任玉璽 劉 新 王俊龍 應(yīng)之丁 曹志禮 安世龍

（1. 中車齊齊哈爾車輛有限公司，161002，齊齊哈爾；2. 同濟(jì)大學(xué)鐵道與城市軌道交通研究院，201804，上海；3. 青島四方車輛研究所，266031，青島∥第一作者，正高級工程師）

隨著鐵路貨車“重載、快捷”技術(shù)的發(fā)展，為保障鐵路貨車運(yùn)行安全，列車制動系統(tǒng)及配件已不斷進(jìn)行了技術(shù)創(chuàng)新?？茖W(xué)的試驗方法和功能完備的試驗裝備是順利開展列車制動系統(tǒng)技術(shù)創(chuàng)新的基礎(chǔ)。計算機(jī)虛擬仿真技術(shù)和實物試驗臺相結(jié)合的試驗方法是提升列車制動性能試驗研究技術(shù)的新思路。利用計算機(jī)虛擬仿真技術(shù)構(gòu)建虛擬列車制動系統(tǒng)，可以彌補(bǔ)通用列車制動性能試驗臺結(jié)構(gòu)相對固定、結(jié)構(gòu)調(diào)整困難等缺點，能夠靈活模擬不同制動工況、不同制動配置、不同編組車型、不同編組輛數(shù)等條件，進(jìn)行列車制動系統(tǒng)性能的試驗研究，為制動技術(shù)進(jìn)步提供靈活可靠的試驗手段。中車齊齊哈爾車輛有限公司和同濟(jì)大學(xué)合作開展了列車制動性能半實物仿真試驗方法的研究工作。

1 列車制動系統(tǒng)簡介

列車制動系統(tǒng)由若干車輛制動機(jī)構(gòu)成，通過列車管串聯(lián)并與機(jī)車司控器連接，受機(jī)車司控器統(tǒng)一控制。我國鐵路貨車主型車輛制動機(jī)是120 型制動機(jī)，主要由120 型空氣控制閥、副風(fēng)缸、制動缸、加速緩解風(fēng)缸等部件構(gòu)成，如圖1 所示［1-2］。

圖1 120 型制動機(jī)部件構(gòu)成示意圖

120 型空氣控制閥是120 型制動機(jī)核心部件，列車制動系統(tǒng)中機(jī)車司控器操控引起列車管空氣壓力變化，信號由列車管逐輛車向后傳遞，一傳遞至某車輛的120 型空氣控制閥就會產(chǎn)生相應(yīng)的動作，以達(dá)到制動或緩解的目的。120 型制動機(jī)主要有初充氣、常用制動、再充氣及緩解、緊急制動4 個基本作用工況。

2 列車制動性能半實物仿真試驗方法

利用計算機(jī)仿真技術(shù)建立“虛擬”制動系統(tǒng)替代任意輛數(shù)的“實物”制動系統(tǒng)，通過接口設(shè)備及控制系統(tǒng)將“虛擬”制動系統(tǒng)中的列車管模型轉(zhuǎn)化為真實的列車管壓力變化，與“實物”列車制動系統(tǒng)試驗臺對接試驗?！疤摂M”制動系統(tǒng)模型修正依據(jù)“實物”列車制動系統(tǒng)試驗臺試驗數(shù)據(jù)完成，實現(xiàn)半實物仿真試驗?zāi)Ｊ?，以少量的實物列車制動系統(tǒng)，通過循環(huán)推導(dǎo)試驗獲得多編組數(shù)量的列車制動試驗數(shù)據(jù)。其基本原理框圖見圖2。

根據(jù)氣動系統(tǒng)流體方程建立列車制動系統(tǒng)仿真模型，形成虛擬列車制動系統(tǒng)。虛擬列車制動系統(tǒng)將第一輛車（某輛車）列車管模型信號發(fā)送至控制系統(tǒng)；控制系統(tǒng)進(jìn)行虛擬信號處理，再現(xiàn)模擬第一輛車（某輛車）列車管壓力變化情況，使實物列車制動試驗臺按照后一輛或幾輛車發(fā)生制動、緩解作用。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集實物列車制動試驗臺的真實試驗數(shù)據(jù)上傳、保存至數(shù)據(jù)庫。同時修正后一輛或幾輛車的制動機(jī)仿真模型，其中已修正準(zhǔn)確的列車管仿真模型作為信號輸出到控制系統(tǒng)，進(jìn)行下一輪虛實結(jié)合推導(dǎo)試驗，獲得長編組列車的試驗數(shù)據(jù)。

圖2 半實物仿真試驗方法基本原理框圖

3 列車制動性能半實物仿真試驗系統(tǒng)技術(shù)方案

列車制動性能半實物仿真試驗系統(tǒng)主要由上位機(jī)、制動控制模擬執(zhí)行器、硬件控制系統(tǒng)和實物列車制動系統(tǒng)試驗臺等四大部分構(gòu)成，如圖3 所示。

圖3 列車制動性能半實物仿真試驗系統(tǒng)示意圖

上位機(jī)是試驗系統(tǒng)的控制中心，承載著由智能化試驗平臺軟件、列車制動系統(tǒng)仿真模型及數(shù)據(jù)庫等構(gòu)成的“虛擬”列車制動系統(tǒng)。制動控制模擬執(zhí)行器是虛實結(jié)合的接口設(shè)備，接收控制系統(tǒng)指令再現(xiàn)列車管仿真模型。硬件控制系統(tǒng)同時具備控制和數(shù)據(jù)采集功能，一方面接收上位機(jī)的某輛車制動機(jī)列車管仿真模型信息，驅(qū)動制動控制模擬執(zhí)行器模擬列車中第N 輛車的制動情況，控制實物列車制動系統(tǒng)試驗臺（多套單車制動模擬裝置串聯(lián)），使其按照第N+1 輛車及后續(xù)車輛發(fā)生制動作用；另一方面采集列車制動系統(tǒng)試驗臺試驗數(shù)據(jù)回傳上位機(jī)保存至數(shù)據(jù)庫，同時修正制動機(jī)仿真模型，其中修正后的列車管仿真模型作為輸入信號驅(qū)動后續(xù)循環(huán)推導(dǎo)試驗。

3.1 列車制動系統(tǒng)仿真模型推導(dǎo)

列車制動系統(tǒng)是一種氣動系統(tǒng)，通過控制壓縮空氣產(chǎn)生空氣壓力的流動變化，改變制動閥的通路和平衡使得壓力空氣進(jìn)入或排出缸室，從而實現(xiàn)列車緩解與制動作用。因此從氣動力學(xué)角度，可將不同工況下壓縮空氣在各腔室之間流動簡化為幾個氣容之間的充放氣過程［3］，利用等效的節(jié)流孔代替閥或者制動配件內(nèi)部復(fù)雜的通路結(jié)構(gòu)，推導(dǎo)得出氣動系統(tǒng)基本充放氣特性方程［4］。

3.1.1 基本數(shù)學(xué)模型

根據(jù)氣動系統(tǒng)流體力學(xué)基本理論，以我國通用貨車制動機(jī)為研究對象，分析其工作原理，推導(dǎo)列車管、副風(fēng)缸和制動缸的壓力隨時間的變化規(guī)律。以初充氣工況（主要包括列車管初充氣和副風(fēng)缸初充氣兩個過程為基本模式），構(gòu)建列車制動系統(tǒng)的基本數(shù)學(xué)模型。

3.1.1.1 列車管初充氣

由總風(fēng)缸向列車管充氣直至充至定壓的過程，可視作氣容之間的充氣過程。研究制動系統(tǒng)升壓或減壓的宏觀規(guī)律時，氣體在管路內(nèi)部的波動可不予考慮，所以借助一個相同容積的氣容來等效替代列車管主管與支管。圖4 為總風(fēng)缸向列車管初充氣的簡化示意圖。圖4 表示絕對氣壓為ps的總風(fēng)缸經(jīng)過通路向初始絕對氣壓為pl0的列車管等效風(fēng)缸充氣，并用一個有相關(guān)參數(shù)的節(jié)流孔等效代替總風(fēng)缸與列車管間的通路結(jié)構(gòu)，用S 表示有效節(jié)流系數(shù)，b 為描述氣體流動狀態(tài)的臨界壓力比。在圖4 中，T 為絕對溫度；qm為氣體的流量；pl為列車管等效風(fēng)缸絕對氣壓；V 為等效風(fēng)缸的容積。

圖4 列車管初充氣簡化示意圖

圖5 副風(fēng)缸初充氣簡化示意圖

列車管的容積表達(dá)式為［5］：

D1、D2——分別為列車管主管、支管直徑；

L1、L2——分別為列車管主管、支管長度；

N——車輛數(shù)量。

在列車管從無空氣壓力充至500 kPa 的氣體流動過程中包括聲速與亞聲速兩個階段。根據(jù)氣動系統(tǒng)充氣特性方程結(jié)合列車管容積表達(dá)式可得，初充氣時列車管絕對氣壓pl關(guān)于時間t 的函數(shù)式為［6］：

3.1.1.2 副風(fēng)缸初充氣

列車管向副風(fēng)缸初充氣的簡化示意過程如圖5所示。圖5 中，氣壓為pl的等同列車管容積的列車管等效風(fēng)缸向初始絕對氣壓為pf0的副風(fēng)缸充氣，并將列車管與副風(fēng)缸間的通路結(jié)構(gòu)等效替換為一個有相關(guān)參數(shù)的節(jié)流孔；pf為初充氣時副風(fēng)缸的絕對氣壓，Vf為副風(fēng)缸的容積。

根據(jù)氣動系統(tǒng)充氣特性方程推導(dǎo)，副風(fēng)缸的氣壓從0 kPa 升至500 kPa 的過程可分為聲速與亞聲速兩個階段，其關(guān)于時間的函數(shù)式為［6］：

按照上述推導(dǎo)過程，依次完成初充氣、常用制動、再充氣及緩解、緊急制動等4 個模塊10 組列車制動系統(tǒng)基本數(shù)學(xué)模型，匯總?cè)绫?。

表1 列車制動系統(tǒng)10 組基本數(shù)學(xué)模型匯總表

3.1.2 模型參數(shù)定義

1）有效節(jié)流系數(shù)S 表達(dá)等效節(jié)流孔面積及相關(guān)結(jié)構(gòu)特征，代表列車制動系統(tǒng)氣動元件流量特性。其隨著實際氣體流動狀態(tài)改變，是最核心的特性參數(shù)。不同制動工況、不同編組、不同位置的車輛制動系統(tǒng)中氣缸氣室充放氣特性都通過改變S 的大小來模擬。

2）氣容的容積V 表達(dá)容納壓縮空氣空間大小，代表列車制動系統(tǒng)配置特征，在制動系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型中也是一個非常重要的參數(shù)。

3）局部減壓作用時間是制動閥的特性參數(shù)，表達(dá)控制閥的動作時間。在列車常用制動或緊急制動時，空氣波傳到該輛車后列車管氣壓下降，120 型分配閥動作先后發(fā)生第一階段局部減壓和第二階段局部減壓作用。局部減壓作用總時間t0包括第一階段局部減壓作用時間t1和第二階段局部減壓作用時間t2，即t0=t1+t2。

4）局部減壓通路影響系數(shù)k 是S 的附加參數(shù)，表示局部減壓通路參與動作的影響特性。

5）加速緩解通路影響系數(shù)k1也是S 的附加參數(shù)，表示加速緩解通路參與動作的影響特性。

3.2 接口設(shè)備研制

接口設(shè)備主要功能是使列車管氣壓變化情況能真實再現(xiàn)列車管仿真模型，控制實物列車制動性能試驗臺進(jìn)行試驗，以保證實現(xiàn)虛擬仿真模型和實物制動系統(tǒng)相結(jié)合的試驗功能。其主要由制動控制模擬執(zhí)行器和控制系統(tǒng)2 部分構(gòu)成。

制動控制模擬執(zhí)行器是執(zhí)行機(jī)構(gòu)，按照實際機(jī)車制動控制單元設(shè)計，主要由一組不同孔徑的電磁閥、中繼閥、均衡風(fēng)缸及氣動管路等組成。電磁閥接收控制系統(tǒng)信息進(jìn)行充排風(fēng)動作，控制均衡風(fēng)缸氣壓；中繼閥按照均衡風(fēng)缸氣壓值向列車管充排風(fēng)，使列車管氣壓與均衡風(fēng)缸氣壓一致。均衡風(fēng)缸氣壓的有效控制是精準(zhǔn)再現(xiàn)列車管仿真模型的關(guān)鍵。

控制系統(tǒng)由比例控制器、電磁閥、壓力傳感器和均衡風(fēng)缸等構(gòu)成。比例控制器由單片機(jī)、數(shù)字和模擬輸入輸出接口、功率驅(qū)動電路等組成。其工作原理如6 所示。

圖6 控制系統(tǒng)工作原理示意圖

電磁閥采用流體PWM 技術(shù)進(jìn)行驅(qū)動。PWM 信號具有固定的載波周期，比例控制器調(diào)用上位機(jī)列車管仿真模型，分為與載波周期對應(yīng)的若干時間段，按照列車管仿真模型每一段的氣壓變化信號，控制器輸出的PWM 信號的占空比發(fā)生相應(yīng)變化，以控制電磁閥的開啟或關(guān)閉時間的延長或縮短，向均衡風(fēng)缸充氣。同時，壓力傳感器反饋實時氣壓值與預(yù)控指令值比較［7］：如果實時氣壓值低于指令值，充氣電磁閥保持開啟繼續(xù)向均衡風(fēng)缸充氣；如果實時氣壓值高于指令值，則排氣電磁閥開啟排氣，使實時氣壓值無限接近指令值。通過不斷修正均衡風(fēng)缸的氣壓與上位機(jī)輸入的列車管模型的氣壓相對應(yīng)，達(dá)到精準(zhǔn)模擬列車管仿真模型的目的。

4 列車制動半實物仿真試驗系統(tǒng)的驗證

按照國內(nèi)通用貨車配置研制了實物小編組列車制動性能試驗臺，建立了由上位機(jī)及控制系統(tǒng)、制動控制模擬執(zhí)行器、小編組列車制動性能試驗臺三大部分構(gòu)成的列車制動性能半實物仿真試驗系統(tǒng)（見圖7），并進(jìn)行了仿真模型驗證、控制能力驗證和半實物仿真試驗驗證。

圖7 列車制動性能半實物仿真試驗系統(tǒng)

4.1 仿真模型驗證

為驗證仿真模型的正確性，利用小編組列車制動性能試驗臺進(jìn)行了初充氣工況、常用制動工況、緊急制動工況的制動性能試驗。獲得的試驗數(shù)據(jù)曲線，與仿真模型計算所得的結(jié)果進(jìn)行對比分析。結(jié)果表明，仿真模型趨勢性與真實試驗數(shù)據(jù)完全吻合，關(guān)鍵節(jié)點數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性稍有偏差，但偏差均不大于3%。常用制動工況下的氣壓曲線對比示意圖見圖8。

圖8 常用制動工況下氣壓曲線對比示意圖

4.2 控制系統(tǒng)控制能力驗證

為驗證控制系統(tǒng)能否按照列車管仿真模型精準(zhǔn)控制列車管充排風(fēng)，在各工況下利用傳感器實時采集并顯示列車管氣壓變化曲線，與列車管仿真模型氣壓曲線進(jìn)行對比（見圖9）。由圖9 可知，傳感器數(shù)據(jù)和模型數(shù)據(jù)結(jié)果基本吻合，只是由于氣流不穩(wěn)定產(chǎn)生實際氣壓變化曲線略有波動現(xiàn)象。經(jīng)過測試表明，控制系統(tǒng)能有效模擬列車管仿真模型的氣壓變化特性。

4.3 半實物仿真試驗驗證

基于實物20 輛編組列車制動性能試驗臺進(jìn)行了半實物仿真試驗驗證。以機(jī)車標(biāo)準(zhǔn)控制信號輸入，控制接口設(shè)備驅(qū)動實物20 輛編組列車制動性能試驗臺進(jìn)行制動作用，采集獲得20 輛車制動作用試驗數(shù)據(jù)反饋至上位機(jī)；上位機(jī)利用第20 輛車列車管氣壓變化數(shù)據(jù)自動修正仿真模型，再以修正后的第20輛車列車管仿真模型為信號輸入，控制接口設(shè)備驅(qū)動實物20 輛編組列車制動性能試驗臺進(jìn)行制動作用，采集獲得第21 輛車至第40 輛車制動作用試驗數(shù)據(jù)反饋至上位機(jī)；上位機(jī)利用第40 輛車列車管氣壓變化數(shù)據(jù)自動修正仿真模型，再以修正后的第40輛車列車管仿真模型為信號輸入，進(jìn)行下一輪試驗獲得第41 輛車至第60 輛車制動作用試驗數(shù)據(jù)，以此類推，獲取更多編組輛數(shù)的試驗數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了循環(huán)推導(dǎo)試驗，以少量編組實物試驗臺獲得長編組車輛試驗數(shù)據(jù)功能。

圖9 常用制動工況再現(xiàn)列車管減壓模型截圖

5 結(jié)語

半實物仿真試驗方法是列車制動試驗方法的創(chuàng)新，是計算機(jī)仿真技術(shù)和試驗技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，可提升試驗研究的智能化水平。

通過對列車制動系統(tǒng)作用原理、氣動系統(tǒng)流體力學(xué)原理等基礎(chǔ)理論的研究，建立了列車制動性能仿真模型并驗證了準(zhǔn)確性；接口設(shè)備及控制系統(tǒng)具備準(zhǔn)確模擬列車管仿真模型的氣壓變化特性、驅(qū)動實物列車制動性能試驗臺進(jìn)行試驗的能力；完成半實物仿真試驗嘗試，實現(xiàn)了虛擬與實物結(jié)合的試驗方式，開創(chuàng)了半實物仿真制動試驗的先河。