解制動。列車速度低于1 km/h,EP2002閥會施加保壓制動,以實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)停車。
圖2 制動控制單元?dú)鈩釉韴D
將系統(tǒng)分模塊建模仿真,在達(dá)到各自功能要求后,按其氣路原理圖搭建完整的架控制動系統(tǒng)。為滿足整體仿真效果及速度,模型中省略部分非必要部件,如干燥器、單向閥、塞門等。每根車軸有兩個制動缸和一個停放制動缸,停放制動時,停放制動缸只依靠彈簧力向踏面施加制動力,且制動缸無制動壓力輸入。根據(jù)制動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),采用以下模型:由一個制動缸模型來檢測和反映制動缸或停放制動缸的動作。系統(tǒng)模型如圖3所示。具體部件可對照圖2。
圖3 架控制動系統(tǒng)模型
本次仿真試驗(yàn)中,以上海軌道交通1號線6改8工程增購列車的一節(jié)動車為例,制動工況均以重車AW3模式進(jìn)行驗(yàn)證??傦L(fēng)缸最大壓力1 MPa,正常工作壓力范圍0.75~0.9 MPa。空壓機(jī)壓力在0.75 MPa以下時開始運(yùn)轉(zhuǎn),壓力達(dá)到0.9 MPa時切斷,保證壓縮空氣供給系統(tǒng)不過壓。經(jīng)溢流閥作用降為0.85 MPa,保證總風(fēng)缸壓力處于正常工作范圍,繼而輸入總風(fēng)缸、制動風(fēng)缸。懸掛風(fēng)缸是給空簧供風(fēng),在AW3車況下,總風(fēng)壓力通過減壓閥,使得進(jìn)入空簧的壓力穩(wěn)定在0.6 MPa左右。系統(tǒng)先對總風(fēng)缸、制動風(fēng)缸和懸掛風(fēng)缸進(jìn)行充氣,當(dāng)各風(fēng)缸達(dá)到額定氣壓后,再對各種制動工況進(jìn)行仿真。圖4為穩(wěn)定時的風(fēng)缸壓力情況(總風(fēng)缸壓力與制動風(fēng)缸壓力接近)??梢钥闯觯傦L(fēng)缸和制動風(fēng)缸風(fēng)壓最終穩(wěn)定在0.83 MPa,懸掛風(fēng)缸壓力為0.63 MPa。
圖4 穩(wěn)定狀態(tài)時的風(fēng)缸壓力
常用制動、緊急制動和停放制動輸入三階段信號,實(shí)現(xiàn)制動、保壓、緩解三個過程。其中,停放制動在施加時僅靠彈簧作用力;緩解時為充氣狀態(tài)。
2.2.1 常用全制動和緊急制動
空氣制動單元制動能力滿足AW3的列車。常用制動時,輔助制動模塊中控制停車制動的雙向電磁閥得電,使氣路切斷,制動風(fēng)缸的壓力空氣通入架控制動模塊的稱重部,當(dāng)輸入壓力處于主調(diào)解器壓力和副調(diào)節(jié)器壓力之間時,按實(shí)際制動氣壓輸出進(jìn)入制動控制模塊。實(shí)際制動氣壓與空氣懸掛裝置的氣壓成比例。常用制動時,其對應(yīng)的電磁閥信號為失電,進(jìn)行充氣制動。連通閥在常用制動時為常開狀態(tài),兩軸的制動缸壓力一致。
緊急制動與常用制動的區(qū)別,在于緊急制動時無電制動,僅靠空氣制動完成。以緩解-制動-緩解來模擬制動系統(tǒng)的常用制動和緊急制動。常用全制動和緊急制動下的制動缸壓力曲線如圖5所示??梢钥闯觯o急制動時制動缸壓力更大,且制動時間更短。當(dāng)車輛處于制動工況時,常用制動建立時間(制動缸壓力上升到90%)為1.5 s,緊急制動建立時間為1.3 s。
2.2.2 停放制動
停放制動時,列車為空車狀態(tài),且設(shè)計(jì)中需滿足38‰的坡度要求。停放制動由輔助制動模塊中的雙向電磁閥控制實(shí)現(xiàn)。停車制動緩解時,通往架控制動模塊的氣路被截斷塞門關(guān)斷,由制動風(fēng)缸直接向兩軸的停放制動缸充氣,因此該模塊中的電磁閥不動作。根據(jù)氣路圖壓力開關(guān)設(shè)計(jì)的停放制動缸的完全緩解壓力為0.45 MPa。仿真得到的一、二軸停放制動缸(BCP1 和 BCP2)壓力曲線如圖 6所示(BCP1與BCP2曲線基本重疊)。停放制動缸在停放制動緩解后壓力上升至所需的0.43 MPa,符合制動設(shè)計(jì)結(jié)果。
圖5 制動系統(tǒng)常用全制動和緊急制動的制動缸壓力
圖6 停放制動的停放制動缸壓力
本文運(yùn)用AMESim 仿真軟件,基于模型驅(qū)動的仿真方法,完成了架控制動系統(tǒng)各組成單元的建模,主要包括供風(fēng)模塊、停放制動單元、緊急沖動限制功能、制動功能、連通模塊等。仿真信號的輸入采用模擬邏輯控制法,通過對電磁閥控制信號進(jìn)行設(shè)定,實(shí)現(xiàn)了階段制動、階段緩解等控制邏輯的快速仿真。結(jié)合架控氣制動系統(tǒng)的工作原理,仿真分析了階段常用制動、緊急制動和停放制動等功能,并根據(jù)上海軌道交通1號線6改8工程增購列車的制動參數(shù)進(jìn)行了對比驗(yàn)證。仿真結(jié)果表明,架控氣制動系統(tǒng)具有良好的控制精度和響應(yīng)速度,采用AMESim 軟件基于模型驅(qū)動仿真方法研究制動系統(tǒng)的特點(diǎn)是可行的。
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